全膜法水处理工艺应用分析

王贵德，李朝燕

（1.大唐河北发电有限公司马头热电分公司，河北 邯郸 056044；2.大唐武安发电有限公司，河北 邯郸 056044）

1 概述

随着水处理技术的不断发展，全膜法水处理工艺日趋成熟，由于其无需酸碱再生、操作简单、连续制水、出水水质稳定，在火电厂锅炉补给水处理工艺中的应用日趋广泛。近年来，随着环境保护的要求越来越受到重视，以高分子分离膜为代表的膜分离技术作为一种新型的流体分离单元操作技术，在我国受到了越来越多的瞩目，尤其是电除盐（EDI）技术更是水处理技术的重大进展之一，其不但产水质量高、运行稳定，而且使火力发电厂制取除盐水彻底摆脱了因使用化学再生药剂所引起的费用、空间、环保等问题。全膜法水处理是指以膜法处理取代传统的砂滤和离子交换工艺，整个水处理系统均采用膜法处理工艺，即采用超滤＋反渗透入＋EDI系统。随着全膜法技术的不断成熟和推广以及膜元件产品价格的不断下降，全膜法水处理工艺越来越多的应用于火力发电厂的锅炉补给水处理系统。

2 全膜法水处理工艺介绍

膜法液体分离技术一般分为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）4类，它们的分离精度按照以上顺序越来越高。电除盐（EDI）因其应用了电渗析技术来实现离子交换树脂的连续再生，通常被纳入膜法分离技术之列。目前，用于火力发电厂的膜处理技术主要有超滤、反渗透、电除盐等。

2.1 超滤系统

超滤是一种筛孔分离过程，分为内压式和外压式。在压力的作用下，溶剂水和小溶质粒子透过超滤膜的孔而到达低压侧，大粒子组分被膜阻挡。超滤能够有效地去除水中的悬浮物、胶体、有机大分子、细菌、微生物等杂质，具有优良的过滤性能。［1］与传统工艺系统（化学加药＋多介质过滤器＋活性炭过滤器）相比，超滤系统具有以下优点：占地面积小、出水水质好（出水污染指数SDI可以保持＜2，传统工艺的预处理出水SDI为4～5）、出水水质稳定、易实现全自动控制。

2.2 反渗透系统

反渗透是最精密的膜法液体分离技术，它能阻挡所有溶解性盐及分子量大于100的有机物，但允许水分子透过。反渗透膜是用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的薄膜，它能够在外界压力作用下使水溶液中的某些组分选择性透过，从而达到淡化、净化或浓缩分离的目的。醋酸纤维素反渗透膜脱盐率一般可大于95%，反渗透复合膜脱盐率一般大于98%。由于反渗透系统的运行费用低、环境效益高，基本解决了再生酸碱污染环境的问题。［2］因此，在电力行业锅炉补给水、循环水及废水的回收，电厂的零排放等均可采用反渗透系统。但一级反渗透系统的出水水质还不能满足电厂锅炉补给水的要求，特别是随着高参数大容量机组作为我国未来电力发展的主要机组，它们对于水质的要求也越来越高，因此，目前国内大部分电厂仅把反渗透当作预脱盐，后面仍然采用离子交换技术，即反渗透加二级除盐系统或反渗透加混床除盐系统。此时废酸碱的排放量与原来离子交换系统相比减少了90%，基本上解决了废酸碱的排放问题。

2.3 EDI系统

传统的反渗透加二级除盐系统或反渗透加混床除盐系统，仍存在混床树脂再生酸碱废液排放和繁琐的再生操作问题。近年来随着EDI技术的应用，即用EDI代替混床，彻底解决了酸碱排放问题。

