高凱楠，馮向東,2

(1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 311121)

隨著社會發(fā)展和工業(yè)進(jìn)步，水污染問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了國家的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，我國作為一個水資源嚴(yán)重短缺的國家，加強(qiáng)水污染防治及海水淡化技術(shù)已刻不容緩[1]。反滲透技術(shù)興起于20世紀(jì)60年代，主要原理為在鹽溶液側(cè)施加高于滲透壓的壓力，使鹽溶液中的水分子透過半透膜向淡水側(cè)移動，將水從鹽溶液中分離出來，達(dá)到純化、分離、提取和濃縮的目的。因其工業(yè)化集成應(yīng)用成熟、占地面積小、設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用較低、能耗小、不會增加其他污染源[2]，反滲透技術(shù)在海水和苦咸水淡化、純水和超純水制備、工業(yè)水處理、綜合污水處理、工業(yè)料液處理和濃縮等方面廣泛應(yīng)用[3]。發(fā)電廠作為耗水大戶，在生產(chǎn)過程中需對水進(jìn)行處理凈化，保證水質(zhì)達(dá)到生產(chǎn)工藝要求[4]，我國目前已有72%的電廠在水處理中應(yīng)用反滲透技術(shù)，主要應(yīng)用于鍋爐補(bǔ)給水、循環(huán)冷卻水的回收再利用、鍋爐酸洗廢液處理、綜合廢水處理[5]。

某熱電廠共配備5套一級反滲透裝置，以河水為原水水源，單元制運(yùn)行。超濾產(chǎn)水經(jīng)一級反滲透給水泵后，依次添加阻垢劑、還原劑，再經(jīng)一級反滲透保安過濾器截留大顆粒物質(zhì)及一級反滲透高壓泵加壓后進(jìn)入一級反滲透膜組件，分離出的產(chǎn)水進(jìn)入一級反滲透產(chǎn)水箱。一級反滲透膜元件選用東麗公司芳香聚酰胺膜，型號為TML20D400，膜組件為一級二段。在18 ℃下，單套一級反滲透裝置的額定出水為348 t/h，設(shè)計回收率≥75%，脫鹽率≥96%(3年)。根據(jù)該廠運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)要求，一級反滲透進(jìn)水污染指數(shù)SDI15≤3.0，一段進(jìn)出口壓差<0.3 MPa，當(dāng)反滲透裝置產(chǎn)水量比初始或上次清洗后降低≥10%、段間壓差達(dá)到初始壓差的150%即進(jìn)行化學(xué)清洗。

1 問題及原因分析

1.1 運(yùn)行中存在的問題

正常情況下，一級反滲透的周期制水量在15萬～20萬t，然而，2019年9月，由于預(yù)處理及原水水質(zhì)變化，一級反滲透一段壓差上升速度極快(圖1)，需頻繁進(jìn)行化學(xué)清洗，僅9月期間就已化學(xué)清洗6次(分別是9月4日、9月10日、9月16日、9月20日、9月25日、9月30日)。這導(dǎo)致周期制水量最高不到6萬t，最低只有2.4萬t左右(圖2)，且SDI15普遍較高，最高達(dá)到5.89(圖3)，嚴(yán)重影響制水供熱。

圖1 一級反滲透一段壓差變化Fig.1 Variation of Differential Pressure in Primary RO

圖2 一級反滲透周期制水量變化Fig.2 Variation of Periodic Water Quantity in Primary RO

圖3 一級反滲透SDI15變化Fig.3 Variation of SDI15 in Primary RO

1.2 壓差快速升高的常見原因

以不超過膜廠家建議的給水流量下運(yùn)行時，壓差快速升高通常有以下幾個方面的原因。

(1)膠體污堵。膠體污染的主要來源有兩個：一是進(jìn)水中細(xì)菌、淤泥、膠體硅和鐵的腐蝕物等；二是預(yù)處理時加入的阻垢劑、混凝劑、助凝劑等，如果加藥量不合理，將與進(jìn)水中鐵、鋁、錳等形成膠體，膠體沉積在膜表面會形成膠體污染，通?？梢酝ㄟ^測SDI15進(jìn)行監(jiān)測，SDI15>3.0時，極有可能發(fā)生污堵。膠體污堵表現(xiàn)為運(yùn)行壓力增高、壓差增大、脫鹽率下降、產(chǎn)水量下降。

(2)有機(jī)物污染。主要由有機(jī)物在膜表面的吸附而形成，其中腐植酸、多糖、蛋白質(zhì)等均會導(dǎo)致嚴(yán)重的膜污染，使反滲透膜水通量快速下降、進(jìn)出水壓差增大、運(yùn)行壓力增高、脫鹽率下降，且被有機(jī)物污染后的膜很難被清洗干凈，幾乎不可逆。

