陶氏抗污染反渗透膜回收废水裕廊岛经验

来源:岁月联盟 作者:Eu Hong Ga 时间:2010-08-25

摘要:新加坡作为岛国资源匮乏,水成为它的一项战略资源。目前新加坡的饮用水有一半来自邻国马来西亚,但是它与马来西亚仅有的两个供水协议将分别于2011年和2061年失效。随着的繁荣,该国对水的需求也不断增长。这种情况促使新加坡政府及其工业界不断寻求创造性的供水办法,使该国的水资源更多地自给自足。

关键词:反渗透膜 回收废水 裕廊岛经验

 

  摘要

    新加坡作为岛国自然资源匮乏,水成为它的一项战略资源。目前新加坡的饮用水有一半来自邻国马来西亚,但是它与马来西亚仅有的两个供水协议将分别于2011年和2061年失效。随着工业的繁荣,该国对水的需求也不断增长。这种情况促使新加坡政府及其工业界不断寻求创造性的供水办法,使该国的水资源更多地自给自足。

    新加坡目前已建立起一个大型的反渗透工厂处理三级生化废水,并将其转化成适于蓬勃的石化工业使用的高级工业给水(HGIW)。该反渗透系统由美国Aquatech国际公司(AIC)供货,并装备了2184支陶氏化学公司的抗污染膜元件FILMTECâBW30-365FR2。该系统由SUT Seraya (SUT)公司---SembCorp公用事业公司的子公司---负责运营管理。整个系统为单级RO,共6列,单列产水量5000m3/d,总产水量30,000m3/d。每列分3段,按28:16:8排列,使用52个压力容器(7元件的容器),配置BW30-365FR2元件364支。系统平均设计通量10GFD(17l/m2.h),设计给水TDS为~1300 mg/l。

    利用RO技术及30,000m3/d的容量带来的规模效应,SUT通过新加坡公用事业署不仅能将回收水出售给裕廊岛用户,而且其价格比目前的饮用水更便宜。SUT生产的高级工业给水,可进一步节省除盐费用,因为其中的绝大多数溶解固体已通过除掉。

    为了使该工程经济上更加合算,这要求系统回收率设计突破常规。所以,SUT对三级废水以高达85%(常规为75%)的设计回收率,将其转化成可回用的高级工业用水。其中,Aquatech独特的常规工艺可以将生物活性废水的SDI值降到正常值4以下。并且,SUT和Aquatech的工程师还发现:FILMTEC的抗污染膜非常容易清洗,常规化学药品就足以满足清洗的要求,这样能够保持清洗成本低廉。

 

    目 录:

    1. 工程概况

    2. 项目规划及发展历程

    3. 中型试验及系统设计

    4. 系统布局及运行性能

    5. 结论及展望 – 保护稀缺的水资源

    1.   工程概况:

    1.1  裕廊岛的形成

    1994年,当新加坡开始实施其雄心勃勃的计划,准备在亚太地区建立世界级的化工中心时,它将其南部的7个小岛通过填筑水域的办法合并形成一个面积2650公顷的大岛。这就是裕廊岛(JI)。

    在裕廊岛规划和发展的同时,SembCorp公用事业公司---通过它的子公司SUT Sakra 公司和 SUT Seraya公司---实施了一项“公用事业设施集中化”的概念方案。该方 案可向预定建于裕廊岛的众多石化公司、化学公司及精炼公司提供一系列的公用设施,诸如蒸汽供应、废水处理、除盐水供应、冷却水供应、产品贮存设施及终端设施,等等。

    1.2  水-战略资源

    新加坡地域狭小,只有660平方公里,相对而言,人口则高达400万,仅仅靠新加坡岛的集水量远不能满足对水的全部需求。所以,新加坡有一半的给水需通过两个供水协议(分别于2011年和2061年失效)从邻国马来西亚购买。

    基于战略重要性,早在20世纪70年代,新加坡已经向裕廊岛工业区提供工业用水(IW)作为替代性的工业水源。这种工业用水主要是从 Ulu Pandan 废水回收厂排放的 的经过三级处理的废水(新加坡的污水需处理到符合标准20ppm BOD, 30ppm SS)。 工业用水(IW)的典型水质为 BOD <3 ppm, SS <5 ppm and TDS <1300ppm,为了鼓 励回用它,其出售价格比饮用水便宜很多,因此,无论对直接的工业回用还是进一步深度处理均有很大的吸引力。

