1 工程概况
广东理文造纸有限公司位于东莞市洪梅镇，以回收的废纸为原料，生产瓦楞芯纸、挂面箱板纸和牛皮箱板纸。该厂四期扩建30万t/a环保型牛皮箱板纸生产线，相应的造纸机、废水处理站及发电站用水量增加，原有的水厂处理能力无法满足需要，需增加一套23 000m3/d水处理系统，要求出水电导率＜750μS/cm，脱盐率≥97％。
系统的取用水源为河水，每年9月～次年4月经常受到海水倒灌的影响，含盐量波动较大，电导率为157～23 763μS/cm。
系统采用快滤—超滤—反渗透工艺，设计进水量为52 000m3/d，超滤产水43 800m3/d，供给一期用水点10 000m3/d，其余供给反渗透系统，反渗透产水23 000m3/d。表1为原水水质及设计产水标准。
表1 原水水质及设计产水标准
2 工艺流程与系统设计
2．1 工艺流程
该工程由深圳恒通源水处理科技有限公司设计并承建，工艺主要为前处理系统、超滤系统、反渗透系统等，工艺流程如图1所示。
图1 工艺流程
2．2 前处理系统
2．2．1 混凝沉淀池
在混凝沉淀池中投加5～20mg/L的絮凝剂PAC去除河水中的浊度和色度，同时对水中的无机和有机污染物亦有一定的去除作用。
因原水中存在较多的胶体、微生物等杂质，为了更好地杀菌和抑菌，确保系统的稳定运行，在混凝沉淀池的出水管加入1～5mg/L的杀菌剂次氯酸钠，余氯控制在0．2～0．5mg/L。
2．2．2 快滤池
快滤池采用S型滤砖过滤工艺，其为双侧渠设计，设有水恢复水道，以确保稳定持续的水流从上部的孔口流出，重新回到滤砖的水流可以补偿低压区域，使得滤砖的性能得到显著改进。
快滤池设计产水量为52 000m3/d。设计进水水质浊度＜10NTU，出水水质浊度≤2NTU。
2．2．3 自清洗过滤器
配备7台以色列Arkal自清洗过滤器。外壳为防海水衬胶涂层＋合金处理，滤元缝隙为100μm的不锈钢S31603楔形滤网，可自动清洗、连续工作，单台过滤器设计出水水量为365m3/h，可有效截留大于100μm的颗粒。原反洗设计为压差反洗，但实际上，由于反洗压差过低，无法达到预期效果，后更改为定时反洗，效果更佳。
2．3 超滤系统
2．3．1 超滤装置
系统配置8套，采用旭化成UNA 620A中空纤维外压式超滤膜PVDF材质，每套64支膜组件，每个膜组件的有效膜面积为50m2，膜公称孔径为0．1μm，设计通量82L/（h·m2），净通量为75．4L/（h·m）。每套出力为228m3/h。设计进水水质为：SS≤5mg/L、浊度≤10NTU、COD≤30mg/L。
2．3．2 清水泵
超滤装置配置了5台肯富来清水泵，3用2备，型号为KCC250×200 400，单台出力730m3/h，其中1台为变频控制。原水经混凝、沉淀和过滤后进入清水池，再经清水泵进入自清洗过滤器和超滤装置。
2．3．3 反洗和清洗装置
超滤装置需定期进行反洗，8套超滤装置合用1套反洗系统。系统的反洗由PLC控制并依次执行并按要求依次加入各类化学药品，反洗用水采用超滤产水，反洗系统设置2台反洗水泵，1用1备，型号为KCC200×150 315，变频控制，泵出口加装过滤器。反洗水中添加1～5mg/L的次氯酸钠，出水中余氯浓度保持在0．1～1mg/L。
系统运行压力在0．1～0．3MPa，膜组件长期运行后，会受到如菌类、有机物和无机物的污染，膜通量将下降，为恢复其正常的过滤能力，系统配置了1套清洗系统，由1个清洗药箱、2台不锈钢清洗泵和1台清洗过滤器组成。
2．4 反渗透系统
2．4．1 反渗透装置
反渗透作用是脱除水中的可溶性盐分。系统设有4套反渗透膜组件，每套出力为240m3/h，回收率为60％～75％，每年脱盐率不小于97％，系统采用的膜型号为美国DOW公司的BW30 400FR/34i膜。
2．4．2 反渗透供水泵系统
经泵将超滤出水送至反渗透系统的保安过滤器，系统配置了6台反渗透供水泵，4用2备。
为保护反渗透膜元件不被氧化，需加入还原剂降低原水中余氯的含量，控制进水ORP不大于170mV。另外，系统还加入了由纳尔科提供的阻垢剂N7320，投加浓度为2～3mg/L，由加药系统自动调节浓度。每星期进行1次杀菌操作，投加非氧化性杀菌剂pc191T，投加量为55mg/L。
2．4．3 保安过滤器
