用量子 DMI-65 颗粒过滤介质进行井水除铁

By Andrew
In October 28, 2018
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背景

北卡罗莱纳州的绍斯波特电厂为应对城市用水相关的成本增加问题,安装了三口井以提供备选供水系统。井水水质要求增加两组300gpm反渗透(RO)装置用于离子交换脱盐器预处理。但是,最初的井水设计并不包括水中离子处理措施。进水供应中所含的离子造成筒式过滤器元件和RO膜结垢。

2004年早期RO操作发现井水流量低于预期。因此,最初的两个RO阵列从9:5降至8:4,产品流从300gpm降低到250gpm。RO操作时通常仅使用一套装置,来降低铁结垢率并延长膜清洗间隔。在这段时间,最佳井口提供的井水流经运行装置,在此装置性能下降时可选择切换到备选装置。每个RO每月进行一次化学清洗,验后清洗回复装置的基线性能。

2004年12月进行了一项井水研究,确定需要多介质过滤器、氯和助滤剂连续添加以在井水供应中除去铁以及降低SDI(污染密度指数)。基于此井水研究结果,2006年初安装了预处理系统。该系统包括氯化学剂注入用于铁氧化,助滤剂用于聚集铁颗粒以进一步通过多介质过滤器去除,及滤液储存罐用于储存恒常RO水流和使验后过滤器回洗回到服务冲洗。经过滤液罐后,经过滤的水添加亚硫酸氢钠和阻垢剂以去除剩余氯,并控制RO膜上的结垢。

但是,即使安装了预处理装置,任然发现SDI值无法保持在3以下,铁含量无法保持低于0.1ppm。实际经验还发现助滤剂不当控制会也确实导致了RO膜(参考图1)和筒式过滤器元件上严重结垢。与助滤剂和铁相关的膜结垢,按照已定的定位清洗(CIP)法很难移除。

多次CIP膜清洗也无法让RO生产恢复到基线标准,因此净RO产品流被进一步从250gpm降低到110gpm。另外,由于筒式过滤器元件结垢速度非常快,必须定期更换,更换频率从每天一次到每周一次。

以下内容描述了为解决铁结垢问题,对量子DMI-65*(一种硅基过滤介质,已成功应用20年以上)进行的现场测试。通过现场测试确定了DMI-65的性能后,于2006年10月从五个多介质过滤器中移除了MM过滤介质,替换成DMI-65。DMI-65旨在氯存在的操作条件下,去除进水供应中的铁、锰和砷。截止到目前,实践表明RO生产没有产生进一步损失,筒式过滤器元件不再高速结垢。

通过应用检测,此量子材料可将铁含量从50ppm以上降低到0.05ppm以下。根据量子经验判断,DMI-65的使用寿命约为8年,每年磨损指数从1-5%不等。图2展示的为颗粒介质,表1列出了物理性质。

量子DMI-65由融合专利产品的砂粒组成。这意味着活性成分未形成涂层,而是在砂粒中变得匀质。在通过连续注入氯构成的氧化环境中,DMI-65起催化剂的作用。需保持氯的注入,让过滤器流出液中的游离性余氯达到0.1到0.3ppm。氧化反应可使溶解的铁、锰和砷形成固体、不溶性沉淀物,被DMI-65过滤介质捕获。捕获的铁在过滤器回洗循环中得以释放。

现场测试:

2006年9月18日注氯之后且在现有MM过滤器井水供应注入助滤剂之前,向测试过滤器供应井水侧流,参考图3。

所使用的测试过滤器为3.5立方尺离子交换容器,填充有量子DMI-65过滤介质形成24英寸床层深度和40%回洗出水高度。装备测试容器并操作24小时,以确定除铁效果,然后回洗。监测验后回洗恢复到使用性能。测试确定过滤介质将铁降至低于0.05ppm,回洗后,仍可去除铁使其低于0.05ppm。基于此测试,建议用DMI-65介质替换现有五个过滤器中的介质。

现场测试设置(参考图3):

