反渗透预处理系统微生物污染原因分析及处理

Posted 2023-01-12 微生物

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严格的给水预处理是保证反渗透成功运行的前提，而微生物污染则始终是反渗透系统面临的重要风险。微生物污染不只是针对反渗透膜，在前处理系统各环节都可能发生并影响系统运行，防止发生微生物污染是反渗透给水前处理阶段重要工作之一。
1、系统概况
某发电厂采用反渗透膜法技术进行预脱盐，再经二级离子交换除盐制备合格的除盐水，水源水来自水库地表水，反渗透系统预处理采取澄清及多级过滤处理，处理流程如图1所示。

澄清处理使用的絮凝剂为聚合氯化铝，为控制系统中微生物，在澄清池入口加入杀生剂进行杀菌灭藻处理，最初使用杀生剂为二氧化氯，由于二氧化氯发生器运行不稳定，2013年更换为次氯酸钠。反渗透装置共两列，采用一级两段组合模式，单列设计出力150t/h，每列配4台保安过滤器，保安过滤器滤芯使用某进口品牌大流量折叠滤芯，过滤精度5μm。
2、保安过滤器压差异常现象
反渗透系统于2010年投运，运行中对保安过滤器压差进行监测，当保安过滤器进出口压差超过0.3MPa更换过滤器滤芯。系统投运后保安过滤器滤芯正常使用周期在3个月左右，最长可达半年。2013年4月开始经常出现保安过滤器压差异常上升，滤芯使用周期变短的情况：当反渗透系统停运一段时间后再投入运行，或细砂过滤器反洗后再次投入运行，保安过滤器压差会在很短时间内快速上升至超出允许值。2014年春、夏季情况更加严重，滤芯最短使用时间仅两周。期间对活性炭过滤器和细砂过滤器出水污染指数（SDI）进行了监测，均在合格范围，没有发现超标情况，后续反渗透装置一段运行压差相应也有上升，但在允许范围，二段运行压差上升速度没有明显变化。
3、预处理系统微生物污染判断
3.1预处理系统调查
保安过滤器压差升高表明滤芯出现污堵。通常情况下，造成过滤器滤芯污堵的原因不外乎污泥颗粒堵塞和微生物污染。调查预处理系统各设备运行情况，澄清池、空气擦洗滤池均运行正常，滤池出水浊度小于0.5NTU，活性炭过滤器及细砂过滤器出水SDI历史数据均在4～5之间，符合反渗透进水要求，SDI测试膜片上未发现污泥或滤料粉末截留现象，但在细砂过滤器观察孔处观察到滤料表面有绿色黏泥附着物。取出已污堵滤芯检查，有较重腥臭味，滤芯圆筒内侧（进水侧）洁净，外侧（出水侧）有淡黄色斑点，未发现杂物堵塞迹象，系统检查结果初步指向微生物污染。
3.2滤芯污堵物检测
为进一步确定污堵原因，用扫描电镜和能谱仪对污堵滤芯进行了微观检测。将刚取出的污堵滤芯保持湿润状态密封后送至检测机构，检测时剪取折叠过滤膜约3cm×4cm大小，展开后按照过滤膜工艺结构将三层滤膜分开，分别用扫描电镜对各层进水侧放大观测，用能普仪对污堵物质进行元素分析。图2、图3分别为第一层（表层）、第二层放大250倍后的扫描图像。

第一层（表层）为进水层，过滤精度相对最低，从放大图像来看表层过滤纤维间孔隙清晰，附着物极少，基本没有堵塞现象。对其附着物进行元素分析，分析结果显示主要元素为C、O、Si、Al，所占质量分数分别为27.56%、38.52%、25.13%、1.89%。
第二层过滤孔隙较第一层要小，在纤维孔隙间有较多的丝絮状附着物。对丝絮状附着物进行元素检测，结果为C、O、Si、Al所占质量分数分别达57.81%、16.53%、10.21%、2.87%，碳元素占大多数，推断丝絮状附着物主要为有机物。
图4和图5为第三层分别放大250倍和5000倍的扫描图像。