每套反渗透装置前设置不锈钢S31603保安过滤器，采用RIZONFLOW的5μm大流量滤芯单套系统出水360m3/h，压差大于0．1MPa时进行更换。
2．4．4 高压泵及增压泵系统
高压泵为反渗透膜提供足够的进水压力，维持反渗透的正常运行，4套反渗透系统共设置8台国产SULZER（ZA/ZE150 4400）不锈钢卧式单级离心高压泵作前级高压泵，每两台水泵串联或并联使用；4台国产SULZER（ZE100 2250）不锈钢卧式单级离心高压泵作段间增压用。
2．4．5 反渗透清洗及冲洗系统
反渗透系统设有1套清洗及冲洗系统，一般情况下，每3～6个月清洗1次，每次约1～2h。在反渗透短时间内停止运行时，为保护反渗透膜元件不受处理水的污染，需把膜壳的积水置换出来。
2．5 配套的压缩空气系统
工程单独配置了1套压缩空气系统，以确保纯水站的仪控用气。其中系统配有螺杆式空气压缩机2台（1用1备）与工艺用气共用，1台冷冻干燥机，三级过滤系统及空气储罐1个。
2．6 自控系统
本系统采用GCK型低压配电柜作为设备动力柜，中控室设置PLC柜以及上位机，现场设置控制柜，以西门子PLC及力控监控软件为控制核心。
自控系统的主要功能为：系统程序控制，包括系统的启停、联锁、保护、监测、控制等；系统数据的采集及处理功能，将现场模拟量信号转换成数字信号，上传至上位机监控；系统的自诊断功能提供系统的故障信息以及相关报警，对于系统的维护及维修起了重要的辅助作用。
3 工况分析
该工程于2011年9月1日开始调试，2012年3月底顺利通过业主验收，持续7个月的调试运行历经进水水质波动、水厂前三期输水总管爆管导致极大的产水压力等困难，通过调整系统参数和超滤反渗透的清洗方案，以达到最佳的运行效果。
3．1 快速过滤系统
调试中发现，快滤系统靠单纯的气洗或水洗效果不佳，约4h小时就会堵。需要再次反洗，后改为气水反冲洗。但系统设计的气水反冲洗由于没有压力和流量控制，很难控制反冲洗水量和气量，效果不易控制、能耗较大，建议增加测量装置。
3．2 超滤系统
超滤（UF）是一种以压力为推动力的膜分离技术，利用中孔（20～50nm）筛分作用实现分离[1]，能截留水中固体悬浮物、胶体和部分细菌，降低SDI，使出水水质稳定，降低对反渗透系统的膜污染[2]。本工程采用中空纤维外压式膜，膜表面积较大，水通量较大，在运行时纳污量大、抗堵塞[3]。而且其PVDF材质采用TIPS热法制备，具有结晶度高、强度高以及强耐药性等优点。
3．2．1 运行效果
调试期间，个别情况下进水压力峰值达到300kPa，平均进水压力达到250kPa，除了极个别阀门及连接处漏水外，系统运行稳定。在调试结束后对膜丝进行检测，未发现断丝现象。
为了掌握超滤的运行状况，对超滤系统的产水流量、浓水流量、进水压力、产水压力和浓水压力进行了监测，由于通过同一根母管进水，从调试过程及收集的数据来看，每套超滤的参数差异较小，所以选取1＃超滤系统进行研究。对大多数的超滤系统而言，初始运行性能跟稳定运行时的性能有较大差异，所以选取的数据为2012年1月1日～1月7日的数据，此时系统已经连续运行了3个多月，系统参数和处理效果分别见表2和图2。
表2 超滤系统运行参数
图2 超滤系统进膜压力、TMP、产水流量曲线
从图2中可知，产水量为130～391m3/h，进膜压力在100～200kPa，TMP在35～130kPa。一般情况下，进水压力上升，产水量随之上升，TMP也增大。产水量的波动范围比较大，在短时清洗后膜性能恢复较快，说明其抗冲击负荷能力强。分析上述数据，其进膜压力、TMP均远低于规定值300kPa。实际上，产水量上升特别明显的阶段是在做完EFM（通量增强维持）的12h内，单纯的增加进膜压力对于产水量的上升并非特别有效，说明EFM清洗方式对于这种膜的清洗效果很好。
3．2．2 清洗方法
设计超滤系统的运行包括过滤、反洗、CEB（化学加强洗）、CIP（在线清洗）4个步骤。
运行方式和持续时间分别为：过滤（1 700s）→加氯碱反洗/气洗（60s）→正冲（40s）→过滤。30min/周期，24h连续运行。
反洗或清洗加入的药剂为柠檬酸、氢氧化钠及次氯酸钠，柠檬酸能去除金属氧化物、胶体污染物；氢氧化钠能去除有机物污染；次氯酸钠可去除微生物污染，可根据具体情况灵活选用。
