超滤自动控制系统在中水回用井下改造工程中的应用

孙彩宏　朱家斌

【摘 要】晓明矿按照集团公司要求，遵守国家环保项目的有关规定，为实现污水综合利用和零排放目标，于2012年底投产建设了一座综合污水处理厂，集中处理生活污水与工业污水。经过一年的调试与运行，中水指标符合设计要求，但无法达到井下机械设备回用水标准。为解决此问题，根据现有的实际情况和治理目标，在处理工艺上投入超滤自动控制系统，实现中水回用井下，以期取得节能减排的实效。

【关键词】中水；超滤自动控制系统；回用井下

0 引言

现在污水处理厂处理后的中水主要是悬浮物超标，影响井下设备的正常运转。本文对超滤自动控制系统在中水回用井下改造工程进行了分析和设计，论证了对现有中水进行再处理作为井下机械设备回用水可以实现节能减排的问题，可作为实际工程的参考。

1 超滤自动控制系统原理

超滤处理的目的就是去除水中一些较粗的颗粒和杂质、悬浮物和异味、余氯、有机物、等以及降低水中的硬度。超滤膜最适于处理溶液中溶质的分离和增浓，或采用其他分离技术所难以完成的胶状悬浮液的分离。[1]每米长的超滤膜丝管壁上约有60亿个0.01微米的微孔，其孔径只允许水分子、水中的有益矿物质和微量元素通过，而最小的细菌的体积都在0.02微米以上，因此，细菌以及比细菌体积大得多的胶体、铁锈、悬浮物、泥沙、大分子有机物等都能被超滤膜截留下来，从而实现了净化过程。

超滤自动控制系统采用现场PLC自动控制和远程计算机控制相结合，实现现场无人值守，集中管理。

2 基础数据

2.1 中水来源

中水回用井下改造工程的水源主要是工业污水和生活污水处理后的中水。

2.2 处理水量

设计超滤装置处理能力为1200m3/d，24小时连续、全自动运行。

2.3 出水水质

处理水回用标准：经污水处理厂处理的污水除了达到《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》、《城市污水再生利用国家标准》的要求（见表1），还要满足井下机械设备使用的要求，即浊度低于0.5度。

3 工艺流程及改造设备选型

根据晓明矿现场的实际情况，结合现在成熟的水处理技术，在考虑一次性投入、运行成本及环境保护等综合因素，特别考虑以超滤为核心的水处理装置；考虑到生产的可靠性，采用两套50T/h的超滤水处理装置，以便一台检修，另一台可继续产水。全自动运行，无需人员干预。

3.1 工艺流程

清水池→潜水泵→保安过滤器→超滤→输出水泵→400立水仓 →用户；井下生产过程中产生的废水收集后也可以进入超滤进行处理，处理后供给井下使用。

3.2 设备改造选型（单套50T/h）

3.2.1 潜水泵

从清水池抽水，输出给保安过滤器，该泵变频控制，恒压供水。深度处理时主要用于运行时克服超滤装置的阻力，同时提供足够的水流量循环，即超滤产生的浓水又回流到清水池。通过进水的低压控制阀可防止其缺水而空转。

为了克服超滤系统的阻力，选用泵扬程：35m；流量：100T/h；考虑富裕量需要，则选用泵型号：100WQ100-35-18.5；数量：2台（一备一用）。

3.2.2 保安过滤器

在超滤装置前配置5um保安过滤器，以防止杂质颗粒等进入超滤膜，以延长超滤装置的使用寿命。本系统采用外松内紧式的PP滤芯，水由外向内过滤，可以防止滤芯被堵塞，以延长其使用寿命。上部具有排气阀，可以防止空气进入泵而损坏泵，下部具有排污阀，可以随时排掉截留的杂质。更换周期：0.5～1年。

设计计算：

3.2.3 超滤膜组件

设计两套50T/h的超滤装置独立或并联运行，同时当两套装置的不同部件出现故障时，通过控制切换可立即组合一套装置运行，保证生产用水。配置在线清洗装置，不用拆开，可方便地进行清洗。

超滤中空纤维柱式膜过滤是一个压力驱动的膜分离过程，它能够将颗粒物质从流体及溶解组份中分离出来。对于胶体、淤泥、藻类、隐孢子虫、贾地鞭毛虫、大肠杆菌、细菌和大多数病毒等具有很高的去除率。[2]选用中空纤维柱式膜组件，外压式，膜材质为聚偏氟乙烯PVDF，选用的膜孔径为0.45μm的微孔过滤膜，中水初始流量2-7t/h，考虑不利情况和进水温度影响，选柱式膜组件30只（单套），错流过滤，浓水回流。

3.2.4 输出水泵

输出水泵的作用是为中水回用于井下提供稳定的压力和水量。本系统配置型号为CDL65-20-1的水泵2台（一备一用），正常出力为50m3/h，扬程为30米，功率11kW。

3.2.5 超滤清洗装置

膜运行一段时间后，可能有滋长细菌、结垢等现象，这会造成膜孔堵塞，使产水水量、产水水质下降。清洗超滤装置包括水反洗、气洗和药洗。在超滤装置正常运行的过程中就需对膜进行水洗和气洗来恢复其产水能力；而当产水水量或产水水质下降10～15%时，就需对膜进行药洗来恢复其产水能力。

