反渗透膜污堵原因分析及解决措施

Posted 2023-01-12 反渗透

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某电厂锅炉补给水处理系统水源为水库水，水库水经净水站混凝澄清处理后送至锅炉补给水处理车间，处理工艺为“超滤+反渗透+一级除盐+混床”。在运行过程中反渗透系统出现一级反渗透进水压力和压差偏高、出力偏低以及清洗频繁等问题，采用常规酸、碱进行离线清洗，系统性能难以恢复。对此，笔者对反渗透系统进行了深入分析，对系统故障原因进行了诊断。
1、膜元件分析结果1.1膜元件标准性能测试
取一级反渗透一段和二段膜元件各1支在标准试验状况下进行性能测试（编号分别为1#和2#），结果见表1。
表1反渗透膜元件标准性能测试结果

结果表明，使用后的膜元件产水量下降了31%，产水量衰减明显。新膜质量为14kg，送检的2只膜元件质量分别为15.69、15.56kg，膜质量分别增长了12.07%和11.14%。2只膜元件脱盐率均≥99.5%，脱盐率正常。由此分析，反渗透出力下降的原因为膜表面存在污染物的沉积。
1.2膜元件探针测试
膜元件探针测试是通过将1根直径约为25.40mm的塑料管插入整个膜组件的产水中心管内，检测产水电导率在中心产水管内的分布。探针测试试验表明，1#膜元件内部产水电导率在22.0～27.4μS/cm，2#膜元件内部产水电导率在20.5～24.9μS/cm。2只膜元件内部产水水质分布都比较均匀，可以排除机械损伤和化学损伤导致的盐泄漏，也说明膜元件在使用的过程中没有出现背压现象。
1.3膜表面无机结垢分析
采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP）对反渗透膜片无机元素进行分析，结果见表2。
表2膜元件ICP分析结果

分析结果表明，膜元件污染物成分中，各金属元素含量非常低，膜表面无机物总单位面积质量仅为33.96mg/m2，其中，结垢性无机盐单位面积质量只有18.71mg/m2，无机结垢类物质在膜表面的附着量很低。ICP分析结果说明膜表面无机结垢现象轻微，不是导致系统运行故障的原因。
1.4膜表面有机污堵分析
采用电镜-能谱（SEM-EDX）对膜表面污染层形态和元素组成进行分析，结果分别见图1和表3。
图1反渗透膜表面电镜图

表3膜表面污染物质EDX分析结果

电镜分析结果表明，膜表面污染层结构致密、平整，形态均匀，属于黏附性强、产水阻力较大的凝胶污染层。因此，采用常规酸、碱难以恢复膜元件产水性能。表3的分析结果表明，膜表面污染物中C、N、O的含量很高，质量分数合计达到98.42%，说明膜表面含有大量的有机污染物质。除此之外，膜表面还有少量的Na、Si、Al等元素，质量分数合计＜2%，表明膜表面无机物沉积量很少。EDX的分析结果和ICP的结果基本吻合。
采用气相色谱/质谱联用（GC-MS）对膜表面有机物做进一步分析，分析结果表明，膜表面污染物主要为有机烷烃类物质和含卤族元素的化合物，还有少量的烯烃类和胺类物质。
2、有机污堵原因分析
对反渗透系统进水中的有机物进行了分析，结果见表4。
表4反渗透系统进水有机物分析结果

由表4可知，进水COD变化较大，最高达到30mg/L。反渗透设计回收率为75%，浓水侧COD将达到100mg/L以上，进水有机物含量偏高是造成反渗透膜污堵的主要原因之一。
另外，对现场运行情况进行勘察，发现超滤进水余氯在0.1mg/L以下，没有起到有效的杀菌作用。夏季微生物的活性明显高于春季和冬季，因此有效的杀菌处理是保证系统稳定运行的关键。如果杀菌剂投加不到位，微生物会在系统内滋生，微生物新陈代谢过程中将产生胞外聚合物，加上进水中的有机物，造成膜进水有机物含量过高，导致反渗透有机污堵。
3、清洗方案及效果3.1静态清洗试验
反渗透有机污堵通常采用NaOH、EDTA（乙二胺四乙酸二钠）、表面活性剂SDS（二烷基璜酸钠）等药剂进行清洗。采用NaOH、EDTA和SDS分别在pH=11的条件下进行静态清洗试验，结果如图2所示。
图2不同药剂清洗效果

