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反滲透膜在鍋爐補給水和冷卻水處理中的應用
分割線1. 核電站海水淡化系統
在美國第一次將海水反滲透應用于鍋爐給水的例子是太平洋氣體和電力 ( PG&E ) 公司的 Diablo Canyong 核電站。該廠的裝機容量為2200MW，位于沿太平洋加利福尼亞中部海岸，靠近San Louis Obispo城。該反滲透系統由海德能公司 ( Hydranautics ) 于1985年安裝和投入運轉，自那時起已連續運行至今。
當海水用于反應器冷卻時，需向系統補水以供鍋爐及其它用途，如生活用水和消防用水。Diablo 河是主要補水水源，但卻不能長年供應。同時，PG&E 選擇了海水反滲透脫鹽裝置作為最佳方案，利用該裝置，向該工廠供應補充水。海德能公司做為反滲透裝置的供應商，負責提供一套日產水量為2200m3的海水淡化反滲透裝置并承擔安裝、維護及運行服務。
Diablo Canyong核電站反滲透裝置設計為兩級水處理系統 ( 產水再處理 ) ，其流程如圖1、2所示。主要設計參數見表1。
圖1 Diablo Canyong核電站反滲透預處理流程
圖2 Diablo Canyong核電站反滲透系統
表1 Diablo Canyong核電站反滲透裝置設計參數
| 給水 | 水質 | 取水方式 | 溫度 |
| 35600 ppm TDS | 由海水吸取 | 10 ℃ | |
| 產品水 | 水質 | 出力 | 水回收率 |
| <350 ppm TDS | 2180 m3/d | 0.45 | |
| 操作條件 | |||
| 第一級壓力 | 第一級回收率 | 第二級壓力 | 第二級回收率 |
| 70 bar | 50% | 25 bar | 90% |
| 總脫鹽率 ＞ 99% | |||
預處理系統包括第一級及第二級壓力過濾器、紫外殺菌儀和精密過濾器，海水從進水口泵入水箱。為了改善過濾效果，將凝聚劑和聚合電解質加在第一級過濾器的進口。
將有機阻垢劑加在過濾后的水中以防止鈣鹽沉積在膜元件表面上。過濾后的水送入紫外殺菌儀和精密過濾器。系統設有間斷加氯裝置，但必須在把給水送入反滲透系統前用亞硫酸氫鈉把余氯還原掉。
采用兩級反滲透是為了提高產水的質量和考慮到生產的靈活性。預處理后的海水加壓到70bar，并送到第一級海水反滲透系統。該系統的回收率一般為50%，每天生產含鹽量小于600ppm TDS的脫鹽水2420m3。
Diablo Canyong核電站的第二級反滲透系統是高回收率的脫鹽系統。該系統的給水壓力為25bar，回收率一般為90%。反滲透系統以第一級產水為其給水，處理能力可達到1550m3/d。苦咸水反滲透系統的產品水含鹽量通常小于100ppm。第一級和第二級產水混合后就能生產不同數量和質量的水。該靈活性可允許業主在降低生產的情況下獲得高質量的產水，或在設計通量下產出較多的水。
Diablo Canyong核電廠海水反滲透系統的運行是非常成功的。大部分時間工廠無需按每天2180m3出力運行，然而當需要時，也可超過設計出力工作。這是由于兩級設計的靈活性所致。
2. 鍋爐冷卻水的零排放系統
Bayswater / Liddell 電力聯合企業有在南半球最大的反滲透系統。該反滲透系統用于控制一個大型零排放系統的冷卻水的化學工況。
Bayswater / Liddell 火力發電廠位于澳大利亞新南威爾士的Hunter Valley，總裝機容量為4640 MW，它包括于1971年投產的Liddell電站2000MW ( 4×500MW ) , 和1986年投產的 Bayswater 電站 264MW ( 4×66MW )。該聯合企業是世界上最大的零排放水系統之一。