(3)微生物污染。聚酰胺膜耐氯性差，因此，反滲透膜進(jìn)水需要加還原劑除余氯。而地表水及淺層地下水中都普遍存在微生物，如果預(yù)處理階段殺生處理不足，反滲透系統(tǒng)陰暗潮濕的環(huán)境、合適的溫度及給水中的營養(yǎng)鹽都極易使微生物滋生，造成污染。微生物污染主要是在膜表面形成微生物黏泥，使膜的透水阻力增大、產(chǎn)水量下降、進(jìn)出水壓差增大，并可能使產(chǎn)品水質(zhì)下降[6-7]。

(4)化學(xué)結(jié)垢。濃水中鹽類沉淀造成的化學(xué)結(jié)垢，主要是沉積碳酸鹽垢，往往是阻垢劑加藥系統(tǒng)不完善、選用的阻垢劑與水質(zhì)不匹配或阻垢劑加藥量不足而導(dǎo)致?；瘜W(xué)結(jié)垢會造成運(yùn)行壓力增高、壓差增大、脫鹽率下降、產(chǎn)水量下降，通常發(fā)生在二段。

(5)機(jī)械性污堵。多是保安過濾器有缺陷造成過濾介質(zhì)、腐蝕碎片及泥土、細(xì)沙等懸浮物和固體顆粒物等泄漏，或反滲透初次投用沖洗不徹底時，膜元件受到堵塞、污染造成，表現(xiàn)為運(yùn)行壓力增高、壓差增大、產(chǎn)水量下降。機(jī)械性污堵基本發(fā)生在一段進(jìn)水側(cè)膜元件的進(jìn)水端，二段一般不會發(fā)生[8-9]。

1.3 原因確認(rèn)

為確認(rèn)壓差上升速度過快的原因，電廠維護(hù)人員將反滲透膜、一級反滲透進(jìn)水母管、一級反滲透保安過濾器出口管與超濾產(chǎn)水母管進(jìn)行檢查。檢查發(fā)現(xiàn)整個膜面存在黃褐色黏稠狀污染物，且進(jìn)水側(cè)污染物較明顯，一級反滲透母管及保安過濾器出口管內(nèi)壁覆蓋一層幾毫米厚的黃色黏稠物，而超濾產(chǎn)水含有次氯酸鈉的管道卻非常干凈。

將一級反滲透膜面污染物收集后進(jìn)行成分分析，如表1所示，有機(jī)物占59.8%，無機(jī)物占40.2%，主要為有機(jī)生物污染。

表1 膜面污染物分析結(jié)果Tab.1 Analysis Results of Pollutants on Membrane Surface

此外，對更換下來的一級反滲透保安過濾器濾芯進(jìn)行取樣化驗(yàn)，用能譜儀進(jìn)行成分分析。如表2所示，濾芯堵塞物黑色物質(zhì)以C、O為主，其中濾芯黑色物質(zhì)區(qū)域2局部含有16.13%的Al，區(qū)域3含有25.92%的Fe。濾芯及濾膜成分以C、O、N為主，其他成分含量較少，Ca、Mg等易造成堵塞的物質(zhì)含量很少，更換時發(fā)現(xiàn)濾芯有腥臭味，因此，一級反滲透保安過濾器濾芯污堵物質(zhì)主要成分為有機(jī)物及微生物。

表2 一級反滲透保安過濾器濾芯取樣分析結(jié)果Tab.2 Analysis Results of Primary RO Security Filter Element

對反滲透膜進(jìn)行化學(xué)清洗的清洗液取樣，發(fā)現(xiàn)堿洗對反滲透膜制水量恢復(fù)起主要作用，且堿洗后的清洗液顏色變?yōu)闇啙岬狞S褐色。

同時，將一級反滲透一段單只膜的6組元件濾水15 min后稱重，進(jìn)水端開始第1～6支膜重分別為20.7、16.9、15.3、15、14.8、15 kg(正常重量為15 kg左右)，且其他單組膜原件均為首支膜超重。因此，初步判斷反滲透壓差高的原因是反滲透膜元件進(jìn)水帶來的有機(jī)物、微生物導(dǎo)致的膜污染。

為進(jìn)一步驗(yàn)證是否為微生物污染，在超濾進(jìn)口、出口、水箱及一級反滲透保安過濾器進(jìn)口取水樣進(jìn)行菌落總數(shù)培養(yǎng)檢測。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)超濾進(jìn)出口及水箱菌落總數(shù)均未檢出，一級反滲透保安過濾器進(jìn)口菌落總數(shù)達(dá)到2 000 CFU/mL，因此，超濾水箱出口至一級反滲透保安過濾器進(jìn)口段受到細(xì)菌污染。

