关于降低膜系统运行成本与提高膜系统产水率的对策研究

张天芳

（1.株洲冶炼集团股份有限公司，湖南株洲 412004；2.铅锌联合冶金湖南省重点实验室，湖南株洲 412004）

关于降低膜系统运行成本与提高膜系统产水率的对策研究

张天芳1，2

（1.株洲冶炼集团股份有限公司，湖南株洲 412004；2.铅锌联合冶金湖南省重点实验室，湖南株洲 412004）

对膜处理系统的运行状态进行了分析，优化了生产组织模式及碳酸钠投加量，改进了膜处理系统的工艺路线及关键设备——保安过滤器，选取了性价比较高的国产保安过滤器滤芯取代价格昂贵的进口滤芯，使膜系统的产水率提高了23%，运行成本降低了27%，为膜系统的安全稳定运行打下了坚实的基础。

超滤；反渗透；保安过滤器滤芯；碳酸钠

随着环境问题的日益严峻，国家在环保领域的投入越来越多，有色企业面临的环保压力也越来越大。为了更好地实现资源循环利用，做到清洁生产，国内某大型有色金属冶炼企业从2006年开始实施重金属废水零排放与资源化项目，总投资约1亿元。该企业水处理厂反渗透膜处理系统深度净化重金属废水工艺作为其中的一个重要项目于2008年4月开始施工，2009年底进行了项目调试。该项目采用“超滤＋反渗透”双膜法处理工艺，设计处理能力为200 t／h，整套系统包括化学预处理、前处理和反渗透脱盐三部分，自动化程度较高。化学预处理部分是采用碳酸钠脱除废水中的钙离子；前处理部分包括多介质过滤器及超滤，主要用于去除废水中的悬浮固体、胶体、COD等杂质，保证达到反渗透进水要求；反渗透脱盐是整套系统的核心部分，反渗透膜是只允许水分子透过的半透膜，基本可以截留水中所有的盐类。经过反渗透膜的废水将分成两部分，一部分水得到净化成为淡水，其水质优于工业用水，可作为工艺用水替代部分新水使用；另一部分为浓水，进水中的污染物基本存在于浓水中，浓水可以作为冲渣等车间杂用水源。

膜系统在运行的过程中，由于进水水质不稳定、设备运行故障率高等因素导致膜系统运行成本高且产水率较低。该研究主要优化药剂碳酸钠的投加量，以节约药剂成本，实现膜处理系统的经济有效运行。此外，还对关键设备——保安过滤器进行升级改造，防止排气管倒吸污水及设备两端的压板变形。通过对比试验选取性价比最高的国产滤芯取代原来价格昂贵的进口滤芯，延长滤芯更换周期，节约耗材成本。最后，还对当前膜系统的工艺进行了改进，反渗透自清洗水由原进5＃均化池改进超滤产水池，提高了膜系统的产水量，避免了重复处理的浪费。

1 工艺优化

1.1 工艺流程

1＃～3＃斜板池产出的高钙净化水进入5＃均化池，提升至5＃斜板沉淀池内投加碳酸钠、絮凝剂和助凝剂进行化学沉淀预处理，将净化水中的Ca离子浓度降至50 mg／L以下，同时降低其中F离子浓度，然后输送至缓冲水池，经过多介质过滤器和超滤（UF）进一步降低其中的悬浮固体、胶体、COD等杂质，再进入反渗透（RO）系统进行脱盐处理。产出的一次淡水排入回用水池直接回用，与现有生产水管网并网使用，为保证系统的产水回收率，原水反渗透产出的一次浓水再进行一次反渗透处理，即一次浓水进行二次反渗透除盐处理，产出二次淡水排入回用水池直接取代生产水回用，产出的二次浓水输送至生产系统作为冲渣等车间杂用水源。工艺流程如图1所示。

图1 膜处理系统工艺流程图

1.2 优化主要药剂碳酸钠的投加量

2011年，该系统用于5＃均化池降钙的碳酸钠使用成本达到了总运行成本的78.33%，保安过滤器滤芯消耗成本次之，达到了10.47%，为了有效地降低膜处理系统的运行成本，对碳酸钠的投加量进行了优化，通过对比实验选取了性价比最高的国产保安过滤器滤芯取代价格昂贵的进口保安过滤器滤芯。

从生产现状发现，为了降低预处理出水钙离子含量，当前的碳酸钠投加为过量投加，且过量系数较大，导致膜系统运行成本增加，加重了反渗透膜的运行负担，由于碳酸钠的水溶液电离出的碳酸根离子与水中氢离子结合成碳酸氢根离子，导致溶液中氢离子减少，剩下电离的氢氧根离子，所以溶液pH显碱性，过量投加后引起pH值升高，导致后续盐酸用量增加；此外，碳酸钠过量投加还会引起出水电导率升高，加重膜系统脱盐负担，对膜系统经济、稳定运行都造成了不良影响。因此，优化碳酸钠投加量势在必行。