  • 使用了小型离子交换瓶。如图3所示,直径为7”,高为44”。
  • 采用填充有DMI-65介质的5加仑桶,加入氯约为100ppm的预处理剂量,浸泡若干小时。氯浸泡可活化介质发挥催化剂的作用,促进氧化铁的过滤。
  • 浸泡后,介质转移到交换容器形成约为24英寸厚的床层。
  • 将测试过滤器的服务流设置为5gpm每平方英尺。根据交换器表面积为0.267平方英尺,所采用的服务流速为1.34gpm,回洗流速为3.3gpm。
  • 安装介质后,回洗测试过滤器10分钟去除细粉,建立清洁回洗。
  • 用哈希测定法(Hach Method)8008进行铁测试。

2006年9月18日早上:
11:00 运行中的过滤器,水温 21ºC(69.8ºF)& 7.5 pH
11:20 测试过滤器流出液:铁0.06 ppm
11:30 测试过滤器流出液浊度:0.137 NTU
11:37 井水铁MM过滤器入口:铁1.23 ppm

下午
1:24 测试过滤器流出液:铁0.01 ppm
1:30 井水铁MM过滤器入口:铁1.35 ppm
2:30 测试过滤器流出液浊度:0.142 NTU;2.86 SDI
3:53 测试过滤器流出液:铁0.01 ppm
4:02 井水铁MM过滤器入口:铁1.28 ppm

2006年9月19日早上
06:48 测试过滤器流出液浊度:0.215 NTU(样本中标记为浅色)
06:54 测试过滤器流出液:铁0.24 ppm
06:59 RO筒式过滤器入口:铁0.21 ppm(现有MM过滤器流出液)
07:05 井水铁MM过滤器入口:铁1.00 ppm; 4.87 SDI
07:41 测试过滤器流出液:铁0.18 ppm
08:55 测试过滤器流出液浊度:0.198 NTU
08:57 测试过滤器流出液:铁0.15 ppm
09:10 增加氯进给速率,观察铁降低量是否会发生变化。将氯泵设置从3.5调到4.0,进行涂层表面测试,预计进给氯为2.3ppm。
09:15 井水铁MM过滤器入口:铁0.91 ppm
09:35 测试过滤器流出液:铁0.24 ppm,保证服务运行回洗过滤器
09:43 测试过滤器:开始10分钟的回洗
10:10 测试过滤器恢复运行
10:36 测试过滤器流出液:铁0.04 ppm
10:47 测试过滤器流出液:铁0.05 ppm

下午
12:22 测试过滤器流出液:铁0.07 ppmSDI
12:45 井水铁MM过滤器入口:铁1.01 ppm
1:01 测试过滤器流出液浊度:0.120 NTU
测试结束。

推荐5MM过滤器中安装DMI-65。

过滤介质安装

2006年12月11日,五个MM过滤器中的MM介质都被替换,参考图4。自安装起,RO筒式过滤器在电厂允许井水供应吸入空气(迅速使筒式过滤器结垢)前运行9周。

由于膜上具有大量结垢,RO装置以较低的服务流运行。该电厂正在轮转从另一电厂借用的24个备用RO元件,使得可在装置外清洗和测试时依次去除这24个元件。首先移除RO 2 组2的元件(总计24个),并用备用元件替换。这使得每次装置1/3膜被清洗的同时,RO装置仍可保持运行。

移除的组2元件清洗完后,被插入RO 2组1中替代每个压力管中的4-6号元件。移除元件被测试、清洗并重新安装在组1的引导位置,将初始1-3号元件推到现在的4-6号位置以备进一步清洗。这使得RO 2生产可恢复到正常流量,让RO 1停止运行,从而移除所有膜,并将其送出清洗,相较大批24元件组的依次交换、清洗和替换可较快恢复全能力生产。RO 1元件的装置外测试发现膜上出现大量聚合物结垢,清除非常困难,需要经常更换清洗液,也无法通过“单程”清洗方法完成清洗。清洗液样本发现在清洗后,仍有大量聚合物聚集。由于需要额外清洗,周转时间显著增加。

MM过滤器初始服务运行:

投入使用后第一小时:
铁 0.08 ppm,下降0.02;0.00 ppm
SDI 5.9

15小时后:
铁 0.00 ppm
SDI 2.3
过滤器按照每天24小时计划回洗。

回洗后,五个过滤器都:过滤器流出液中的游离性氯0.17 ppm
2小时后: SDI 4.03 铁:0.01 ppm
3.5小时后: SDI 3.58 铁:0.00 ppm
24小时后: SDI 2.48 铁:0.00 ppm(正常回洗循环)
40小时后: SDI 5.85 铁:0.17 ppm(被扩大用于观察)

