全膜法水处理技术是将微滤、超滤、反渗透(RO) 和电去离子(EDI) 等各种膜分离技术联合应用于工业水处理，达到去除污染物和脱盐的目的［1］。传统的离子交换除盐工艺树脂再生需消耗大量的酸碱，酸碱废液污染环境，而全膜法水处理无需酸碱、产水水质稳定、节约占地、自动化程度高。文章以某化工厂除盐工艺为研究对象，设计了一套全膜法水处理工艺，旨在为全膜法的工艺设计起到一定的借鉴与完善作用。
1 工程概况
某工程拟建设脱盐水站为其高温、高压锅炉及工艺装置提供补充水。该项目厂址位于玛纳斯县塔河工业园区内，当地冬季寒冷，夏季酷热。根据全厂蒸汽平衡图计算出全厂脱盐水使用情况，结合正常运行模式确定脱盐水制备系统按260t/h 规模设计。
2 系统概况
2．1 设计思路
本工程原水水源采用玛纳斯县塔西河水，从水质报告上看该工程原水水质良好，但原水为地表水，新疆夏季雨水较多，系统设计时需考虑洪水期浊度异常与涸水期盐份增加的水质变化。为保证EDI严格的进水要求，本系统选择自清洗过滤器和超滤装置组成预处理单元，两级反渗透装置作为EDI 的预脱盐工序，用反渗透除去95% 以上的盐分，降低EDI 装置进水硬度，有效防止EDI 膜浓水室和极水室结垢，有利于EDI 装置长期稳定运行。用EDI 进行深度脱盐，实现水的高纯度化。同时考虑到冬季气候寒冷，原水水温低，在自清洗过滤器前增加原水换热器，使水温稳定在40 ℃左右。水温增加可提高超滤、反渗透的产水量，降低运行能耗。
2．2 工艺流程
原水→800 m3原水罐→原水加压泵(变频) →原水换热器(蒸汽型) →2×230t/h 自清洗过滤器→2×200t/h 超滤装置→500 m3超滤产水罐→一级反渗透(RO) 增压泵→一级RO 保安过滤器→一级RO高压泵(变频) →2×160t/h 一级反渗透装置→500m3一级RO 产水罐→二级RO 增压泵→二级RO 保安过滤器→二级RO 高压泵(变频) →2×145t/h 二级反渗透装置→500 m3二级RO 产水罐→EDI 给水泵(变频) →EDI 保安过滤器→2×130t/h EDI 装置→2×1 000 m3 脱盐水罐→除盐水泵→除盐水补水母管。
系统还包括: 加药系统、压缩空气系统、化学清洗系统、控制系统。
3 主要构筑物设计
3．1 超滤系统
超滤是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体进行分离的物理筛分过程，能有效地去除水中的悬浮物、微粒、胶体、大分子有机物和细菌等，为下游反渗透膜提供最大限度的保护。超滤系统包括超滤装置及其常规反洗和化学清洗装置。
本工程设置2 套超滤装置，采用立式结构。膜元件的设计通量为57．1 L/m2·h。超滤膜采用聚偏氟乙烯(PVDF) 材质，具有高强度和良好的抗化学腐蚀能力，可延长膜的使用寿命。每套超滤系统采用70 支日本旭化成UNA-620A 膜组件，该膜组件由中空纤维膜丝外表面供水，通过过滤侧减压实现外压式抽吸全量过滤，跨膜压差(TMP) 将随运行时间逐渐增加［2］。外压式膜组件的膜丝流道较小，不宜采用大流量的反洗方式，因此本系统增设空气擦洗功能，在气体作用下，混合流体在膜表面产生激烈的搅拌作用，具有较好的去污效果。在超滤反洗水中根据水质情况酌情加入杀菌剂(次氯酸钠) 、酸或碱以保持膜元件表面清洁。
超滤产水管上设污染指数(SDI) 检测口，当SDI＞ 5 时，属高污染水，不得进入反渗透系统。原水加压泵、超滤反洗水泵均为变频泵。原水加压泵出口设电动慢开门，以减缓泵启动时对膜丝的瞬间大流量冲击，防止断丝。
3．2 反渗透系统
3．2．1 反渗透装置
本工程设置2 套一级反渗透装置，选用FILMTEC BW30-400/34i 普通膜元件，396 支，回收率为75%。进水中游离氯或其他氧化剂会对膜元件造成严重破坏，故在一级反渗透进水管加装氧化还原表(ORP)，控制水中游离氯＜ 0．1 mg/L。这样反渗透膜既不被氧化，同时因为余氯的存在又无微生物滋生。在工艺上采用还原剂NaHSO3消除水中余氯，通过加药装置控制加药量。
设置2 套二级反渗透装置，选用FILMTECLE440i 超低压膜元件，204 支，回收率为90%。二级RO 进水管设自动加碱设施，将pH 调至7．5 ～ 8的弱碱性，消除CO2对EDI 装置的影响。二级RO浓水水质比超滤产水水质还好，回收至超滤产水罐。
上述反渗透装置均采用一级二段式，每套装置都能单独运行，也可同时运行。每套反渗透装置产品水和浓水管道各自独立，互不影响，避免产生背压，破坏膜元件; 膜的水通量是膜元件的重要指标，膜的污染速度随水通量递增。在所提供的水质情况下，一级反渗透膜元件设计水通量为22 L/m2·h，二级反渗透膜元件设计水通量为36 L/m2·h。反渗透浓水排水装设流量控制阀，以控制水的回收率。浓水排放管采用倒U 形设计，且排放口高于最高一层膜组件，避免膜元件承受反压。
