抗污染反滲透膜回收廢水裕廊島經驗
來源：陶氏化學（中國）投資有限公司 閱讀：4785 更新時間：2010-06-03 14:41新加坡作為島國自然資源匱乏，水成為它的一項戰略資源。目前新加坡的飲用水有一半來自鄰國馬來西亞，但是它與馬來西亞僅有的兩個供水協議將分別于2011 年和2061年失效。
關鍵字：污染;廢水;經驗
摘要:
新加坡作為島國自然資源匱乏，水成為它的一項戰略資源。目前新加坡的飲用水有一半來自鄰國馬來西亞，但是它與馬來西亞僅有的兩個供水協議將分別于2011 年和2061年失效。隨著工業的繁榮，該國對水的需求也不斷增長。這種情況促使新加坡政府及其工業界不斷尋求創造性的供水辦法，使該國的水資源更多地自給自足。
新加坡目前已建立起一個大型的反滲透工廠處理三級生化廢水，并將其轉化成適于蓬勃發展的石化工業使用的高級工業給水(HGIW)。該反滲透系統由美國 Aquatech國際公司(AIC)供貨，并裝備了2184支陶氏化學公司的抗污染膜元件FILMTECâBW30-365FR2。該系統由SUT Seraya (SUT)公司---SembCorp公用事業公司的子公司---負責運營管理。整個系統為單級RO，共6列，單列產水量5000m3/d，總產水量 30,000m3/d。每列分3段，按28:16:8排列，使用52個壓力容器(7元件的容器)，配置BW30-365FR2元件364支。系統平均設計通量10GFD(17l/m2.h)，設計給水TDS為~1300 mg/l。
利用RO技術及30,000m3/d的容量帶來的規模經濟效應，SUT通過新加坡公用事業署不僅能將回收水出售給裕廊島用戶，而且其價格比目前的飲用水更便宜。SUT生產的高級工業給水，可進一步節省除鹽費用，因為其中的絕大多數溶解固體已通過反滲透膜除掉。
為了使該工程經濟上更加合算，這要求系統回收率設計突破常規。所以，SUT對三級廢水以高達85%(常規為75%)的設計回收率，將其轉化成可回用的高級工業用水。其中，Aquatech獨特的常規預處理工藝可以將生物活性廢水的SDI值降到正常值4以下。并且，SUT和Aquatech的工程師還發現：FILMTEC的抗污染膜非常容易清洗，常規化學藥品就足以滿足清洗的要求，這樣能夠保持清洗成本低廉。
1. 工程概況：
1.1 裕廊島的形成
1994年，當新加坡開始實施其雄心勃勃的計劃，準備在亞太地區建立世界級的化工中心時，它將其南部的7個小島通過填筑水域的辦法合并形成一個面積 2650公頃的大島。這就是裕廊島(JI)。
在裕廊島規劃和發展的同時，SembCorp公用事業公司---通過它的子公司SUT Sakra 公司和 SUT Seraya公司---實施了一項“公用事業設施集中化”的概念方案。該方 案可向預定建于裕廊島的眾多石化公司、化學公司及精煉公司提供一系列的公用設施，諸如蒸汽供應、廢水處理、除鹽水供應、冷卻水供應、產品貯存設施及終端設施，等等。
1.2 水-戰略資源
新加坡地域狹小，只有660平方公里，相對而言，人口則高達400萬，僅僅靠新加坡島的集水量遠不能滿足對水的全部需求。所以，新加坡有一半的給水需通過兩個供水協議(分別于2011年和2061年失效)從鄰國馬來西亞購買。
基于戰略重要性，早在20世紀70年代，新加坡已經向裕廊島工業區提供工業用水(IW)作為替代性的工業水源。這種工業用水主要是從 Ulu Pandan 廢水回收廠排放的 的經過三級處理的廢水(新加坡的污水需處理到符合標準20ppm BOD, 30ppm SS)。 工業用水(IW)的典型水質為 BOD <3 ppm, SS <5 ppm and TDS <1300ppm，為了鼓 勵回用它，其出售價格比飲用水便宜很多，因此，無論對直接的工業回用還是進一步深度處理均有很大的吸引力。