    由于化学和石化部门的用水主要是非饮用目的(占新加坡整个饮用水量的5%),所以这促使SUT和政府开发创造性的水源以替代现有的饮用水源。

2. 项目规划及发展历程

    2.1 为裕廊岛规划替代水源

    早在裕廊岛规划阶段,人们就已经设想将位于裕廊工业区的工业水网加以延伸,以满足整个裕廊岛的工业需要。利用供给裕廊岛的工业用水,采用RO/EDR技术或相关技术进一步可将工业用水处理成高级工业用水(HGIW),这被认为在经济上是可行的。

    2.1.1 高级工业用水(HGIW) 规范

    为了使废水的回用对工业界更具吸引力,人们认为高级工业用水(HGIW)应该比公共事业署(PUB)提供的饮用水水质稍好一点。其目标电导率将控制小于250μS/cm,相比而言,PUB提供给裕廊地区的饮用水水质电导率为350-650μS/cm 。

    1996年和1997年,通过对拟投资于新加坡裕廊岛的石化公司、化学工司及精炼公司展开调查,预计饮用水级的工业用水消耗量将达到50,000m3/d。因此,我们规划了一个日产30,000m3高级工业用水的工厂。在投产后,如果产品水以稍低一些的价格出售,那么将很容易取代PUB的饮用水。

    接下来,在1997年和1998年,SUT开始着手发展用工业用水(IW)作原料的替代水源。人们预计工业用水(IW)能够进一步处理并制得可与饮用水相比的产品水,但只用于工业目的。这种水即被命名为高级工业用水(HGIW),以与工业用水(IW)相区别,并通过单独的给水系统卖给裕廊岛的工业用户。

    2.2 工业用水(IW)规范

    设计HGIW水厂的起点是工业用水水质。到目前为止,新加坡公用事业署(PUB)经营裕廊工业水网(JIWW-处理来自Ula Pandan 废水回收厂排放的三级废水处理厂)已 长达20年,并积累了丰富的工业用水(IW)水质数据。

    然而,就象其他许多下水道陈旧、地下水位高的海岸城市一样,海水倒灌现象导致工业用水组分随着潮位而急剧变化。氯化物水平从100mg/l可变化到500mg/l,但正常的范围为250+100ppm。

    在相当长的时期内,我们观察到工业用水(IW)的电导率从低达800mS/cm可波动到高达1800mS/cm,有时甚至高达2000mS/cm。因此,为谨慎起见,应该提供安全设计裕度。在设计RO时,原水规范采用相当于TDS1300mg/l的最大电导率。另外,考虑到RO膜的逐渐污堵和盐通量随时间的增加,我们也提供了很高的安全设计裕度。

    2.3  技术招标及评估

    建设30,000m3/d的工业用水深度处理厂的项目在1997年初举行招标,有10多家国际著名的水公司参与组织的投标。评标则基于每份标书的实际净值进行(结合资金和长期运行成本的影响),同时考虑采用当时最可靠的先进技术。

    提交的各种标书大概可以归类成三种基本不同的工艺:

    a) EDR 技术

    b) 用微滤(MF)作的反渗透(RO)技术

    c) 用传统双介质过滤(DMF)作的反渗透(RO)技术

    EDR技术和RO相比由于其达不到高脱盐率而未被采纳。

    MF膜作工艺与传统介质过滤相比经济性上有两个不足。其一,每隔5年MF组件必须更换;其二,MF膜只能提供90-95%的系统回收率。相比而言,传统双介 质过滤(DMF)不需要昂贵的介质更换费用(砂子和无烟煤相对便宜),更重要的是,DMF由于使用RO的浓水作反洗水而可将其回收率提高到99%。

    令SUT感到欣慰的是,位于印度Chennai的马德拉斯肥料有限公司(MFL),成功地将传统双介质过滤和标准陶氏RO膜结合使用多年,日产12,250m3产品水。

    因此,用传统双介质过滤(DMF)作的反渗透(RO)方案被确定下来。

    2.4  系统回收率及项目经济性

    由于公用事业署(PUB)对新加坡使用的每吨工业用水征收水费0.43新元,所以废水回收厂只有采用最高的可行的回收率,方能使该项目经济上可行。同时,消费者也盼望有一个具有竞争性的水价。因此,筛选剩下的标书必须采用介质过滤作为RO的,而且RO装置的回收率高达86%,结合部分99%的回收率,最后整个系统的回收率达到85%。