碳酸钠除钙的化学方程式如下：使用的无水纯碱为99%工业纯，配制浓度为20%，密度约为1.2 g／mL，需要将预处理进水的钙离子含量降至50mg／L以下，进水量按120m3／h计算，其中Na2CO3的相对分子量为106，Ca的相对分子量为40，设预处理进水中的钙离子含量为A（mg／L），则碳酸钠的理论消耗T1（kg／L）为：

理论投加量T2（L／h）为：

即T2＝1.312×（A－50）

按以上公式可以计算得出不同过量系数条件下的碳酸钠投加量，如表1所示。

表1 碳酸钠理论消耗值及不同过量系数条件下的碳酸钠投加量

由于该企业废水成分复杂，除Ca（OH）2、CaCl2还有Al2（SO4）3、BaCl2成分会与碳酸钠发生化学反应生成沉淀，因此在工业生产中碳酸钠的实际使用量要大于理论值。为了找到最佳的过量系数，对照表1中不同的碳酸钠过量系数进行了生产对比实验，结果如表2所示。碳酸钠按理论消耗量的275%投加后，预处理出水的平均Ca离子含量均在50 mg／L以下，符合膜系统进水要求，也没有造成过多的药剂浪费，为最佳碳酸钠投加过量系数。此外，还对工艺进行了调整：将原本进浓缩池的斜板底流返回5＃均化池循环利用，使过量的碳酸钠在均化池与Ca离子初步反应，节约碳酸钠使用量，减轻膜系统运行负担。

表2 碳酸钠按不同过量系数投加后预处理出水平均Ca离子含量 mg／L

1.3 选取性价比最高的保安过滤器滤芯

当时该公司采用的是进口保安过滤器滤芯，单支成本较高，保安过滤器滤芯更换费用占膜系统总运行成本的10.47%。此外，保安过滤器滤芯还存在使用周期较短，更换频繁等问题，滤芯的平均使用周期只有4～5 d。为降低保安过滤器滤芯的使用成本，对相同规格的、价格低廉的（A、B、C）三家国产保安过滤器滤芯进行了生产对比试验，选取性价比最高的国产滤芯以取代原来价格昂贵的进口滤芯。

1.3.1 进出口压差、滤芯物理拦截能力及抗压性能对比

使用三组滤芯的保安过滤器运行周期内进出口压差、滤芯物理拦截能力及抗压性能对比如图2和表3所示。

图2 使用三组滤芯的保安过滤器运行周期内进出口压差变化图

表3 使用三组滤芯的保安过滤器滤芯运行周期对比表

从表3和图2可以看出，使用A组滤芯的保安过滤器运行7 d后，进出口压差从0.01 MPa增大到0.12 MPa，滤芯拆出后表面有明显的污物，阻隔微粒性能好，滤芯无折断及变形，抗压性好。使用B组滤芯的保安过滤器运行5 d后，进出口压差从0.01 MPa增大到0.11 MPa，滤芯拆出后表面有明显的污物，阻隔微粒性能好，但多数滤芯变形，抗压性较差。使用C组滤芯的保安过滤器运行3 d后，进出口压差从0.03 MPa增大到0.12 MPa，滤芯拆出后表层及里层均有污物，阻隔微粒性能较差，滤芯无折断及变形，抗压性好。这表明使用A组滤芯的保安过滤器运行周期最长，达到了7 d，且滤芯本身的物理拦截能力及抗压性能最佳。

1.3.2 出水Zn离子含量变化

使用三组滤芯的保安过滤器运行周期内出水Zn离子含量变化如图3所示。从图3可以看出，使用A组滤芯的保安过滤器运行7 d后，出水Zn离子含量从0.08 mg／L增大到0.33 mg／L；使用B组滤芯的保安过滤器运行5 d后，出水Zn离子含量从0.08 mg／L增大到0.27 mg／L；使用C组滤芯的保安过滤器运行3 d后，出水Zn离子含量从0.12 mg／L增大到0.28 mg／L。这表明使用A组滤芯的保安过滤器出水Zn离子含量变化在正常范围内，物理拦截能力最好。

图3 使用三组滤芯的保安过滤器运行周期内出水中Zn离子含量变化图

1.3.3 出水Cd离子含量变化

使用三组滤芯的保安过滤器运行周期内出水Cd离子含量变化如图4所示。从图4可以看出，使用A组滤芯的保安过滤器运行7 d后，出水Cd离子含量从0.012 mg／L增大到0.033 mg／L；使用B组滤芯的保安过滤器运行5 d后，出水Cd离子含量从0.01 mg／L增大到0.033 mg／L；使用C组滤芯的保安过滤器运行3 d后，出水Cd离子含量从0.022mg／L增大到0.033mg／L。这表明使用A组滤芯的保安过滤器出水Cd离子含量变化在正常范围内，物理拦截能力最好。