由于化學和石化部門的用水主要是非飲用目的(占新加坡整個飲用水量的5％)，所以這促使SUT和政府開發創造性的水源以替代現有的飲用水源。
2. 項目規劃及發展歷程
2.1 為裕廊島規劃替代水源
早在裕廊島規劃階段，人們就已經設想將位于裕廊工業區的工業水網加以延伸，以滿足整個裕廊島的工業需要。利用供給裕廊島的工業用水，采用RO/EDR技術或相關技術進一步可將工業用水處理成高級工業用水(HGIW)，這被認為在經濟上是可行的。
2.1.1 高級工業用水(HGIW) 規范
為了使廢水的回用對工業界更具吸引力，人們認為高級工業用水(HGIW)應該比公共事業署(PUB)提供的飲用水水質稍好一點。其目標電導率將控制小于250μS/cm，相比而言，PUB提供給裕廊地區的飲用水水質電導率為350-650μS/cm 。
1996年和1997年，通過對擬投資于新加坡裕廊島的石化公司、化學工司及精煉公司展開調查，預計飲用水級的工業用水消耗量將達到 50,000m3/d。因此，我們規劃了一個日產30,000m3高級工業用水的工廠。在投產后，如果產品水以稍低一些的價格出售，那么將很容易取代 PUB的飲用水。
接下來，在1997年和1998年，SUT開始著手發展用工業用水(IW)作原料的替代水源。人們預計工業用水(IW)能夠進一步處理并制得可與飲用水相比的產品水，但只用于工業目的。這種水即被命名為高級工業用水(HGIW)，以與工業用水(IW)相區別，并通過單獨的給水系統賣給裕廊島的工業用戶。
2.2 工業用水(IW)規范
設計HGIW水廠的起點是工業用水水質。到目前為止，新加坡公用事業署(PUB)經營裕廊工業水網(JIWW-處理來自Ula Pandan 廢水回收廠排放的三級廢水處理廠)已 長達20年，并積累了豐富的工業用水(IW)水質數據。
然而，就象其他許多下水道陳舊、地下水位高的海岸城市一樣，海水倒灌現象導致工業用水組分隨著潮位而急劇變化。氯化物水平從100mg/l可變化到 500mg/l，但正常的范圍為250+100ppm。
在相當長的時期內，我們觀察到工業用水(IW)的電導率從低達800mS/cm可波動到高達1800mS/cm，有時甚至高達2000mS/cm。因此，為謹慎起見，應該提供安全設計裕度。在設計RO時，原水規范采用相當于TDS1300mg/l的最大電導率。另外，考慮到RO膜的逐漸污堵和鹽通量隨時間的增加，我們也提供了很高的安全設計裕度。
2.3 技術招標及評估
建設30,000m3/d的工業用水深度處理廠的項目在1997年初舉行招標，有10多家國際著名的水公司參與組織的投標。評標則基于每份標書的實際凈值進行(結合資金和長期運行成本的影響)，同時考慮采用當時最可靠的先進技術。
提交的各種標書大概可以歸類成三種基本不同的工藝：
a) EDR 技術
b) 用微濾(MF)作預處理的反滲透(RO)技術
c) 用傳統雙介質過濾(DMF)作預處理的反滲透(RO)技術
EDR技術和RO相比由于其達不到高脫鹽率而未被采納。
MF膜作預處理工藝與傳統介質過濾相比經濟性上有兩個不足。其一，每隔5年MF組件必須更換；其二，MF膜只能提供90-95％的系統回收率。相比而言，傳統雙介 質過濾(DMF)不需要昂貴的介質更換費用(砂子和無煙煤相對便宜)，更重要的是，DMF由于使用RO的濃水作反洗水而可將其回收率提高到99%。