3. 中型试验及系统设计

    设计和建设污水回用厂的合同最后被美国Aquatech国际公司(AIC)中标。在设计的最初阶段,为了使SDI值达到RO膜要求的目标值(<4.0),工程公司决定采用两级 双介质过滤DMF(初级:PDMF和次级:SDMF)作。这就意味着为裕廊岛将来可能出现的水质不稳定状态提供了裕度。

    3.1 中型试验

    为模拟两级DMF,OEM建立了一套中试装置,以筛选、优化混凝/絮凝工艺,同时优化介质层。

    3.1.1 混凝和絮凝的优化

    OEM作了一系列容器试验,测试了不同浓度的多种聚合物,并通过沉降性试验、絮体形成试验、浊度测量等方法确定每种聚合物的最佳效果。从该容器试验中,筛选出两种聚合物,作为进一步中试研究。中试主要测量不同浓度下的浊度和SDI值。基于测试结果,最后确定采用的聚合物和混凝剂。

    3.1.2 双介质过滤器 (DMF)–滤层优化

    由于中试中观察到SDI穿透(>5),基于初级过滤器的最小泥沙带出量,二级过滤器采用了细砂以增加SDI值的稳定性。(SDI的设计目标为<4)

    3.1.3 聚合物带出试验

    人们进行了聚合物带出试验,并发现带出结果为零。

    3.1.4 充分性及污堵性的研究

    确定化学药品及过滤介质的优化配置之后,建立了一套单独的闭合循环的中试系统,以模拟RO系统的第3段的最后一支元件。该系统由单支陶氏 FILMTEC BW30-365FR2抗污染元件组成,运行回收率86%。该系统运行将近一月之后证明没有任何污堵。接下来,回收率提高到90%,强制产生了一些污堵。但是,即使这样也没有产生严重的污堵。因此,证明是充分的。这些试验也有助于减少现场调试所需的时间。

    3.1.5 RO膜元件的特点及选择

    SUT选择FILMTEC的BW30-365FR2抗污染膜,既是基于该膜在净化生物活性水方 面的卓越性能得到实践证明,也是基于陶氏可靠的技术服务和支持。陶氏在Chennai的马德拉斯化肥厂的跟踪记录使SUT更加放心。在将近10年中,陶氏标准膜成功地用于印度Chennai厂,以净化有机物含量高的生物活性水。过去,膜技术因其污堵速度快而被认为不适合这种恶劣水质。

    FILMTEC BW30-365FR2是卷式复合膜,具有很强的抗污染性能。 FILMTEC FR抗 污染元件有着诸多性能优势和经济优势:先进的自动卷膜技术使精度达到手工卷制望尘莫及的水平;增加膜片数缩短膜片长显著减小了产水侧的压力损失,这样效率更高,驱动压更均匀,产水通量分布也更均匀。元件的给水通道宽34mil,比其他品牌产品宽10-20%,这使得清洗更容易。FILMTEC FR抗污染膜证明抗细菌吸附 ,因而可大大延长清洗周期。FILMTEC FR元件的生物累积和生物污堵的速率很低 ,这样平均给水压力很低,从而显著降了低能耗。

    3.2 AIC提供的独特的系统设计特点

    3.2.1 高效的过滤器设计,以使SDI值始终保持低水平

    为维持SDI值,过滤器设计具有如下特点:

    a) 双室过滤器设计。通过将滤层分成两室可提高空气擦洗及反洗的效果。

    这种设计使我们可更好地控制整个过滤流通面上的通量。并增加过滤器的高度,以进一步增强流量分配的均匀性。初级过滤器主要为颗粒和污泥堆积提供空间,次级过滤器则作为精滤器。初级和次级过滤器始终有一个以上保持在线运行。这样SDI值的稳定性更好,因为任何时候过滤系统都没有运行在新反洗的状态。

    b) 初级过滤和次级过滤交错反洗

    设计上,初级和次级过滤器交错反洗,避免同步。由于初级过滤器的压差超标比次级过滤器更为频繁,故而其反洗频率也更高。交错的概念有助于确保过滤过程一直在压实的滤床上进行。这一点有助于稳定SDI值。

