摘要

新加坡作為島國自然資源匱乏，水成為它的一項戰(zhàn)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(xié)議將分別于2011年和2061年失效。隨著工業(yè)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(yè)界不斷尋求創(chuàng)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(zhuǎn)化成適于蓬勃發(fā)展的石化工業(yè)使用的高級工業(yè)給水(HGIW)。該反滲透系統(tǒng)由美國Aquatech國際公司(AIC)供貨，并裝備了2184支陶氏化學(xué)公司的抗污染膜元件FILMTECâBW30-365FR2。該系統(tǒng)由SUT Seraya (SUT)公司---SembCorp公用事業(yè)公司的子公司---負責(zé)運營管理。整個系統(tǒng)為單級RO，共6列，單列產(chǎn)水量5000m3/d，總產(chǎn)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(tǒng)平均設(shè)計通量10GFD(17l/m2.h)，設(shè)計給水TDS為~1300 mg/l。

利用RO技術(shù)及30,000m3/d的容量帶來的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，SUT通過新加坡公用事業(yè)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(chǎn)的高級工業(yè)給水，可進一步節(jié)省除鹽費用，因為其中的絕大多數(shù)溶解固體已通過反滲透膜除掉。

為了使該工程經(jīng)濟上更加合算，這要求系統(tǒng)回收率設(shè)計突破常規(guī)。所以，SUT對三級廢水以高達85%(常規(guī)為75%)的設(shè)計回收率，將其轉(zhuǎn)化成可回用的高級工業(yè)用水。其中，Aquatech獨特的常規(guī)預(yù)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(fā)現(xiàn)：FILMTEC的抗污染膜非常容易清洗，常規(guī)化學(xué)藥品就足以滿足清洗的要求，這樣能夠保持清洗成本低廉。

目 錄：

1. 工程概況

2. 項目規(guī)劃及發(fā)展歷程

3. 中型試驗及系統(tǒng)設(shè)計

4. 系統(tǒng)布局及運行性能

5. 結(jié)論及展望 – 保護稀缺的水資源

1.   工程概況：

1.1  裕廊島的形成

1994年，當(dāng)新加坡開始實施其雄心勃勃的計劃，準(zhǔn)備在亞太地區(qū)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(guī)劃和發(fā)展的同時，SembCorp公用事業(yè)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(yè)設(shè)施集中化”的概念方案。該方 案可向預(yù)定建于裕廊島的眾多石化公司、化學(xué)公司及精煉公司提供一系列的公用設(shè)施，諸如蒸汽供應(yīng)、廢水處理、除鹽水供應(yīng)、冷卻水供應(yīng)、產(chǎn)品貯存設(shè)施及終端設(shè)施，等等。

1.2  水-戰(zhàn)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(xié)議(分別于2011年和2061年失效)從鄰國馬來西亞購買。

基于戰(zhàn)略重要性，早在20世紀70年代，新加坡已經(jīng)向裕廊島工業(yè)區(qū)提供工業(yè)用水(IW)作為替代性的工業(yè)水源。這種工業(yè)用水主要是從 Ulu Pandan 廢水回收廠排放的 的經(jīng)過三級處理的廢水(新加坡的污水需處理到符合標(biāo)準(zhǔn)20ppm BOD, 30ppm SS)。 工業(yè)用水(IW)的典型水質(zhì)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(yè)回用還是進一步深度處理均有很大的吸引力。

由于化學(xué)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(fā)創(chuàng)造性的水源以替代現(xiàn)有的飲用水源。

2. 項目規(guī)劃及發(fā)展歷程

2.1 為裕廊島規(guī)劃替代水源

早在裕廊島規(guī)劃階段，人們就已經(jīng)設(shè)想將位于裕廊工業(yè)區(qū)的工業(yè)水網(wǎng)加以延伸，以滿足整個裕廊島的工業(yè)需要。利用供給裕廊島的工業(yè)用水，采用RO/EDR技術(shù)或相關(guān)技術(shù)進一步可將工業(yè)用水處理成高級工業(yè)用水(HGIW)，這被認為在經(jīng)濟上是可行的。