令SUT感到欣慰的是，位于印度Chennai的馬德拉斯肥料有限公司(MFL)，成功地將傳統雙介質過濾和標準陶氏RO膜結合使用多年，日產 12,250m3產品水。
因此，用傳統雙介質過濾(DMF)作預處理的反滲透(RO)方案被確定下來。
2.4 系統回收率及項目經濟性
由于公用事業署(PUB)對新加坡使用的每噸工業用水征收水費0.43新元，所以廢水回收廠只有采用最高的可行的回收率，方能使該項目經濟上可行。同時，消費者也盼望有一個具有競爭性的水價。因此，篩選剩下的標書必須采用介質過濾作為RO的預處理，而且RO裝置的回收率高達86％，結合預處理部分99％的回收率，最后整個系統的回收率達到85％。
3. 中型試驗及系統設計
設計和建設污水回用廠的合同最后被美國Aquatech國際公司(AIC)中標。在設計的最初階段，為了使SDI值達到RO膜要求的目標值 (<4.0)，工程公司決定采用兩級 雙介質過濾DMF(初級：PDMF和次級：SDMF)作預處理。這就意味著為裕廊島將來可能出現的水質不穩定狀態提供了裕度。
3.1 中型試驗
為模擬兩級DMF，OEM建立了一套中試裝置，以篩選、優化混凝/絮凝工藝，同時優化介質層。
3.1.1 混凝和絮凝的優化
OEM作了一系列容器試驗，測試了不同濃度的多種聚合物，并通過沉降性試驗、絮體形成試驗、濁度測量等方法確定每種聚合物的最佳效果。從該容器試驗中，篩選出兩種聚合物，作為進一步中試研究。中試主要測量不同濃度下的濁度和SDI值。基于測試結果，最后確定采用的聚合物和混凝劑。
3.1.2 雙介質過濾器 (DMF)–濾層優化
由于中試中觀察到SDI穿透(>5)，基于初級過濾器的最小泥沙帶出量，二級過濾器采用了細砂以增加SDI值的穩定性。(SDI的設計目標為<4)
3.1.3 聚合物帶出試驗
人們進行了聚合物帶出試驗，并發現帶出結果為零。
3.1.4 預處理充分性及污堵性的研究
確定化學藥品及過濾介質的優化配置之后，建立了一套單獨的閉合循環的中試系統，以模擬RO系統的第3段的最后一支元件。該系統由單支陶氏 FILMTEC BW30-365FR2抗污染元件組成，運行回收率86％。該系統運行將近一月之后證明沒有任何污堵。接下來，回收率提高到90％，強制產生了一些污堵。但是，即使這樣也沒有產生嚴重的污堵。因此，證明預處理是充分的。這些試驗也有助于減少現場調試所需的時間。
3.1.5 RO膜元件的特點及選擇
SUT選擇FILMTEC的BW30-365FR2抗污染膜，既是基于該膜在凈化生物活性水方 面的卓越性能得到實踐證明，也是基于陶氏可靠的技術服務和支持。陶氏在Chennai的馬德拉斯化肥廠的跟蹤記錄使SUT更加放心。在將近10年中，陶氏標準膜成功地用于印度Chennai廠，以凈化有機物含量高的生物活性水。過去，膜技術因其污堵速度快而被認為不適合這種惡劣水質。
FILMTEC BW30-365FR2是卷式復合膜，具有很強的抗污染性能。 FILMTEC FR抗 污染元件有著諸多性能優勢和經濟優勢：先進的自動卷膜技術使精度達到手工卷制望塵莫及的水平；增加膜片數縮短膜片長顯著減小了產水側的壓力損失，這樣效率更高，驅動壓更均勻，產水通量分布也更均勻。元件的給水通道寬34mil，比其他品牌產品寬10-20％，這使得清洗更容易。FILMTEC FR抗污染膜證明抗細菌吸附 ，因而可大大延長清洗周期。FILMTEC FR元件的生物累積和生物污堵的速率很低 ，這樣平均給水壓力很低，從而顯著降了低能耗。
3.2 AIC提供的獨特的系統設計特點