EDI技术是在电渗析技术基础上发展起来的，利用选择性膜和离子交换树脂组成填充床生产高纯水的技术。最常见的EDI系统设备由一系列模块并联组装而成，每个模块有一定的产水量，一般每小时几吨。由于EDI系统设备的树脂可以在线连续再生，因此能实现连续运行。最常见的模块为板框式。由于EDI系统对进水的水质要求较高，为确保EDI系统运行正常，一般在EDI系统前面采用两级RO或设置软化器［1］。与离子交换相比EDI系统有以下特点：无须酸碱再生，有利于达到环保要求，混床中的树脂是通过酸碱中的H＋和OH－进行再生，而EDI系统装置是通过电将水电离为H＋和OH－，从而对树脂进行再生；占地面积极小，无须备用装置，无须设置再生、酸碱贮存、中和设备；便于实现自动化控制，控制点数大大少于混床；操作人数减少，降低人为操作失误的可能性，无须酸碱再生的操作；设备维修、更换方便，采用单元模块式装配；运行回收率高（即自耗用水量少），可达到95%，且排放的浓水可回收；产水水质稳定，产水电阻率可达到10MΩ·cm（25℃）以上。

3 全膜法水处理工艺的应用

3.1 机组概况

河北某煤矸石发电项目新建工程将建设2台300MW间接空冷机组，每台机组包括1台1 100 t/h亚临界、自然循环的循环流化床锅炉，1台300 MW亚临界、一次中间再热、双缸双排汽单轴间接空冷凝汽式汽轮机，1台300MW发电机和相关的辅助设备。工程主供水水源为邯郸矿业集团郭二庄煤矿二坑矿井疏干水站井下涌水；备用水源为郭二庄煤矿马项矿井疏干水站井下涌水。

3.2 工艺选择及工艺流程

根据水源水质资料及以往经验，矿井疏矸水的悬浮物最高均在1 000mg/L，不能满足循环水补水和锅炉补给水处理系统进水的水质要求，因此本期工程设疏矸水预处理系统，预处理系统采用混合凝聚澄清沉淀过滤工艺，采用如下工艺设备：直列式混合器、星形絮凝设备、V形沉淀设备、砂滤池及辅助加药设备，系统出水浊度设计值为小于1NTU。

经疏矸水预处理系统处理过的净水进入锅炉补给水处理系统。经过技术与经济对比分析，考虑到全膜法的技术优势，本期工程锅炉补给水处理工艺最终确定为超滤＋二级反渗透＋EDI，系统设计最终出力为2×57t/h，除盐水箱容积为2×1 500m3。

设计工艺流程为：生水（经混凝、澄清过滤处理并加热）→生水箱→超滤升压泵→自清洗过滤器（2×120t/h）→超滤 UF（2×93t/h）→超滤水箱→一级升压泵→一级RO保安过滤器→一级高压泵→一级RO（2×70t/h）→除二氧化碳器→中间水池→二级升压泵→二级RO保安过滤器→二级RO（2×63 t/h）→反渗透水箱→EDI给水泵→EDI保安过滤器→EDI（2×57t/h）→除盐水箱→经除盐水泵至主厂房。

3.3 工艺设计优化

3.3.1 超滤系统

根据运行经验，超滤系统大多存在膜污染和断丝现象。一旦出现以上现象，会直接影响产水量和出水水质，威胁后续反渗透膜的安全稳定运行，因此工程从以下方面对超滤系统进行了优化设计。

a.选择性能优良的膜元件，膜通量按照低值设计，且系统运行方式设计为错流过滤，每个运行周期上下端交替进水，以最大限度地避免膜污染现象。

b.超滤给水泵和超滤反洗水泵增设变频器，以减缓泵启动时对膜丝的瞬间大流量冲击，防止断丝。

c.设置加强反洗，每个运行周期反洗时根据水质情况酌情加入杀菌剂、酸或碱，以保持膜元件表面清洁。

3.3.2 反渗透系统

反渗透膜以其对小分子物质和离子态物质的良好截留能力，是全膜水处理工艺中除盐的核心，但是反渗透易受固体颗粒的损坏和微生物的污染，因此合理的系统设计和膜材料的选择至关重要，工程从以下几方面对反渗透系统进行了优化设计。

a.考虑到水源水质较恶劣，一级反渗透选用了陶氏公司的BW30－365FR涡卷式抗污染复合膜元件，抗污染复合膜不但降低了膜表面的粗糙度、提高了膜的亲水性、改善了水流通道，而且膜表面带有电荷，能有效地削弱浓差极化和减缓有机物、微生物、阳离子聚合物、表面活性剂集胶体对膜的污染。

