某核電廠RO裝置給水水質(zhì)控制方法

摘 要：根據(jù)反滲透裝置在核電廠中的運行實踐經(jīng)驗，基于保護(hù)反滲透裝置，延長反滲透膜使用壽命，保證核電廠除鹽水水質(zhì)的目的，在全面分析各種影響因素的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的介紹了反滲透裝置給水水質(zhì)控制的措施。

關(guān)鍵詞：反滲透；水質(zhì)控制；方法

1 前言

在核電生產(chǎn)中，反滲透裝置是除鹽水生產(chǎn)流程中最主要的脫鹽設(shè)備。根據(jù)國內(nèi)核電廠歷年來除鹽水生產(chǎn)的運行經(jīng)驗反饋，除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)（SDA）運行出現(xiàn)問題的大部分原因都是來自于反滲透（RO）裝置失效。這主要因為RO裝置的核心部件RO膜組件極易受到污染，一旦出現(xiàn)污染，必須停止反滲透運行并對被污染的膜組件進(jìn)行化學(xué)清洗，嚴(yán)重時甚至需要更換膜組件。頻繁化學(xué)清洗和膜組件更換不僅會影響核電廠的除鹽水產(chǎn)水量和水質(zhì)，較為昂貴的進(jìn)口膜組件更換也會造成核電運營成本的大量增加。所以，必須對RO裝置給水進(jìn)行預(yù)處理，去除原水中的懸浮物、膠體、細(xì)菌、濁度、有機(jī)物等[1]，以盡可能降低膜組件被污染的可能，實現(xiàn)反滲透裝置的設(shè)計性能，延長反滲透膜的使用壽命。

2 RO給水預(yù)處理流程及污染因素分析

2.1 RO給水預(yù)處理流程

該核電廠RO給水預(yù)處理流程如圖1。

這一流程與其他工業(yè)應(yīng)用中RO給水預(yù)處理過程的不同之處在于，核電廠中從原水至炭濾這一過程屬于一個獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)——生水系統(tǒng)（SEA），炭濾之后至RO裝置屬于除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)（SDA）的一部分。

2.2 RO裝置運行要求

根據(jù)該核電廠除鹽水需求，設(shè)計中反滲透脫鹽部分為母管制，兩套RO裝置并聯(lián)運行，每套裝置產(chǎn)水量120m3/h，正常情況下一備一用。每套反滲透裝置采用一級兩段式水處理，設(shè)計回收率≥75%，總脫鹽率≥95%。該裝置運行給水水質(zhì)要求如表1所示。

RO裝置給水最主要的控制參數(shù)就是SDI和ORP，這是因為SDI值綜合表示進(jìn)水中懸浮物和膠體物質(zhì)的濃度和過濾特性，并能表征膜污染程度[2]。ORP值表征進(jìn)水中氯離子含量和無機(jī)物含量。影響SDI和ORP值的因素正是可以引起RO膜污染的主要因素：懸浮物含量、膠體物質(zhì)含量、有機(jī)物和細(xì)菌含量、混凝劑殘留量、易結(jié)垢無機(jī)物含量等[3-4]。

2.3 RO給水來源分析

給水預(yù)處理方式主要取決于原水水質(zhì)。該核電廠中原水來源于地表水，地表水是一種直接受季節(jié)影響的水源，同時具備優(yōu)良的生物生存條件，存在微生物和膠體兩方面高度污染的可能性。根據(jù)2007年到2008年的水質(zhì)報告，原水主要水質(zhì)參數(shù)如表3。由原水水質(zhì)參數(shù)可以看到，全年中各項參數(shù)變化幅度都比較大，而且其中富含微生物和易結(jié)垢無機(jī)物。

根據(jù)該核電廠RO給水預(yù)處理流程設(shè)計，原水經(jīng)過SEA系統(tǒng)處理后，產(chǎn)水符合國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2006），但是實際運行中發(fā)現(xiàn)，原水水質(zhì)變化依然對反滲透給水有一定影響，主要是因為經(jīng)過SEA系統(tǒng)處理后，SEA產(chǎn)水仍隨季節(jié)變化在符合國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)存在較大幅度的波動，如右圖顯示該核電廠中2012年上半年SEA系統(tǒng)產(chǎn)水各參數(shù)變化趨勢。各水質(zhì)參數(shù)的大幅度波動不僅給SDA系統(tǒng)雙濾料過濾器運行造成壓力，而且也容易導(dǎo)致RO裝置給水水質(zhì)波動。