3.2.6 水反洗系统

1）反冲洗水泵一台，型号为CDL120-20-1，流量100T/h，扬程30m，功率18.5 kW。

2）不锈钢中间水箱一个（25立），水源来自于超滤装置净化后的清水。

3）全自动控制，水反洗时间25秒。

3.2.7 气洗系统

1）利用压缩空气气洗膜。

2）空气压缩机型号为W-0.6/12.5，排气量0.6m3/min，功率5.5kW。

3）空氣压缩机配备储气罐，容积170L，压力1MPa。

4）全自动控制，气洗时间30秒。

3.2.8 药洗系统

本系统只需将一定量的清洗药剂加入贮药箱，启动药洗开关即可，这样方便快捷，省时省事，同时药洗效果好。根据污染的程度不同，可适当延长药洗的时间与次数。为了达到最佳的药洗效果，每套系统的每段超滤膜独立药洗，以防止前段的污水污染后一段膜。

药洗周期：半年左右；每次药洗时间：4小时左右。

清洗药剂：柠檬酸或其它药剂。

稀释药剂水源：来自于超滤装置净化后的清水。

单支膜需药洗液体积：轻度污染34L；重度污染：55L。

每次药洗膜的支数：30支（第一段膜），则药洗液量：1650L，管路需溶液量按20%计算则总的药洗溶液量：1980L。

选用贮药箱规格：2400L；数量：1个。

单支药洗压力要求：小于0.4MPa。

单支膜壳的进口流量：6～9.1T/h。

药洗的最大流量：30～45T/h。

则选用不锈钢化学药洗泵的流量：45T/h、泵的扬程：15m、功率：4kW、选用泵型号：CDL16-4、数量：1台。

3.3 系统仪表设置

超滤装置产水、超滤后的浓水和水反洗超滤装置用水装设电磁流量计；气洗超滤装置装设气体流量计；保安过滤器进口、超滤后的浓水及水反洗超滤装置装设压力变送器及就地压力表；中间水箱和贮药箱装设液位变送器。

4 控制监测

4.1 仪表

1）按工艺要求，仪表检测和控制范围主要是超滤系统的正常运行和清洗，由单独一套PLC设备完成。

2）加藥量的控制应实现实时自动添加，同时实现手动调节操作的目的。

3）整套超滤系统的具有有关压力、流量、液位、温度、分析仪表等测量参数的显示和报警。

4.2 自控系

1）简化回流工艺流程如下：

（1）正常运行：V1、V2、V3、源水泵开，其余关。（30分钟）

（2）气擦洗水反洗：V4、V6、V7、反洗泵开，其余关。（30秒）

（3）水反洗：V4、V5、V7、反洗泵开，其余关。（25秒）

（4）大流量排污：V1、V7开，其余关。（12-15秒）

2）本系统的控制范围是超滤系统的自动控制，具体控制项目如下：

（1）超滤进水压力要求限制低于0.35MPa。

（2）当超滤膜压差>0.2MPa时，延时5秒，激活报警并超滤装置停机。

（3）正常运行时，按“正常运行→气擦洗水反洗→水反洗→大流量排污→正常运行”循环进行，根据超滤膜的污染程度，反洗程序可以重复数次。

（4）程序转换时需考虑缓冲时间应在实际编写程序时考虑。

3）设备控制功能：超滤装置阀门、水泵的控制状态指示、自动、就地操作指示及连锁选择。

4）超滤系统投运、停运、清洗过程状态显示。

5）超滤产水、浓水瞬时及累积流量指示。

5 经济效益分析

中水： 1.15元/t。

工业用电：0.78元/度。

工人工资： 2200 元/月。

管理费：2000*5%=100元/月。

药剂：60元/kg。

1）电费：57.5 kW×0.78元/度×24h=1076.4元/天

2）药剂费：72g/天÷1000×60元/kg=4

3）人工费：需增加运行人员3人。（2200+100）元/月×3人÷30天=230元/天

4）折旧费：年折旧费69000元，189.04元/天。

5）运行费用：运行费用为电费、药剂费、人工费、折旧费的总和。运行费用为1499.76元/天，折合吨水成本为1.25元/m3。

6）总成本：1.15元/t+1.25元/t=2.4元/t

原井下用水量每天约为600m3，自来水费为10元/吨，改造后每年可节约水费：

600m3/天*365天*（10-2.4）元/m3=166.44万元

超滤处理技术投资约合85万元，年节约费用166.44万元，一年即可收回全部投资。

6 结语

为了提高综合污水处理厂污水回用率、保障井下机械设备的安全运行，采用超滤自动控制系统，可有效地去除现有中水中一些较粗的颗粒和杂质、悬浮物和异味、余氯、有机物、等以及降低水中的硬度，使中水达到井下机械设备回用标准，减少清水的使用量，具有显著的经济、社会和环境效益。

【参考文献】

[1]冯敏.工业水处理技术[M].北京：海洋出版社，1992.

[2]任建新.膜分离技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2003.

[责任编辑：田吉捷]