    3.2.2  通过级间升压泵节能

    为达到86%的系统回收率,RO的第一、二段设一台高压泵,第三段设一台段间升压泵,并在第一段的产品水管上设节流孔板以控制第二段的给水流量。这种设计允许第一、二段运行的同时,冲洗第三段。

    3.2.3 第三段冲洗的特点

    由于待处理水的本性及系统回收率高的特点,第三段RO浓水达到的饱和水平极高,极易导致污堵和结垢。由于产品水具有溶解性能,第三段用产品水定期进行污染物和沉淀物的冲洗,防止板结。每一运行班都要对第三段进行隔离,用产品水冲洗,同时前两段保持75%的回收率继续制水。每次启停系统都遵循上述冲洗规程。

    3.2.4 变频驱动装置(VFD)和节能

    AIC公司在该系统中采用变频驱动装置(VFD)作为节能设施。高压泵设计的扬程很高,足以满足膜污堵所需的高压力,使膜元件充分达到其使用寿命。

    通过采用变频驱动,高压泵正好运行在使膜不产生污堵所需的压头下。因此,不必在泵的出口设置节流阀以控制多余的压头。这样在最初几年就能节省大量能源。

    VFD使软启停成为可能。这样,马达可以在较长的时间内逐渐加速或减速到期望值。这可防止水锤作用对膜的破坏,而水锤会使膜孔压实,进而导致通量损失。同时,因元件在压力容器内的移动导致的望远镜现象也可避免。

    3.2.5 实现高回收率的方法

    AIC公司采用了下述方法减少水的损失,提高回收率:

    a) 回收排污水

    过滤器反洗之前的排污水通过再循环管线送回入口回用。这个设计节约了相当可观的水,否则这部分水将被浪费。

    b) 用氯化消毒的RO浓水反洗双介质过滤器

    将RO浓水用于反洗过滤器也取得了显著的节水效果。反洗水箱由于浓水的不断流过而始终处于搅拌状态,这样水箱就能够保持满水位,而且新鲜的浓水不断更换原有的浓水。每次反洗工艺开始之前,对反洗用的浓水先进行氯化消毒,以避免过滤器的底部发生任何污染。

    c) 过滤器正洗水循环使用

正洗步骤需消耗相当可观的水量。在正洗阶段,先将过滤器底部的浓水置换排放,而后的所有正洗排水全部再循环,送回入口水箱回用。这样,可以延长正洗步骤,更好地压实滤床,从而控制SDI值。

 4. 系统布局及运行性能

    4.1. SUT设计的整个水处理厂的布局概况

    三级废水(原用水IW)作为给水如图1所示通过工艺步骤进行深度处理。

    在系统中加入NaClO以尽可能控制生物及藻类的滋长处于低水平。在整个阶段,游离余氯和化合氯维持一定的水平。在给水进入RO膜之前,加入亚硫酸氢钠(SBS),确保没有游离余氯接触膜元件。为防止难溶盐类结垢,RO的给水往往需要加入阻垢剂。对进入RO元件的经过的给水,在线监测其氧化还原电位(ORP)。在RO元件的上游,每周一次加入非氧化性的杀生剂,以防止RO系统滋长微生物。给水中氯胺的水平为~0.5mg/l。RO的给水压力980kPa(9.8 bar,140PSI)。

图1中称作“MEMBRANE 1-6”的RO装置,共6列,规格一样。

新加坡SUT水处理工厂概图

    4.2.  RO系统的布局

    每列RO由3段组成,其布局如图2所示。

新加坡SUT水处理工厂单列RO的配置概图

  4.3. RO运行的注意事项、清洗及膜分析

     RO产品水水质始终符合高级工业用水(HGIW)的技术规范。见下表“工业用水(IW)和高级工业用水(HGIW)的实际值及规范值的比较”。

     裕廊工业用水(IW)和高级工业用水(HGIW)的实际值和设计规范值的比较

参数

如无特别说明

单位为mg/l

IW

规范

IW实际值

(min.-max.)

运行范围

HGIW

规范

HGIW实际值

(min.-max.)