3．2．2．1 CEB
①清洗频率：1次/d；②化学药剂：柠檬酸（2％）或氢氧化钠（0．1％），酸洗可有效去除金属离子，碱洗可有效去除有机污染物；③运行方式和持续时间：正冲气擦（15s）→上排反洗加碱（90s）→碱浸泡（8min）→反洗冲碱（120s）→上排反洗加酸（90s）→酸浸泡（2min）→反洗冲酸（120s）→过滤。
从实际运行情况看，清洗效果不佳，主要原因有：进水水质较预期差，而且水质变化较大；反洗管道过长，系统设置的加药泵过小，导致反洗药剂浓度不够，效果不佳。后调整为：过滤、反洗、EFM、CIP4个步骤，其中调试前CEB用的是反洗管路，调整后的EFM用的是清洗管路。
3．2．2．2 EFM
①清洗频率：1次/d；②化学药剂：碱氯洗，即次氯酸钠（400mg/L）＋氢氧化钠（0．1％），或酸洗，即柠檬酸（2％）；酸洗还是氯碱洗根据需要而定；③运行方式和持续时间：一次药剂循环（30min）→药剂浸泡（30min）→二次药剂循环（15min）→正冲气擦（15s）→上排反洗（30s）→上下排反洗（30s）→正冲（30s）→过滤。
3．2．2．3 CIP
①标准频率：2个月1次，同时当跨膜压差达到150～200kPa时需进行在线清洗；②化学药剂（种类和浓度）氯碱洗用次氯酸钠（2 000mg/L）＋氢氧化钠（1％）之后用柠檬酸（2％）酸洗；③运行方式和持续时间：一次碱液循环（2h）→药剂浸泡（4h）→二次碱液循环（1h）→正冲气擦（15s）→上排反洗（30s）→上下排反洗（30s）→正冲（30s）→过滤（30min）→一次酸液循环（2h）→药剂浸泡（4h）→二次酸液循环（1h）→正冲气擦（15s）→上排反洗（30s）→上下排反洗（30s）→正冲（30s）→过滤。
3．3 反渗透系统
3．3．1 运行参数
反渗透系统运行参数如表3所示。
3．3．2 清洗方法
根据具体情况，采用分段清洗的方法。可以单独碱洗，也可以单独酸洗或采用碱洗＋酸洗的方法。一般情况下，先排空膜内积水，用0．1％的氢氧化钠溶液清洗，然后再用2％柠檬酸溶液清洗。
表3 反渗透系统运行参数
4 调试结果
系统运行效果良好，产水性能达到了设计要求，水质分析结果如表4所示。
表4 水质分析结果
5 成本分析
随着经济的发展，东莞的供水压力也越来越大，在四期工程完成以后，广东理文造纸厂每天的高峰供水量将达到115 000m3。
理文造纸厂四期工程制水成本主要由设备折旧、电费、膜更换费用、滤芯更换费、药剂费、维修费以及人工费和管理费组成。该工程四期制水成本如下。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
5．1 计算依据
（1）生产能力：23 000m3/d；
（2）工程投资：2 600万元；
（3）电费成本：0．3元/（kW·h）；
（4）单位能耗：2．4kW·h/m3产水；
（5）维修费用：按实际算；
（6）装置及配套设施平均使用寿命：15a；
（7）膜元件平均使用寿命：5a；
（8）化学试剂用量：PAC：2．39g/m3；NaClO：42．55g/m3；NaHSO3：4．43g/m3；NaOH：1．41g/m3；H3Cit：3．40g/m3；PC 191T：4．65g/m3；N7320：0．58g/m3；
（9）人工费（四班三倒八人制）：30 000元/（人·a）。
5．2 成本计算
（1）折旧成本：0．78元/m3；
（2）电费成本：0．72元/m3；
（3）膜更换费用：0．32元/m3；
（4）维修费用：0．09元/m3；
（5）滤芯更换费用：0．07元/m3；
（6）化学药剂费用：0．36元/m3；
（7）人工费和管理费用：0．04元/m3；
（8）其他费用0．02元/m3。
合计：2．4元/m3。
综上可知，每m3淡化水费用中折旧和电费成本占制水费用的62．5％。因此要降低制水费用，关键是降低工程投资和能耗。
6 结论
（1）在超滤前设置快滤池能有效减慢超滤的TMP上升速度，降低清洗频率，提高膜的使用寿命。
（2）对于PVDF材质的超滤，EFM是一种非常有效的清洗方式。
（3）反渗透系统脱盐率为99％，产水量大于设计值，出水质量符合设计要求，快滤—超滤—反渗透工艺对此类水质有良好的处理效果，系统运行稳定可靠。