图4 使用三组滤芯的保安过滤器运行周期内出水中Cd离子含量变化图

通过以上生产对比实验，选择了A组保安过滤器滤芯取代原有的进口保安过滤器滤芯。

1.4 保安过滤器的改进

保安过滤器是为防止预处理过程中未能完全去除或新产生的悬浮颗粒进入反渗透系统而设置的最后一道屏障，其重要性不言而喻。但是目前工艺中所使用的保安过滤器在运行的过程中存在污水倒吸及内部支架断裂等隐患，对反渗透系统的正常运行造成了极大威胁。由于保安过滤器排气管过长，排水沟中的无烟煤可能伴随污水从排气管道倒吸进入保安过滤器内，从而导致超滤水池的水未经过保安过滤器滤芯过滤直接进入反渗透系统。此外，保安过滤器滤芯支架为塑料支架，支架在带压运行过程中将可能出现老化断裂的情况，为反渗透系统的正常运行埋下了隐患。

为避免以上情况，对设备进行了升级改进：首先，将排气管的长度调整为排水沟盖板以上10 cm，使得排气管依然可以正常排气，但不可能倒吸排水沟污水；其次，将所有安装滤芯的支架改为不锈钢材质，增加抗压性，降低断裂几率；最后，将设备两端的塑料压板改成不锈钢压板，防止压板变形。升级后的保安过滤器在密封性及抗压性方面更加优越，更有能力确保反渗透系统安全稳定运行。

1.5 反渗透自清洗水返回超滤产水池的改进

反渗透自清洗水返回超滤产水池改造示意图如图5所示。将反渗透自清洗水由原进5＃均化池改进超滤产水池。由于反渗透自清洗水为其自身所产的淡水，脱盐过程未投加任何化学药剂，自清洗后的水质指标也较好，符合超滤进水要求，可以通过改造返回超滤产水池。

图5 反渗透自清洗水返回超滤产水池改造示意图

改造前：反渗透的自清洗水是直接排放到均化池的，由于反渗透系统反洗频繁，单次反洗用水量大，而该部分反洗水水质较好，完全可以应用于预处理工艺，造成极大的水资源浪费。改造后：将反渗透自清洗水改进超滤产水池，这样不仅可减少化学预处理及前处理的循环水处理量，避免了重复处理的浪费，同时提高了膜系统产水率。

2 结 论

该项目的试验研究和工程实施，取得了铅锌冶炼重金属废水超滤－反渗透膜深度净化处理回用的关键工艺技术。研究得出了以下结论：

1.对碳酸钠的投加量进行了优化，实验结果显示：碳酸钠按理论消耗量的275%投加后预处理出水的平均Ca离子含量均在50 mg／L以下，符合膜系统进水要求，也没有造成过多的药剂浪费，为最佳碳酸钠投加过量系数。

2.对A、B、C三组国产保安过滤器滤芯进行生产对比试验发现：使用A组滤芯的保安过滤器运行周期最长达到了7 d，滤芯本身的物理拦截能力及抗压性能最佳，因此，选择A组保安过滤器滤芯取代原有的进口保安过滤器滤芯。

3.对原有的保安过滤器进行了升级改造，升级后的保安过滤器在密封性及抗压性方面更加优越，更有能力确保反渗透系统安全稳定运行。

4.将反渗透自清洗水由原进5＃均化池改进超滤产水池，可减少化学预处理及前处理的循环水处理量，避免了重复处理的浪费，同时提高了膜系统的产水量。

以上工艺与设备的改进及相关药剂与耗材的优化，使膜系统的产水率提高了23%，膜系统的运行成本降低了27%，确保了膜系统的安全稳定运行。膜处理系统运行后，该公司外排水量减排量贡献约41万t／a，同时重金属污染物铅、镉、砷、汞等实现了大幅减排，节能减排效果显著。降低了废水外排环境风险，为公司污染减排和可持续发展打下坚实基础。

The Study on the M easures of Reducing M embrane System Operation Costs and Im proving M embrane System W ater Production Rate

ZHANG Tian-fang1，2
（1.Zhuzhou Smelter Group Co.，Ltd，Zhuzhou 412004，China；2.Hunan Key Laboratory of Lead and Zinc Combined Metallurgy，Zhuzhou 412004，China）

In order to lay a solid foundation for the safe and stable operation ofmembrane system，this paper analyzes the operation state of themembrane treatment system，optimizes the amountof production organizationmode and sodium carbonate dosage，improvesmembrane system process route and the key equipment of security filter，and chooses the higher performance price ratio of domestic security filter to replace the expensive imported filter.Through the abovemeasures，the water production rate ofmembrane system is increased by 23%，and the operation cost ofmembrane system is reduced by 27%.

ultrafiltration；reverse osmosis；security filter；sodium carbonate

X52

：A

：1003－5540（2014）03－0061－05

2014－04－20

张天芳（1983－），女，助理工程师，主要从事重金属污染防治研究工作。