2.1.1 高級工業(yè)用水(HGIW) 規(guī)范

為了使廢水的回用對工業(yè)界更具吸引力，人們認為高級工業(yè)用水(HGIW)應(yīng)該比公共事業(yè)署(PUB)提供的飲用水水質(zhì)稍好一點。其目標(biāo)電導(dǎo)率將控制小于250μS/cm，相比而言，PUB提供給裕廊地區(qū)的飲用水水質(zhì)電導(dǎo)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(xué)工司及精煉公司展開調(diào)查，預(yù)計飲用水級的工業(yè)用水消耗量將達到50,000m3/d。因此，我們規(guī)劃了一個日產(chǎn)30,000m3高級工業(yè)用水的工廠。在投產(chǎn)后，如果產(chǎn)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(fā)展用工業(yè)用水(IW)作原料的替代水源。人們預(yù)計工業(yè)用水(IW)能夠進一步處理并制得可與飲用水相比的產(chǎn)品水，但只用于工業(yè)目的。這種水即被命名為高級工業(yè)用水(HGIW)，以與工業(yè)用水(IW)相區(qū)別，并通過單獨的給水系統(tǒng)賣給裕廊島的工業(yè)用戶。

2.2 工業(yè)用水(IW)規(guī)范

設(shè)計HGIW水廠的起點是工業(yè)用水水質(zhì)。到目前為止，新加坡公用事業(yè)署(PUB)經(jīng)營裕廊工業(yè)水網(wǎng)(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(yè)用水(IW)水質(zhì)數(shù)據(jù)。

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(xiàn)象導(dǎo)致工業(yè)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(dāng)長的時期內(nèi)，我們觀察到工業(yè)用水(IW)的電導(dǎo)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(yīng)該提供安全設(shè)計裕度。在設(shè)計RO時，原水規(guī)范采用相當(dāng)于TDS1300mg/l的最大電導(dǎo)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(shè)計裕度。

2.3  技術(shù)招標(biāo)及評估

建設(shè)30,000m3/d的工業(yè)用水深度處理廠的項目在1997年初舉行招標(biāo)，有10多家國際著名的水公司參與組織的投標(biāo)。評標(biāo)則基于每份標(biāo)書的實際凈值進行(結(jié)合資金和長期運行成本的影響)，同時考慮采用當(dāng)時最可靠的先進技術(shù)。

提交的各種標(biāo)書大概可以歸類成三種基本不同的工藝：

a) EDR 技術(shù)

b) 用微濾(MF)作預(yù)處理的反滲透(RO)技術(shù)

c) 用傳統(tǒng)雙介質(zhì)過濾(DMF)作預(yù)處理的反滲透(RO)技術(shù)

EDR技術(shù)和RO相比由于其達不到高脫鹽率而未被采納。

MF膜作預(yù)處理工藝與傳統(tǒng)介質(zhì)過濾相比經(jīng)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(tǒng)回收率。相比而言，傳統(tǒng)雙介 質(zhì)過濾(DMF)不需要昂貴的介質(zhì)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(tǒng)雙介質(zhì)過濾和標(biāo)準(zhǔn)陶氏RO膜結(jié)合使用多年，日產(chǎn)12,250m3產(chǎn)品水。

因此，用傳統(tǒng)雙介質(zhì)過濾(DMF)作預(yù)處理的反滲透(RO)方案被確定下來。

2.4  系統(tǒng)回收率及項目經(jīng)濟性

由于公用事業(yè)署(PUB)對新加坡使用的每噸工業(yè)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(jīng)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(biāo)書必須采用介質(zhì)過濾作為RO的預(yù)處理，而且RO裝置的回收率高達86%，結(jié)合預(yù)處理部分99%的回收率，最后整個系統(tǒng)的回收率達到85%。