3.2.1 高效的過濾器設計，以使SDI值始終保持低水平
為維持SDI值，過濾器設計具有如下特點:
a) 雙室過濾器設計。通過將濾層分成兩室可提高空氣擦洗及反洗的效果。
這種設計使我們可更好地控制整個過濾流通面上的通量。并增加過濾器的高度，以進一步增強流量分配的均勻性。初級過濾器主要為顆粒和污泥堆積提供空間，次級過濾器則作為精濾器。初級和次級過濾器始終有一個以上保持在線運行。這樣SDI值的穩定性更好，因為任何時候過濾系統都沒有運行在新反洗的狀態。
b) 初級過濾和次級過濾交錯反洗
設計上，初級和次級過濾器交錯反洗，避免同步。由于初級過濾器的壓差超標比次級過濾器更為頻繁，故而其反洗頻率也更高。交錯的概念有助于確保過濾過程一直在壓實的濾床上進行。這一點有助于穩定SDI值。
3.2.2 通過級間升壓泵節能
為達到86％的系統回收率，RO的第一、二段設一臺高壓泵，第三段設一臺段間升壓泵，并在第一段的產品水管上設節流孔板以控制第二段的給水流量。這種設計允許第一、二段運行的同時，沖洗第三段。
3.2.3 第三段沖洗的特點
由于待處理水的本性及系統回收率高的特點，第三段RO濃水達到的飽和水平極高，極易導致污堵和結垢。由于產品水具有溶解性能，第三段用產品水定期進行污染物和沉淀物的沖洗，防止板結。每一運行班都要對第三段進行隔離，用產品水沖洗，同時前兩段保持75％的回收率繼續制水。每次啟停系統都遵循上述沖洗規程。
3.2.4 變頻驅動裝置(VFD)和節能
AIC公司在該系統中采用變頻驅動裝置(VFD)作為節能設施。高壓泵設計的揚程很高，足以滿足膜污堵所需的高壓力，使膜元件充分達到其使用壽命。
通過采用變頻驅動，高壓泵正好運行在使膜不產生污堵所需的壓頭下。因此，不必在泵的出口設置節流閥以控制多余的壓頭。這樣在最初幾年就能節省大量能源。
VFD使軟啟停成為可能。這樣，馬達可以在較長的時間內逐漸加速或減速到期望值。這可防止水錘作用對膜的破壞，而水錘會使膜孔壓實，進而導致通量損失。同時，因元件在壓力容器內的移動導致的望遠鏡現象也可避免。
3.2.5 實現高回收率的方法
AIC公司采用了下述方法減少水的損失，提高回收率:
a) 回收排污水
過濾器反洗之前的排污水通過再循環管線送回入口回用。這個設計節約了相當可觀的水，否則這部分水將被浪費。
b) 用氯化消毒的RO濃水反洗雙介質過濾器
將RO濃水用于反洗過濾器也取得了顯著的節水效果。反洗水箱由于濃水的不斷流過而始終處于攪拌狀態，這樣水箱就能夠保持滿水位，而且新鮮的濃水不斷更換原有的濃水。每次反洗工藝開始之前，對反洗用的濃水先進行氯化消毒，以避免過濾器的底部發生任何污染。
c) 過濾器正洗水循環使用
正洗步驟需消耗相當可觀的水量。在正洗階段，先將過濾器底部的濃水置換排放，而后的所有正洗排水全部再循環，送回入口水箱回用。這樣，可以延長正洗步驟，更好地壓實濾床，從而控制SDI值。
4. 系統布局及運行性能
4.1. SUT設計的整個水處理廠的布局概況
三級廢水(原工業用水IW)作為給水如圖1所示通過預處理工藝步驟進行深度處理。
在系統中加入NaClO以盡可能控制生物及藻類的滋長處于低水平。在整個預處理階段，游離余氯和化合氯維持一定的水平。在給水進入RO膜之前，加入亞硫酸氫鈉(SBS)，確保沒有游離余氯接觸膜元件。為防止難溶鹽類結垢，RO的給水往往需要加入阻垢劑。對進入 RO元件的經過預處理的給水，在線監測其氧化還原電位(ORP)。在RO元件的上游，每周一次加入非氧化性的殺生劑，以防止RO系統滋長微生物。給水中氯胺的水平為~0.5mg/l。RO的給水壓力980kPa(9.8 bar，140PSI)。
