一体化净水装置在水处理系统中的应用

王 磊，李建波

(威海恒邦化工有限公司 山东威海 264501)

脱盐水是指利用水处理工艺除去悬浮物、胶体以及无机阳离子、阴离子等水中杂质后所得到的成品水。严格意义上的脱盐水意味着水中盐类被全部去除干净，但由于技术方面的原因及制水成本上的考虑，根据不同用途，允许脱盐水中含有微量杂质。

不同的水处理工艺对装置的进水水质有不同的要求，而进水水质直接影响脱盐水的质量。由于受环境变化、水质富营养化、泥沙淤积等因素的影响，原有预处理装置的处理能力已无法满足后续超滤、反渗透等装置的进水要求，故考虑对进水进行深度预处理。

一体化净水装置将沉降反应、斜管重力沉降、无阀过滤3个部分进行了有效结合，提升了沉降和过滤效率，其出水水质最优可达到《城市供水水质标准》(CJ/T 206—2005)和《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的要求。一体化净水装置结构简单、安装方便、运行成本低，有效解决了水质变差带来的问题，可实现脱盐水装置进水的深度预处理[1]。

1 水处理系统简介

(1) 脱盐水处理工艺流程

该水处理系统以多介质过滤器与超滤装置为预处理系统，反渗透装置进行初级除盐处理，混合离子交换器(混床装置)进行最终的除盐处理，其工艺流程如图1所示。

图1 初始脱盐水处理工艺流程

(2) 多介质过滤器

多介质过滤器主要是利用石英砂(粒径0.45～0.60 mm)、无烟煤(粒径0.80～1.20 mm)滤除加药后形成的矾花和原水带入的颗粒物，并保证原水经预处理后的淤泥密度指数SDI≤4.0，以满足后续超滤和反渗透装置对进水水质的要求。

(3) 超滤装置

超滤装置是利用膜分离原理，使用丝径为0.80 mm(内径)/1.30 mm(外径)、厚度1 μm、孔隙孔径0.001～0.100 μm的生物超滤膜，在外界推动力(压力)的作用下截留水中的胶体颗粒，使水和小的溶质离子透过膜，达到对反渗透装置进水进一步净化处理的目的。

(4) 反渗透装置

反渗透装置以压力差为推动力，对膜一侧施加压力，当压力超过溶剂的渗透压时，溶剂便会逆着自然渗透的方向作反向渗透，从而在膜的低压侧得到透过的溶剂(渗透液)，高压侧得到浓缩的溶液(浓缩液)。为防止反渗透装置浓水侧出现结垢等问题，前置了加药系统及5U前置过滤器。

(5) 混床装置

经反渗透装置处理的工艺水通过装有氢型阳离子交换树脂(001x7)和氢氧型阴离子交换树脂(201x7)的混床装置除去水中的阴、阳离子，以达到电导率≤0.2 μS/cm、w(SiO2)≤20 μg/L的脱盐水指标要求。

2 水处理系统存在的问题及原因分析

2.1 存在的问题

该水处理系统(70 m3/h)于2010年投入使用，初期运行情况良好，产水率在75%以上。随着装置运行时间的延长，产水率逐渐降低，至2018年夏季下降至50%以下。

(1) 淤泥密度指数SDI

SDI是水质指标的重要参数之一,代表了水中颗粒、胶体和其他能堵塞各种水净化设备的物质的含量。系统初始原水经过多介质过滤器处理后，产水SDI值已高至无法进行检测。

(2) 系统产水率

超滤及反渗透装置进水端压力高于正常运行指标且装置产水率低，超滤装置的膜件进出口管道在投用杀菌剂、阻垢剂的情况下依然存在大量青苔。

(3) 系统稳定性

由于该水处理系统各装置的进水压力高，导致超滤和反渗透装置的膜件中间部位经常发生爆裂，膜件使用寿命缩短，运行费用明显上升。

2.2 原因分析

针对水处理系统出现的问题，通过对水质、装置运行原理等分析，初步确定原因如下。

(1) 水处理系统采用的原水属于河道和浅层地表水，随着周围生化环境、河道淤积等情况的逐渐变化，其有机物、微生物、微细泥沙等含量上升，致使SDI值居高不下。

(2) 在水质转差的情况下，多介质过滤器无法截留微生物及细微物质，导致其进入超滤装置，造成微生物孳生并堵塞微孔等，使超滤装置运行周期缩短、产水水质不达标，间接造成后续反渗透装置等产水率降低。