3. 中型試驗及系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計和建設(shè)污水回用廠的合同最后被美國Aquatech國際公司(AIC)中標(biāo)。在設(shè)計的最初階段，為了使SDI值達到RO膜要求的目標(biāo)值(<4.0)，工程公司決定采用兩級 雙介質(zhì)過濾DMF(初級：PDMF和次級：SDMF)作預(yù)處理。這就意味著為裕廊島將來可能出現(xiàn)的水質(zhì)不穩(wěn)定狀態(tài)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(yōu)化混凝/絮凝工藝，同時優(yōu)化介質(zhì)層。

3.1.1 混凝和絮凝的優(yōu)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(jié)果，最后確定采用的聚合物和混凝劑。

3.1.2 雙介質(zhì)過濾器 (DMF)–濾層優(yōu)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(wěn)定性。(SDI的設(shè)計目標(biāo)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(fā)現(xiàn)帶出結(jié)果為零。

3.1.4 預(yù)處理充分性及污堵性的研究

確定化學(xué)藥品及過濾介質(zhì)的優(yōu)化配置之后，建立了一套單獨的閉合循環(huán)的中試系統(tǒng)，以模擬RO系統(tǒng)的第3段的最后一支元件。該系統(tǒng)由單支陶氏 FILMTEC BW30-365FR2抗污染元件組成，運行回收率86%。該系統(tǒng)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(chǎn)生了一些污堵。但是，即使這樣也沒有產(chǎn)生嚴重的污堵。因此，證明預(yù)處理是充分的。這些試驗也有助于減少現(xiàn)場調(diào)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(shù)服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)因其污堵速度快而被認為不適合這種惡劣水質(zhì)。

FILMTEC BW30-365FR2是卷式復(fù)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(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢：先進的自動卷膜技術(shù)使精度達到手工卷制望塵莫及的水平；增加膜片數(shù)縮短膜片長顯著減小了產(chǎn)水側(cè)的壓力損失，這樣效率更高，驅(qū)動壓更均勻，產(chǎn)水通量分布也更均勻。元件的給水通道寬34mil，比其他品牌產(chǎn)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(tǒng)設(shè)計特點

3.2.1 高效的過濾器設(shè)計，以使SDI值始終保持低水平

為維持SDI值，過濾器設(shè)計具有如下特點:

a) 雙室過濾器設(shè)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(shè)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(wěn)定性更好，因為任何時候過濾系統(tǒng)都沒有運行在新反洗的狀態(tài)。

b) 初級過濾和次級過濾交錯反洗

設(shè)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(biāo)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(wěn)定SDI值。

3.2.2  通過級間升壓泵節(jié)能

為達到86%的系統(tǒng)回收率，RO的第一、二段設(shè)一臺高壓泵，第三段設(shè)一臺段間升壓泵，并在第一段的產(chǎn)品水管上設(shè)節(jié)流孔板以控制第二段的給水流量。這種設(shè)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(tǒng)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(dǎo)致污堵和結(jié)垢。由于產(chǎn)品水具有溶解性能，第三段用產(chǎn)品水定期進行污染物和沉淀物的沖洗，防止板結(jié)。每一運行班都要對第三段進行隔離，用產(chǎn)品水沖洗，同時前兩段保持75%的回收率繼續(xù)制水。每次啟停系統(tǒng)都遵循上述沖洗規(guī)程。

3.2.4 變頻驅(qū)動裝置(VFD)和節(jié)能

AIC公司在該系統(tǒng)中采用變頻驅(qū)動裝置(VFD)作為節(jié)能設(shè)施。高壓泵設(shè)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(qū)動，高壓泵正好運行在使膜不產(chǎn)生污堵所需的壓頭下。因此，不必在泵的出口設(shè)置節(jié)流閥以控制多余的壓頭。這樣在最初幾年就能節(jié)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(nèi)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(dǎo)致通量損失。同時，因元件在壓力容器內(nèi)的移動導(dǎo)致的望遠鏡現(xiàn)象也可避免。