圖1中稱作“MEMBRANE 1-6”的RO裝置，共6列，規格一樣。
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| 新加坡SUT水處理工廠概圖 |
4.2. RO系統的布局
每列RO由3段組成，其布局如圖2所示。
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| 新加坡SUT水處理工廠單列RO的配置概圖 |
RO產品水水質始終符合高級工業用水(HGIW)的技術規范。見下表“工業用水(IW)和高級工業用水(HGIW)的實際值及規范值的比較”。
裕廊工業用水(IW)和高級工業用水(HGIW)的實際值和設計規范值的比較
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新加坡SUT水處理工廠SDI值
注： N.D. 意思是探測不到，N.M. 意思是未測，U.O. 意思是無嗅味。
原工業用水有時SDI值(>6)及TSS(6-6.5ppm)很高，這偶爾導致RO給水的SDI值超過 4 。
當RO給水的SDI值長期超過4時，要求系統的回收率從86％降到75％。而且在2000年元月啟動及其后的幾個月中，該系統的回收率謹慎地控制在75％，而后在半年期間緩慢增加到86％。
清洗周期預計，在86％的回收率下，每月一次。在4周的清洗間隔中，產品水流量標準化后會典型地下降15-20%。清洗后，標準化的產水量能恢復到原有水平。 FILMTEC膜允許在很高的pH值(30°C時最高可到pH12，35°C時最高可到pH11.5)下進行清洗，而不會對膜性能造成負面影響。這比市場上其他品牌的膜都要高得多。正常地，清洗就使用常用化學藥品 (NaOH, Na-EDTA, HCl)即可。酸洗可用HCl在 pH1-2下進行。
運行1年后，進行了一次例行的膜解剖和膜分析，以測試結垢物和污堵物的成分，并檢查標準條件下的元件性能。正如所料，存在輕微生物污堵，并探測到少量Ca、Si、Fe，表明存在輕微膠體污堵。系統性能正如所預料的一樣，脫鹽率和流量均在技術規范之內。沒有任何跡象表明存在產品水惡化、通量損失、需要增加給水壓力等問題。
5 結論及展望 – 保護稀缺的淡水資源
由于SUT，AIC及DOW的緊密合作，在工程各階段進行了大量審查工作，該項目得以按時調試，并且產品水水質超過設定的規范值。自2000年元月初次啟動以來，該RO系統運行良好，設計參數穩定。
本項目開創的85％高回收率被視為三級廢水回用的工業標準。
SUT和AIC的工程師發現FILMTEC的FR膜正如嚴格實施的設計和運行條件下的預計，運行效果良好。并發現普通化學藥品就足以滿足清洗要求，從而保持較低的清洗成本。與采用非抗污染膜的老系統相比，該系統顯著降低了運行成本。
SUT提供的高級工業用水進一步節省了裕廊島用戶的除鹽費用，因為膜除去了廢水中的大多數溶解鹽類。結果是雙贏局面，不僅為工業界找到了廉價的水源，而且幫助新加坡保護了稀缺的淡水資源。
RO技術及FILMTEC的FR膜未來的潛力及意義已遠遠超出其帶給SUT及其裕廊島用戶的成功。RO是一項可行的且用戶用得起的技術，它不僅能從海水制取淡水，而且能使水回用，保護水資源。一套費用經濟的供水系統正在運行之中，其水質水量穩定，將為新加坡工業節省數百萬美元，并成為其他公司在此創業的重要因素。同樣地，該技術也可用于世界其他缺水地區循環回用廢水，從而保護重要的自然資源。