要想解决水处理系统存在的问题，应从改善原始水质入手，即设置前置的深度原水预处理装置，以提高多介质过滤器的预处理效果。

3 一体化净水装置的应用

一体化净水装置集絮凝、沉降、排污、自动反冲洗等功能于一体，具有结构简单(图2)、安装方便等特点，可对河道和浅层地表水进行强化预处理，确保原水中的悬浮物及其他影响后续水处理设施正常运行的物质被去除，出水指标达到原水处理系统的入水要求。一体化净水装置有效利用了水处理系统的设计高差，使原水经过自流进入该装置，净化处理的产水同样自流返回水箱，过程中无需增设任何动力设备和操作人员。引入一体化净水装置后的脱盐水处理工艺流程如图3所示。

图2 一体化净水装置结构示意

图3 引入一体化净水装置后的脱盐水处理工艺流程

(1) 管道混合器

聚合氯化铝、聚丙烯酰胺等高效絮凝剂与原水在管道混合器内充分混合，在多级强烈微旋涡条件下进入混凝反应室，发生高速分解混合反应，以此加强后续的沉降和过滤效果。

(2) 斜管沉降分离

利用斜管沉降器停留时间长、沉降面积大、沉降时间短的优势，经过充分混凝的水与絮凝剂在斜管沉淀反应室内使大粒径物质得到初步分离。

(3) 重力过滤器

重力过滤器由中间水箱、U形管、过滤室、清水箱、虹吸管等组成。经斜管沉淀反应室澄清的水依次通过中间水箱、U形管进入过滤室，水自上而下通过滤料层，依靠滤料的接触凝聚和机械筛除作用，清除水中细小颗粒，得到的清水进入清水箱，作为下游装置的入水。当运行一段时间后滤料层阻力上升至一定数值，由于虹吸管的存在，清水箱内的清水将对重力过滤器进行反洗，直至虹吸被破坏，进入下一个循环。

(4) 虹吸反洗原理：①过滤室中滤料阻力不断上升，通过U形管的配水透过滤料所需要的压力逐渐增大，若此压力超过中间水箱的静压，进水将不再透过滤料，水位会上升至虹吸管的上升管；②当上升管的水位升至辅助管的管口时，水进入虹吸辅助管口落下，水流带走空气，真空度增大，下降管中的液面不断上升，直至上升管与下降管中的水面接触，产生连续虹吸作用；③在虹吸作用下，过滤室中的滤料上部压力骤降，下部清水区中的清水逆向穿过滤板进入滤料层对滤料进行反冲洗，清水箱中清水液位下降；④当清水箱中的水位下降至虹吸破坏管管口时，气体进入虹吸破坏管，虹吸真空被破坏，反洗结束，进入下一个循环。

4 运行效果

4.1 多介质过滤器产水的SDI变化情况

一体化净水装置投入运行后，多介质过滤器产水的SDI值和SDI变化趋势如表1和图4所示。

表1 多介质过滤器产水的SDI值

编号SDI(max)SDI(min)15.965.4225.685.3535.425.2945.415.2455.474.9865.324.8275.424.8285.384.7395.534.85105.244.53115.124.50124.934.09134.244.01

从表1数据并结合图4变化趋势可知，多介质过滤器产水的SDI值由一体化净水装置投运前的过高无法检测变为可测，且SDI值随着运行时间的延长呈现下降趋势，说明该装置对悬浮物、淤泥等截留效果较好。

图4 多介质过滤器产水的SDI值变化趋势

4.2 超滤和反渗透装置入水压力变化情况

一体化净水装置投入运行后，超滤和反渗透装置入水压力变化情况如表2和图5所示。

从表2数据并结合图5变化趋势可知：在一体化净水装置投用前，随着悬浮物、淤泥等物质的截留效果变差，超滤和反渗透膜件出现堵塞，导致超滤和反渗透装置的进水压力呈上升趋势；而一体化净水装置投用后，截留效果增强，加之加强对超滤和反渗透膜件的反洗，使得堵塞情况改善，超滤装置的进水压力基本趋于稳定，而反渗透装置的进水压力呈下降趋势，有效延长了膜件的运行周期。

表2 超滤和反渗透装置入水压力变化情况

序号入水压力/MPa超滤装置反渗透装置10.200.0720.210.0730.210.0940.230.1050.260.1260.260.1770.280.1980.260.1890.260.16100.250.14

图5 超滤和反渗透装置入水压力变化趋势

4.3 注意事项

一体化净水装置主要是利用斜管沉降及重力沉降的方式强化水处理效果，其产水量的主要影响因素在于系统是否通畅以及过滤介质的反洗洁净度。该装置利用虹吸原理实现全自动反清洗，若虹吸装置维护不到位会发生频繁反洗[2]，造成产水量降低，甚至无水产出。