由图2可知，在pH=11条件下，NaOH、EDTA和SDS3种药剂洗出物质量分别为0.95、1.87、1.42mg/cm2。采用单一碱洗难以去除膜表面黏附的有机污染物；EDTA可络合重金属，在高pH条件下可分解有机物，采用EDAT碱洗对污染物的去除效率为单一碱洗的2倍左右；SDS为表面活性剂，SDS有亲水、亲油2种基团可以吸附有机物使其溶解在清洗液中，SDS碱洗效果为单一碱洗的1.67倍。EDTA碱洗对反渗透膜有机污染的清洗效果最佳。
3.2清洗效果分析
结合反渗透膜片静态清洗试验结果，现场采用EDTA碱洗（pH=11）与盐酸酸洗（pH=2）相结合的清洗方案，采用动态循环与静态浸泡相结合的清洗方式。膜清洗前后反渗透系统运行效果对比如表5所示。
表5膜清洗前后反渗透运行效果对比

清洗后单列反渗透出力由42m3/h恢复到59m3/h，系统回收率由55%恢复到74%，进水压力和段间压差明显降低，清洗效果显著。
4、运行优化措施
4.1提高反渗透进水杀菌效果
电厂在水源取水口加氯，但预处理管线内余氯浓度偏低。根据监测结果，预处理设备进口余氯在0.2～0.3mg/L，小于余氯0.5～1.0mg/L的控制要求。而且余氯采用恒定投加量控制方式，即在水源水质发生变化时，取水口杀菌剂的投加量恒定。水库水在夏季有机物和微生物偏高，由于有机物会耗氯，而且次氯酸钠杀菌效果随温度的升高而降低，导致杀菌效果偏差。建议电厂根据水源水质情况，动态调节次氯酸钠投加量，并在预处理设备进口增设余氯表计，根据余氯实时监测值，调节加药量。
4.2强化混凝澄清处理设备的运行性能
水库水先进净化站进行混凝澄清处理，混凝剂采用聚合氯化铝。电厂运行情况表明，运行人员没有根据进水水量和水质合理投加混凝剂，混凝剂投加混乱，预处理运行效果差。混凝过程对悬浮态和胶态有机物的去除率在90%以上，对溶解性有机物去除率约为30%左右。因此需针对进水水质情况，通过试验确定混凝剂最佳投加量，优化混凝工艺运行参数，提高预处理系统对有机物的去除率。
4.3优化超滤运行参数
超滤设计出力为2×115m3/h，实际运行过程中单列超滤出力在160～175m3/h，高出设计出力40%～50%，膜通量在123～135L/（m2˙h）之间。采用滢格公司生产的dizzer@XL0.9MB60型号超滤膜组件，最高膜通量为120L/（m2˙h）。由此可见，超滤运行通量高出膜组件上限。在偏高的膜通量运行条件下，易造成超滤跨膜压差升高，加速膜污堵并影响出水品质。为确保后续反渗透系统的正常运行，需降低超滤膜出力至设计值。
5结论
（1）根据膜元件分析结果，反渗透膜表面无机结垢现象轻微，有机污堵是造成反渗透膜污堵的主要原因。
（2）通过对电厂运行情况的了解，分析造成膜有机污堵的主要原因为进水有机物含量偏高以及原水杀菌效果差。
（3）采用EDTA碱洗（pH=11）与盐酸酸洗（pH=2）相结合的清洗方案对反渗透系统进行清洗，清洗后回收率恢复到74%，清洗效果显著。
（4）通过采取提高反渗透进水杀菌效果，强化混凝澄清设备的运行性能以及优化超滤运行参数等措施，可提高反渗透系统运行的稳定性。