b.考虑到二级反渗透进水水质较洁净，二级反渗透选用较为经济的涡卷式超低压反渗透膜元件。

c.膜的水通量是膜元件的重要指标，膜的污染速度随水通量递增，膜通量的选择按照不大于膜元件制造厂商《导则》中废水进水水质规定的水通量低值的90%选取。

d.高压泵设置变频器和电动慢开门，以降低启泵时对高压泵对反渗透膜元件的冲击。

3.3.3 EDI系统

由于EDI系统对进水的水质要求较高，为确保EDI系统运行正常，工程在EDI系统前面采用2级RO系统并从以下几个方面进行了优化。

a.通过对比分析几种不同EDI系统运行情况，以确定EDI系统膜块的选型。通过对现有投入运行较好的EDI膜块（包括GE公司产品、Electropure公司产品和西门子Ionpure产品等）进行技术经济比较，选择单块膜块出力较大的Electropure公司的EXL－700产品（该产品设计出力为7t/h，其余为3～5t/h），以降低造价和简化系统。

b.水中CO2的存在，会严重影响EDI装置产水品质。为消除CO2对EDI装置的影响，工程在二级RO装置进水中加碱，这样不但不会引起反渗透结垢，而且可以将CO2转化为CO32－和HCO3－，提高了RO膜对碳酸的脱除率，使EDI系统进水中CO2含量＜2mg/L，从而确保了EDI系统的产水品质。

c.取消了浓水加盐设备，利用EDI膜块本身的技术特点确保浓水的导电性，从而使系统简单，操作方便，易于控制。

3.3.4 系统整体设计优化

a.合并系统中的化学清洗装置。由于超滤、反渗透、EDI运行一定时间后，均需要化学清洗，因此在开始设计时各系统分别设计了1套清洗装置。考虑到超滤的化学清洗药品中含有氧化性物质，而氧化性物质是反渗透膜元件的致命威胁，因此单独设超滤化学清洗装置，而将EDI化学清洗装置取消，和反渗透清洗装置共用，并将反渗透清洗装置中的保安过滤器滤芯由5μm改为1μm，以满足EDI进水水质要求。

b.自清洗过滤器和超滤按照单元制一对一设计，控制简单。

c.自清洗过滤器反洗水、超滤反洗水回收至地下回收水池，用回收水泵送至疏矸水预处理系统原水池处理后回用。一级反渗透浓水、EDI极水回收至反渗透浓水箱直接用作脱硫系统用水；二级反渗透浓水、EDI浓水回至超滤水箱回用；系统化学清洗废水回收至地下废水池，用废水泵打至工业废水处理站处理后回用。

d.将反渗透系统单元制进水改为母管制进水，从而简化了反渗透进水加药设备和进水水质分析仪表的设置。

e.除盐水泵设置变频装置，提高了泵运行的经济性。

f.除盐水箱设置浮顶，以隔绝空气，防止空气中的CO2对除盐水造成污染。

3.4 应用效果

a.目前该该系统已通过调试，EDI出水电导率小于0.06μS/cm，远远优于常规的阳床阴床混床离子交换处理工艺。

b.系统运行操作简单，仅在集控室设1名远控值班员及1名就地巡检员。

c.通过优化方案的实施，降低工程造价约10万元。

d.通过系统不同水质分类回收的优化设计，使制水过程中全部废水得以重复利用，按照年运行5 500h计算，每年节约用水约55万t，为降低电厂的水耗指标及实现电厂“零排放”提供了技术保证。

4 结束语

全膜法水处理工艺日趋成熟，具有无需酸碱、操作简单、连续制水、产水水质稳定、节约占地等特点，是建设绿色环保电厂的首选工艺方案。某电厂2台300MW发电机组采用该处理工艺，并对其技术进行优化，优化后系统超滤、反渗透及EDI设备的出水水质、水量均达到设计指标，设备运行稳定。其他机组在应用该处理工艺时，可根据全膜法水处理工艺的水源水质及特点，结合实际运行案例对工艺设计方案进行优化，以做到合理降低工程造价，确保系统稳定可靠运行。

［1］ 周本省.工业水处理技术［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［2］ 张葆宗.反渗透水处理应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2004.