為達到”零排放“，每年必須將大約24000噸的溶解鹽從電力聯合企業的水系統中除掉。完成該項任務的處理系統實際上是一個設計和操作方面的典范。該水處理系統主要包括以下工藝流程：
- 傳統的石灰軟化
- 雙介質過濾
- 用離子交換法降低堿度
- 反滲透
- 曝曬蒸發池
- 蒸汽壓縮蒸發器
Bayswater / Liddell 電廠冷卻廢水處理系統的示意流程見圖3。兩臺大型拋物面的濕式冷卻塔用于冷卻發電站的冷凝器。由于水的蒸發和泄露損失，將會增加冷卻水主回路的總含鹽量，因而必須補充新水和將部分循環冷卻水脫鹽，以保持主冷卻水回路的適當化學工況。冷卻塔中的水化學成分最大級限值見表2。
圖3 Bayswater 電廠冷卻水處理系統
表2 冷卻水極限值
| pH值 | 朗格利爾指數 | 鈣（mg/l） | 硫酸鹽（mg/l） | 硅（mg/l） | TDS（mg/l） | |
| 極限值 | 7~8.5 | 1 | 170 | 1200 | 150 | 2500 |
冷卻水控制系統的主要設備為采用弱酸離子交換器降低堿度和使用石灰軟化及反滲透降低總含鹽量。此外，從每個主要流程中來的濃縮水或排水在一個公共的水回收廠進行處理。水回收廠由蒸汽壓縮蒸發器和曝曬池組成。
2.1 降低總含鹽量系統的設計
本論文將著重論述反滲透系統的設計和操作問題。該系統用于控制冷卻水回路的旁流處理中的總溶解固形物(TDS)的含量。脫鹽系統的流程主要包括石灰軟化澄清池，過濾器和反滲透設備。
反滲透系統前的預處理為傳統的石灰/蘇打軟化澄清池，共有四臺設備，每臺出力為每小時400m3。采用添加石灰和蘇打粉進行部分軟化。總硬度大約降低60%，二氧化硅大約降低50%。氧化鐵在澄清設備中作為助凝劑。澄清池的出水用雙介質過濾器進行過濾，除掉懸浮物。進入過濾器之前要添加硫酸，將pH值降至7左右。
過濾后的水集中到清水池內，再泵入反滲透系統。化學處理包括加阻垢劑、加酸和氯，以控制膜的潛在生物污堵。Bayswater / Liddell 廠的反滲透系統由八個系列組成，每個系列的給水流量為185m3/h。每個系列的排列為16—8—4，使用168個海德能公司生產的8540-MSY-CAB2型的醋酸纖維膜。每臺設備的設計回收率為82.5%。產品水流量為152m3/h，濃水流量為33m3/h。運行時設備回收率為75~90%。該系統選用了醋酸纖維膜是因為它的耐氯性能好和許多廢水處理系統中得到證實的耐污染性強。
醋酸纖維膜的耐氯性能對系統十分重要，因為該系統的進水水質與在北美的許多地方相類似，水源的生物活性較高。運行結果表明，在 Bayswater / Liddell 廠的反滲透系統從來未出現過生物污堵問題。
2.2 反滲透系統的性能
反滲透系統對TDS的去除率極好。運行初期的脫率約為99%，比預計的要好。該廠10多年的運行情況均優于預想。這10多年中更換了兩次反滲透膜，也好于預計的更換次數。反滲透系統的給水量一般均在規定范圍之內，給水的TDS的平均值為2200ppm。產品水水質由TDS小于100ppm逐漸增加到膜更換前的約250ppm。當八臺設備均運行時濃水總流量為每小時260m3，濃水中TDS含量超過10000ppm。通過反滲透系統去除掉的總鹽量每天超過60噸，每年超過2萬噸。
3. 鍋爐補給水系統
1989年在美國中西部的一個熱電廠中投運了鍋爐補給水處理裝置，其產水供應操作壓力為52kg/cm2的鍋爐，由于工廠規模的不斷擴大，對純水的需求已增至目前的410m3/h。早在1989年計劃對裝置增容時，設備工程師們就開始考慮是選用陰陽床系統還是選用反滲透系統，并對反滲透與離子交換法進行了詳細對比(表3)。對比結果表明，反滲透系統與陰陽床系統相比，其產水水質相當，設備投資相當，而運行費用降低一半左右，并且不需要使用大量的有害化學物質，加上考慮到市政當局對離子交換再生廢液處理及排放的限制，廠方最終選用了海德能公司的反滲透系統，并于1993 / 1994年進行了一次較大的設備擴容，新增產水量290m3/h。