与前两层相比，第三层外观上颜色有变化，呈黄绿色。图像显示第三层过滤孔隙更小，纤维孔隙间丝絮状附着物非常多，基本占据50%以上孔隙空间，附着物形貌特征与第二层类似。对丝絮状附着物元素检测结果为C、O、Si、Al所占质量分数分别达到58.94%、26.92%、5.28%、4.03%，碳元素占大部分。
扫描电镜观测结果表明，滤芯过滤膜内部确实存在异物附着情况，主要发生在过滤膜第二层和第三层，尤以第三层最严重，附着物几乎占据了大半孔隙空间，应是导致过滤器压差高的直接原因。附着物元素分析结果显示碳和氧元素质量分数占70%以上，另有少量硅、铝元素。从元素比例判断，滤芯内部附着物主要是有机物，结合被检滤芯有较浓的腥臭味，出水侧表面呈现黄绿色斑块，可以确认微生物污染是造成滤芯堵塞的主要原因。
保安过滤器滤芯受微生物污染反映了预处理阶段杀菌灭藻处理不够彻底。理论上在预处理系统各环节设备都存在微生物污染风险，细砂过滤器滤料表面出现绿色黏泥表明这一风险确实发生，活性炭过滤器虽未取样检测，但从细砂过滤器污染严重程度来看，发生微生物污染的可能性很大。
4、微生物污染原因分析
微生物几乎在所有地表水都存在，但零星的微生物未形成菌落，并不构成微生物污染的威胁。导致微生物污染发生的因素很多，如水源、温度、季节、处理方式、运行条件等。就该电厂来说，发生微生物污染主要是杀生处理、运行方式、季节因素、系统缺陷几方面综合作用结果。
（1）预处理阶段杀生处理不足。从时间节点来看，微生物污染发生在将杀生剂由二氧化氯更换为次氯酸钠之后，反映出次氯酸钠加药量不足导致杀生不彻底。在消毒性能上，同等加药量条件下次氯酸钠要弱于二氧化氯，电厂在使用次氯酸钠后澄清池出水余氯质量浓度一般在0.1mg/L左右，参考相关行业标准，如生活饮用水卫生标准要求出厂水余氯≥0.3mg/L，循环冷却水处理设计规范要求连续加氯时控制水中余氯含量在0.1～0.5mg/L。要保持澄清池出水在后续滤池、清水池和过滤器内长时间停留期间有持续的杀生力，澄清池出水0.1mg/L余氯量显然是偏低的，随着余氯含量消耗和衰减，水体灭活作用消失，活性生物在合适的环境下再次繁殖聚集。
（2）工艺流程缺陷。由于细砂过滤器和反渗透装置是在活性炭过滤器+离子交换除盐系统基础上另地新增的，导致在反渗透前处理系统流程中活性炭过滤器在细砂过滤器之前。这一反常规流程布置使得清水池出水即使含有足量余氯也会在活性炭过滤环节被去除，杀生剂到达不了细砂过滤器和保安过滤器，活性炭床后的微生物无法被灭杀，长期运行的结果是细砂过滤器内微生物大量聚集，成为保安过滤器和反渗透膜微生物污染的源头。
（3）系统长时间停运助长了微生物污染。受除盐水用量较少限制，反渗透及前处理系统经常停运24h以上，在前处理阶段灭菌不彻底情况下，水流静止状态为水体中微生物聚集繁殖提供了更好的环境，活性炭过滤器、细砂过滤器和保安过滤器易截留污染物的位置在停运期间微生物滋长更为快速。微生物新陈代谢形成生物黏膜，生物黏膜有较强的黏性，几乎不受水流剪切力影响，一旦形成，很难通过反洗、正洗等常规手段集中去除，长期积累形成生物黏泥。保安过滤器过滤精度较高，对微生物滋长造成的通量变化敏感，宏观表现就是滤芯压差短期内快速上升，春、夏季随着水温的持续上升，微生物繁殖速度加快，滤芯堵塞现象表现得更加明显。
5、处理对策及效果
在原因分析基础上，电厂根据系统实际情况制定了反渗透前处理系统微生物污染处理及防控的措施。
（1）首先对空气擦洗滤池到保安过滤器流程段（活性炭过滤器除外）的设备及管线进行全面冲击式杀菌灭藻处理。
（2）对已被污染的细砂过滤器进行化学清洗处理。化学清洗方案包括杀菌、碱洗、反洗等工艺，确保附着的生物黏泥被彻底清除。
（3）提高澄清池出口余氯控制标准为0.5～1.0mg/L，保证后续系统水体杀生力，同时兼顾过高余氯对活性炭负担的增加，控制活性炭过滤器进水余氯含量不超0.3mg/L。
（4）在活性炭过滤器出口增加杀菌剂加药点进行二次杀菌处理，加入次氯酸钠控制后续系统微生物污染。运行过程中控制保安过滤器入口余氯在0.1～0.3mg/L，同时通过控制还原剂加入量保证反渗透膜入口余氯小于0.1mg/L。
（5）减少反渗透系统停运时间，每次停运时间不超过24h，尽量避免停运期间微生物繁殖聚集。
上述处理措施按照实施难易程度分别进行，2015年5月活性炭过滤器出口二次杀菌加药设备改造完成，对细砂过滤器进行高浓度杀菌和清洗处理，之后反渗透前处理系统按照调整后的方式运行，二次杀菌处理持续投运。从改造后的运行情况来看，治理和防控措施取得了良好效果，截止2015年7月15日，保安过滤器滤芯已连续使用超过两个月，过滤器压差仍保持良好状态。
6、结语
严格的给水预处理是保证反渗透成功运行的前提，随着微滤、超滤等精密过滤设备应用越来越多、越来越成熟，胶体和悬浮微粒，以及大分子有机物对反渗透膜的威胁程度已经大为降低，而微生物污染则始终是反渗透系统面临的重要风险。微生物污染不只是针对反渗透膜，在前处理系统各环节都可能发生并影响系统运行，防止发生微生物污染是反渗透给水前处理阶段重要工作之一。由于微生物污染受水源、季节、处理方式、设备条件等多因素影响，对其防控没有统一的标准可供参考，需要运行人员根据实际情况选择合适的处理方式，加强监测，不断总结经验，形成一套适合自己的安全有效的防控方法。