运行范围

pH

6.5–7.0

6.6–7.4

6.5–7.5

6.8–7.2

电导率(mS/cm)

700–2200

700–2200

<250

66–133

总溶解固体(TDS)

350–1,300

500–1300

<150

33–70

浊度(NTU)

0.5–2.0

0.4–1.7

<0.5

0.1–0.4

TSS-总悬浮固体

3.0–6.5

38354

<0.5

0.07–0.13

色度(HazenUnit)

5–15

13

<5

<5

总硬度(asCaCO3)

100–250

100–160

<60

1–3

总碱度(asCaCO3)

30–80

40–80

<45

16–22

65–300

150–200

<50

10–12

100–500

150–500

<55

6–21

硫酸根(asSO4)

80–145

120–160

<30

<7

二氧化硅(asSiO2)

1-10

6–10

<2.0

0.1–0.4

氨-N(asN)

3–18

5–15

<3

0.1–1.0

磷酸盐(asP)

1-4

2–4

<0.5

0.04–0.10

嗅味

U.O.

U.O.

U.O.

U.O.

BOD5

<5

<5

<3

<1

30–60

20–30

<10

2–4

细菌CFU/100ml

<0

<1000

<1000

<1

0.2-1.0

0.2-0.7

<0.1

<0.02

N.M

0.2–1

N.M.

N.M.

N.M

0.01–0.1

N.M.

N.M.

0.09

0.03

<1.0

<0.1

0.09

0.02–0.09

<0.04

0.02–0.04

0.06

<0.05

<0.05

<0.05

0.02

<0.05

<0.02

<0.05

0.06

<0.05

<0.05

<0.02

As,Cd,Cr,Pb,Hg,Se

<0.02

50ppbmax.each

N.D.

<0.0001

氰化物&H2S

<0.02

N.D.

N.D.

CN-<0.01

 新加坡SUT水处理工厂SDI值

    注: N.D. 意思是探测不到,N.M. 意思是未测,U.O. 意思是无嗅味。

    原工业用水有时SDI值(>6)及TSS(6-6.5ppm)很高,这偶尔导致RO给水的SDI值超过 4 。

    当RO给水的SDI值长期超过4时,要求系统的回收率从86%降到75%。而且在2000年元月启动及其后的几个月中,该系统的回收率谨慎地控制在75%,而后在半年期间缓慢增加到86%。

  清洗周期预计,在86%的回收率下,每月一次。在4周的清洗间隔中,产品水流量标准化后会典型地下降15-20%。清洗后,标准化的产水量能恢复到原有水平。 FILMTEC膜允许在很高的pH值(30°C时最高可到pH12,35°C时最高可到pH11.5)下进行清洗,而不会对膜性能造成负面影响。这比市场上其他品牌的膜都要高得多。正常地,清洗就使用常用化学药品 (NaOH, Na-EDTA, HCl)即可。酸洗可用HCl在 pH1-2下进行。

  运行1年后,进行了一次例行的膜解剖和膜分析,以测试结垢物和污堵物的成分,并检查标准条件下的元件性能。正如所料,存在轻微生物污堵,并探测到少量Ca、Si、Fe,表明存在轻微胶体污堵。系统性能正如所预料的一样,脱盐率和流量均在技术规范之内。没有任何迹象表明存在产品水恶化、通量损失、需要增加给水压力等问题。

    结论及展望保护稀缺的淡水资源

    由于SUT,AIC及DOW的紧密合作,在工程各阶段进行了大量审查工作,该项目得以按时调试,并且产品水水质超过设定的规范值。自2000年元月初次启动以来,该RO系统运行良好,设计参数稳定。

    本项目开创的85%高回收率被视为三级废水回用的工业标准。

    SUT和AIC的工程师发现FILMTEC的FR膜正如严格实施的设计和运行条件下的预计,运行效果良好。并发现普通化学药品就足以满足清洗要求,从而保持较低的清洗成本。与采用非抗污染膜的老系统相比,该系统显著降低了运行成本。

  SUT提供的高级工业用水进一步节省了裕廊岛用户的除盐费用,因为膜除去了废水中的大多数溶解盐类。结果是双赢局面,不仅为工业界找到了廉价的水源,而且帮助新加坡保护了稀缺的淡水资源。

  RO技术及FILMTEC的FR膜未来的潜力及意义已远远超出其带给SUT及其裕廊岛用户的成功。RO是一项可行的且用户用得起的技术,它不仅能从海水制取淡水,而且能使水回用,保护水资源。一套费用的供水系统正在运行之中,其水质水量稳定,将为新加坡工业节省数百万美元,并成为其他公司在此创业的重要因素。同样地,该技术也可用于世界其他缺水地区循环回用废水,从而保护重要的资源。

 

图片内容