3．2．2 保安过滤器
每套反渗透前设置一台过滤精度为5 μm 的保安过滤器，以确保超滤水罐或管道上大于5 μm 的污染物全部去除。保安过滤器中的滤元为可更换卡式滤棒，当过滤器进出口压差大于设定值时，进行更换。滤芯采用大通量滤芯，流量不超过40t/h。
3．2．3 高压泵
高压泵的作用是为反渗透本体装置提供足够的进水压力，保证反渗透膜的正常运行。高压泵出口均装设电动慢开门，防止反渗透膜组件受高压水的冲击。
3．3 EDI 装置
电去离子过程(Electrodeionization，缩写为EDI)，将电渗析和离子交换有机地结合成一体，混床树脂填充于离子交换膜之间并在直流电场作用下实现连续除盐的新型水处理技术［3］。
本工程设置2 套EDI 装置，每套EDI 装置前设保安过滤器，采用大通量滤芯，过滤精度1 μm。膜元件选用GE E-cell 3X 原装进口产品，每个模块出力为5t/h。E-Cell-3X 在浓水室添加离子交换树脂，无需向浓水室加盐，无需浓水循环，降低了模块的运行电压。模块与整流器一对一配置。水进口装设压力调节阀，确保浓水进口压力比淡水出口压力至少低0．035 MPa。进水离子浓度低会使EDI 淡水室中的树脂和膜的表面上形成的电动势梯度增大，导致水的电离程度增强，从而使填充在淡水室的阴、阳离子交换树脂再生效果好，因此在EDI 进水母管设电导率测量仪，使EDI 进水电导率控制在≤40 μS/cm。浓水排水装设流量控制阀，以控制水的回收率。EDI 给水泵为变频泵，出口设电动慢开门。EDI 浓水回收至超滤产水罐，不合格水送至二级反渗透的产水罐。
3．4 主要设备控制方式
3．4．1 超滤控制
超滤单元操作的运行、反洗由PLC 自动控制完成。通过二次仪表将各个机组的进水水量、产水水量及进出水压力传输至中央控制系统以便在控制室内进行监控，了解超滤的运行状况。进水压力的控制通过变频器调节，维持系统运行压力的稳定。2套超滤设备在现场设置2 台就地操作盘，对超滤可实现自动/手动操作切换。
3．4．2 反渗透单元控制
4 套反渗透装置设置了4 台就地操作控制盘，在就地仪表上可读出每台反渗透装置的有关运行参数(如进/产水流量、进/产水电导率、运行压力、进水pH 值等) 。在就地控制盘上可实现装置的操作。同时将上述参数经二次仪表上传至中央计算机，在控制室内进行监控，了解反渗透系统的运行状况。
系统泵的出口装有压力传感器，当供水不足，水压过低，会自动发出停机信号，使水泵停止运行; 当由于某种原因造成高压泵出口压力过高时，高压开关可自动切断高压泵的供电，保护系统不超压运行。
高压泵装有变频器，由PLC 控制高压泵缓慢开启，使膜元件逐步受压，防止水锤现象的发生，以保护系统的安全。
当反渗透装置停机时，自动关闭进水阀门，启动反渗透冲洗泵，打开冲洗进水、浓水排放和产水自控阀，利用中间水箱的反渗透产水冲洗膜表面的沉积物，以防止其影响膜的性能，冲洗时间约为20 min。
3．4．3 EDI 单元控制
2 套EDI 装置设置了2 台就地操作控制盘，在就地仪表上可读出每台EDI 装置的有关运行参数(如产/浓水流量、产水电阻率、进水压力) 。在就地控制盘上可实现装置的操作。同时将上述参数经二次仪表上传至中央计算机，以便在控制室内进行监控，了解EDI 系统的运行状况。EDI 必须在有水流过，且流量高于最低值时才能通电; 开机时，先通水后通电; 关机时，先断电后断水。
4 全膜法与离子交换法的比较
除盐水处理基本工艺为: “预处理+ 一级除盐+ 二级除盐”。常用的二级除盐工艺有: 混床、EDI。现将两者综合比较如表1 所示。
方案一/方案二比较: 综合投资，方案一比方案二多190 万元; 运行费用，方案一比方案二每年少63 万元。方案一投资差额回收期，约3 年。
5 结论
EDI 净水设备具有连续出水、无需酸碱再生和无人值守等特点，使脱盐水系统设备结构简化，减少设备占地面积，节约费用。虽然EDI 的初投资比混床高，但运行费用低，管理方便，运行几年就可收回成本，而且新疆地区酸碱价格较贵，人工较贵，从长期发展来看，EDI 的经济效益比混床高。
全膜法水处理出水水质可靠，无酸碱废液排放，在本系统设计中，EDI 的浓水、极水、不合格产水均被回收利用，EDI 单元无废水排放，实现了完全的绿色环保，节能补水制水工艺，环境效益显著。这也是水处理工艺发展的必然方向。
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