3.2.5 實現(xiàn)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(huán)管線送回入口回用。這個設(shè)計節(jié)約了相當(dāng)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(zhì)過濾器

將RO濃水用于反洗過濾器也取得了顯著的節(jié)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(tài)，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(fā)生任何污染。

c) 過濾器正洗水循環(huán)使用

正洗步驟需消耗相當(dāng)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(huán)，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(tǒng)布局及運行性能

4.1. SUT設(shè)計的整個水處理廠的布局概況

三級廢水(原工業(yè)用水IW)作為給水如圖1所示通過預(yù)處理工藝步驟進行深度處理。

在系統(tǒng)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(yù)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(jié)垢，RO的給水往往需要加入阻垢劑。對進入RO元件的經(jīng)過預(yù)處理的給水，在線監(jiān)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(tǒng)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(guī)格一樣。

 

 4.2.  RO系統(tǒng)的布局

每列RO由3段組成，其布局如圖2所示。

 

4.3. RO運行的注意事項、清洗及膜分析

RO產(chǎn)品水水質(zhì)始終符合高級工業(yè)用水(HGIW)的技術(shù)規(guī)范。見下表“工業(yè)用水(IW)和高級工業(yè)用水(HGIW)的實際值及規(guī)范值的比較”。

裕廊工業(yè)用水(IW)和高級工業(yè)用水(HGIW)的實際值和設(shè)計規(guī)范值的比較

 

 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(yè)用水有時SDI值(>6)及TSS(6-6.5ppm)很高，這偶爾導(dǎo)致RO給水的SDI值超過 4 。

當(dāng)RO給水的SDI值長期超過4時，要求系統(tǒng)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(tǒng)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(yù)計，在86%的回收率下，每月一次。在4周的清洗間隔中，產(chǎn)品水流量標(biāo)準(zhǔn)化后會典型地下降15-20%。清洗后，標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)水量能恢復(fù)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(xué)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(jié)垢物和污堵物的成分，并檢查標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)性能正如所預(yù)料的一樣，脫鹽率和流量均在技術(shù)規(guī)范之內(nèi)。沒有任何跡象表明存在產(chǎn)品水惡化、通量損失、需要增加給水壓力等問題。

5  結(jié)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(diào)試，并且產(chǎn)品水水質(zhì)超過設(shè)定的規(guī)范值。自2000年元月初次啟動以來，該RO系統(tǒng)運行良好，設(shè)計參數(shù)穩(wěn)定。

本項目開創(chuàng)的85%高回收率被視為三級廢水回用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

SUT和AIC的工程師發(fā)現(xiàn)FILMTEC的FR膜正如嚴格實施的設(shè)計和運行條件下的預(yù)計，運行效果良好。并發(fā)現(xiàn)普通化學(xué)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(tǒng)相比，該系統(tǒng)顯著降低了運行成本。

SUT提供的高級工業(yè)用水進一步節(jié)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(shù)溶解鹽類。結(jié)果是雙贏局面，不僅為工業(yè)界找到了廉價的水源，而且?guī)椭录悠卤Ｗo了稀缺的淡水資源。

RO技術(shù)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(shù)，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(jīng)濟的供水系統(tǒng)正在運行之中，其水質(zhì)水量穩(wěn)定，將為新加坡工業(yè)節(jié)省數(shù)百萬美元，并成為其他公司在此創(chuàng)業(yè)的重要因素。同樣地，該技術(shù)也可用于世界其他缺水地區(qū)循環(huán)回用廢水，從而保護重要的自然資源。

致謝：作者希望對SUT公司的Seetharaman 先生和Eugene Yan 博士、AIC公司的 M. N. Rao先生、陶氏(德國)公司的Jorge A. Redondo先生致以誠摯謝意，感謝他們在本文準(zhǔn)備過程中的大力支持和見解深刻的討論。

陶氏化學(xué)（中國）投資有限公司發(fā)布本范例