DMI 65过滤介质安装后筒式过滤器Delta P变化:

RO1 RO2
2006年12月13日: 6psi 3psi
2006年12月14日 6psi 3psi
2006年12月15日 6psi 3psi
2006年12月28日 7psi 4psi
2006年12月29日 3psi
2007年1月4日 3psi
2007年1月16日 7psi 3psi
2007年2月15日 5psi 9psi 给水流量的增加导致的dP变化
2月15日,停运RO 1,移除其所有膜并送去清洗,现在RO 2提供全能力服务流。
2月23日,RO 2井水吸入空气进入MM过滤器,导致筒式过滤器结垢,并被更换。截止到2007年3月7日,压差为2 psi。

RO膜批量清洗时,RO性能:

由于井水成本低于城市用水,两套RO装置在生产降低的情况下继续运行。送入一套RO元件(24个),用于依此部分移除结垢元件并进行装置外清洗,因为定位清洗法不可用。

该组备用膜足够替换组2所有膜,并在所替换膜组清洗完毕被送回时,交换50%组1的膜。从2006年12月28日一直到2月8日,才利用备用膜完成RO 2组1膜的清洗和与组2的替换。在此期间,随着每序列结垢膜被清洗后的膜替换,RO 2产品增加。还观察到两套装置的压差都轻微下降,这表明给水水质没有引起进一步的堆积且已产生的污垢正被慢慢移除。

总结:

过滤介质DMI-65在井水除铁方面表现良好。除了铁移除,降低的SDI也解决了下游筒式过滤器元件和RO膜结垢问题,此前助滤剂化学物通过MM过滤器是便会产生结垢问题。使用助滤剂引起的筒式过滤器元件结垢,要求过滤器元件更换间隔为每1-7天一次,加入DMI-65介质后变为每两个月一次以上。助滤剂聚合物引起的RO膜结垢及性能损耗无法通过定位清洗法逆转。根据RO操作,DMI-65过滤介质安装产生滤液后,铁含量一直低于0.05ppm,且无迹象表明筒式过滤器和RO装置中的压差会进一步增加。现在每一RO都处于恢复基线性能的过程中。

如现场测试所示,与铁和SDI的增加相较,浊度没有反映出过滤器具有突破进展。4月份,将会利用粒子计数仪器进行一次评估。目标是进行连续滤液监测,为操作指明下游RO设备结垢前,井操作、氯注入或过滤器已经出现问题。

物理性质
颜色 黑色到棕色
体积密度 1.46 gr/cm3;1.46 tonne/m3;91lb/ft3;
比重(粒子密度) 2.69n gr/cm3
有效尺寸 0.43 mm
均匀系数 1.34
孔隙率 45.80%
筛孔尺寸 20-45
磨损指数 P 每年 1 – 5 %(取决于水质状况)
操作条件
水 PH 值范围 5.8 – 8.6
最大水温 45摄氏度
床层深度 600 mm(最小)
出水高度 40%床层深度(最小)
再生 无要求
服务流速 5- 30 m3/m2每小时
回洗流速 25 – 80 m3/m2每小时
回洗床层扩展 15 – 50 %之间
袋信息
净重(每袋) 21 kg(44.1lb)
体积(每袋) 14.38L(0.5 ft3)
每公吨袋数 48袋

表1

图2中所示量子DMI-65过滤介质为一种工程产品,在澳大利亚已有20年以上的使用历史,用于工艺用水中降低铁、锰和砷的含量。

* DMI-65为量子过滤介质有限公司(Quantum Filtration Medium Pty Ltd.)的一个注册商标名称

图1 RO元件且膜表面和所有元件给水入口和出口部分都出现结垢

图2: 量子DMI-65过滤介质

图3: 过滤器测试装置

图4:安装了DMI-65的过滤器

ASME电厂和环境化学研究委员会
堪萨斯州欧弗兰帕克2007年4月2-4

编制:
W.H.Stroman
初级能源/EPCOR Operations美国股份有限公司
bstroman@primaryenergy.com

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