表3 反滲透系統與陰陽床系統的比較(290m3/h)
| 比較項目 | 反滲透系統 | 陰陽床系統 |
|---|---|---|
| 設備費 | ||
| 四組反滲透裝置 | 830000 | |
| 一個570m3的儲水箱 | 200000 | |
| 一個反滲透清洗滑架 | 25000 | |
| 五組陰陽床 | 800000 | |
| 一組化學藥品存貯系統 | 150000 | |
| 一組中和系統 | 80000 | |
| 設備總投資 | 1055000 | 1030000 |
| 單位產水量設備費 | $0.57/ 加侖.天 ( 約合RMB29500元/m3.h) | $0.56/ 加侖.天 ( 約合RMB28800元/m3.h) |
| 年運行費用 | ||
| 電費 ( 8美分/kwh ) | 152000 | 27000 |
| 阻垢劑 ( 1.65美元/磅 ) | 27000 | |
| 硫酸 ( 4美分/磅 ) | 101000 | |
| 氫氧化鈉 ( 8美分/磅 ) | 202000 | |
| 年運行費用 | 170000 | 330000 |
| 每1000加侖產水的運行成本 | $0.25 ( 約合RMB0.535元/m3) | $0.49 ( 約合RMB1.049元/m3) |
圖4為兩種方案的主要流程，在反滲透設計方案中使用了四套反滲透裝置，每套裝置出力為系統總出力的25% ( 72.5m3/h )，同時還配有一容積為570m3的儲水箱，該儲水箱可貯存8個小時的供水，表3-2給出反滲透裝置三年后的運行參數。
圖4 反滲透系統與陰陽床系統流程
在離子交換方案里使用了5套陰陽床系統，每套出力為系統總出力的25%，并帶有酸堿貯存系統及再生廢液中和系統。由于陰陽床需要頻繁再生，因而設計時使用了5套裝置。
直到1994年為止，反滲透裝置的運行極好，一年中只進行一次化學清洗，而且這種清洗并非出于系統本身的需要，只是作為一個日常工作來完成，但在1994年系統擴容后出現了一些問題。由于現存的水并不能滿足水量要求，因而在新的蓄水層中鉆探了新的水井，新水井深大約為515m，但由于井水水質不好，這些井卻成了結垢和污堵的根源，更令人難以置信的是，這些井水還是細菌的來源，從而造成預處理及反滲透系統的嚴重生物污染，曾經考慮對這些井水進行加氯處理，但由于這些井水中含有大量的溶解鐵離子，如果用氯氣氧化時它們就會轉化成膠體鐵，而這些膠體鐵是現存的多介質過濾器所無法去除的，由于還沒有一種非氧化性殺菌劑已得到FDA的同意可使用在食品工藝中，因而也排除了使用非氧化殺菌劑的可能。還由于系統中使用了聚丙烯酰胺，因而高的鐵含量也引起了RO膜的聚合物污染；同時新井水中鋇含量過高，超出了阻垢劑的有效阻垢范圍，因而不能不在運行操作時降低RO系統水回收率。為了最終解決上述所有問題，對預處理設備作了一系列的改造，這些改造主要包括使用石灰軟化以減少鋇、鐵的含量并殺滅細菌，有時也使用FDA同意的帶有阻垢劑特性的鐵分散劑。在系統投運初期由于運行人員缺乏訓練，也曾出現一系列問題，如預處理系統故障，或由于未作運行數據標準化因而不能盡早發現污染趨勢而造成系統污堵，或者反滲透系統誤操作等等。隨著運行管理水平的提高，這些問題逐步得到了改善，目前該廠反滲透系統運行正常。
4. 結束語
鍋爐給水和冷卻處理中的反滲透膜技術應用已經日益普及，它可給用戶帶來巨大經濟效益和社會效益。上述三個典型系統的長期運行結果表明，只要設計和操作維護適當，反滲透系統是可以連續穩定運行的，今日的膜技術已經能夠滿足大型鍋爐水處理系統要求的可靠性和耐久性。
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