反滲透進(jìn)水pH值一般在7.3～8.8，為充分去除余氯，還原劑添加量嚴(yán)格按照ORP<350 mV的控制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，翻查歷史數(shù)據(jù)，ORP最小為200 mV，不存在因還原劑投加過量導(dǎo)致的污堵。由于一級反滲透加還原劑點(diǎn)位于一級反滲透給水泵出口處，分析認(rèn)為壓差高主要是由于還原劑加藥點(diǎn)過于靠前，加藥點(diǎn)后余氯被還原，系統(tǒng)重新被微生物污染，加之反滲透進(jìn)水溫度適合微生物生長，長時間運(yùn)行后微生物大量繁殖，導(dǎo)致還原劑加藥點(diǎn)后的一級反滲透母管、保安過濾器及膜元件受到較為嚴(yán)重的微生物污染，進(jìn)而造成一級反滲透系統(tǒng)膜運(yùn)行壓差升高。

2 應(yīng)對措施及實(shí)施后運(yùn)行效果

2.1 技術(shù)措施

鑒于以上檢查結(jié)果及原因分析，制定并采取了如下處理措施。

(1)運(yùn)行人員將超濾水箱的余氯加至2.5 mg/L以上，將含有高濃度次氯酸鈉的超濾水通入一級反滲透母管中沖洗母管，沖洗水從保安過濾器后部管道法蘭斷開處排出，持續(xù)一周。

(2)將一級反滲透母管還原劑加藥點(diǎn)后移至單臺保安過濾器進(jìn)口壓力表處，使一級反滲透母管內(nèi)的水帶有次氯酸鈉。缺點(diǎn)是會導(dǎo)致次氯酸鈉與還原劑的反應(yīng)時間大大縮短，可能使一級反滲透進(jìn)水帶有余氯。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)分析，為保險起見，為每套一級反滲透膜組件前1 m處單獨(dú)加設(shè)進(jìn)水ORP表，還原劑添加量按新增ORP測點(diǎn)的ORP<350 mV控制執(zhí)行，此時進(jìn)水次氯酸鈉與還原劑已充分反應(yīng)，確保反滲透進(jìn)水余氯在進(jìn)膜組件前已降至規(guī)定值0.1 mg/L以下。同時，原還原劑加藥泵出口設(shè)置可以切換加藥至母管及分管的加藥管道，在一級反滲透保安過濾器前增設(shè)加藥點(diǎn)。

2.2 運(yùn)行效果

管路增設(shè)完畢后，每個白班定時將還原劑加藥點(diǎn)后移至保安過濾器前，對母管進(jìn)行殺菌。經(jīng)過幾次殺菌沖洗后對一級反滲透母管進(jìn)行再次檢查，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)污染物大量減少，管道內(nèi)壁清晰可見，進(jìn)水SDI15也日漸下降，SDI膜片上的絮狀物不復(fù)存在?；瘜W(xué)清洗頻率在改善措施實(shí)施后大幅度降低，2019年10月1日—2020年1月9日僅化學(xué)清洗7次(分別為2019年10月8日、10月22日、11月9日、11月26日、12月9日、12月18日、2020年1月9日)。對比圖1～圖3，一級反滲透的SDI15降低效果顯著，普遍小于1，最高僅1.58(圖4)，一段壓差上升速度明顯降低(圖5)，周期制水量大幅度增加(圖6)，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益，因此，該一級反滲透系統(tǒng)已恢復(fù)至正常使用狀態(tài)。

圖4 處理后一級反滲透SDI15Fig.4 SDI15 of Primary RO after Treatment

圖5 處理后一級反滲透一段運(yùn)行壓差Fig.5 Operation Differential Pressure of Primary RO after Treatment

圖6 處理后一級反滲透周期制水量Fig.6 Periodic Water Quantity of Primary RO after Treatment

3 結(jié)論

在還原劑加藥后，一級反滲透進(jìn)水余氯會被還原，若加藥點(diǎn)設(shè)置過于靠前，后續(xù)系統(tǒng)容易重新被微生物污染。由于反滲透進(jìn)水溫度適于微生物生長，長時間運(yùn)行后微生物容易大量繁殖，導(dǎo)致還原劑加藥點(diǎn)后的運(yùn)行系統(tǒng)受到嚴(yán)重的微生物污染，進(jìn)而造成一級反滲透系統(tǒng)膜運(yùn)行壓差升高。因此，在運(yùn)行過程中，運(yùn)行人員需要加強(qiáng)對運(yùn)行中的反滲透壓差變化及進(jìn)水SDI15的監(jiān)測，及時調(diào)整運(yùn)行工況，減少膜污染情況的發(fā)生。同時，在反滲透設(shè)備安裝調(diào)試過程中，應(yīng)考慮到加藥點(diǎn)位置對水質(zhì)的影響，合理設(shè)立加藥點(diǎn)，保證反滲透設(shè)備的良好使用價值。