2.4 污染因素分析

2.4.1 余氯的影響

在給水預(yù)處理過程中，原水在混合絮凝階段會采用化學(xué)制氯形成消毒液，以達(dá)到殺滅水中的藻類和微生物的目的。該核電廠RO裝置膜材料采用陶氏公司的高交聯(lián)芳香聚酰胺復(fù)合膜，這種膜對氯含量極為敏感，一般不允許含有余氯。余氯含量超標(biāo)，將引起膜元件的氧化，給RO膜帶來不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)損傷。在實際運行中，還有可能因為加氯量不穩(wěn)，還原劑投加量不當(dāng)，余氯分析偏差等原因，造成膜氧化，使得RO裝置失效。所以在給水預(yù)處理過程中，必須采取措施去除余氯。

2.4.2 易結(jié)垢無機(jī)鹽類影響

RO裝置給水中可能含有一些難溶有機(jī)鹽，如碳酸鈣、硫酸鋇、硫酸鈣、硫酸鍶、氟化鈣和磷酸鈣等。這些難溶無機(jī)鹽類隨著水處理過程的運行，會不斷被濃縮，當(dāng)其含量超過溶解度極限時，就可能在RO膜元件表面沉淀并結(jié)垢，引起RO膜元件的污堵，使RO裝置失效。所以在給水預(yù)處理過程中，必須對一些易結(jié)垢的無機(jī)鹽類進(jìn)行有效處理，降低RO膜元件結(jié)垢風(fēng)險。

2.4.3 膠體和顆粒物質(zhì)影響

RO裝置給水中膠體和顆粒物質(zhì)含量超標(biāo)會對RO裝置造成污堵，這些膠體和顆粒物質(zhì)可能來源于細(xì)菌、粘土、膠體硅、鐵的腐蝕產(chǎn)物、絮凝劑超標(biāo)形成的大尺度絮凝體等。實際運行中，還有可能因為操作不當(dāng)或者使用時間過長從而導(dǎo)致一些膠體和顆粒物質(zhì)進(jìn)入RO裝置，造成RO裝置污堵。污堵會引起脫鹽率和產(chǎn)水量下降，長時間污堵也會造成系統(tǒng)壓降增加損壞RO裝置。

2.4.4 有機(jī)物和微生物影響

所有的原水均含有微生物：即細(xì)菌、藻類、真菌、病毒和其它高等生物，微生物有繁殖能力，在適宜的生存條件下可以形成生物膜。RO裝置給水因為有適宜的溫度、緩慢的水流速度和一些有機(jī)物的存在，極為適合微生物的生長繁殖[5]。一旦微生物在RO膜組件表面形成生物膜就會造成膜表面污染，由于生物膜能保護(hù)微生物受水力的剪切力影響和化學(xué)品的消毒作用，所以一旦出現(xiàn)生物污染并產(chǎn)生生物膜，對膜元件的清洗將非常困難，而且極易再次滋生。同時膜組件生物污染還會造成以下后果：系統(tǒng)壓差迅速增加，產(chǎn)水量下降，脫鹽率降低，膜元件機(jī)械損壞，膜元件生物降解，產(chǎn)品水受到污染等等。因此微生物的防治是RO裝置給水預(yù)處理過程中最主要的任務(wù)。

在地表水中存在的有機(jī)物主要為腐植酸類物質(zhì)，還有少量油脂類。有機(jī)物在膜表面上的吸附會引起膜通量的損失，特別嚴(yán)重的情況下會出現(xiàn)不可逆的通量損失，也會給微生物生長提供有利環(huán)境。所以必須在預(yù)處理部分完全除去有機(jī)物。

3 運行控制措施

3.1 余氯控制

為了有效除去微生物，該核電廠在預(yù)處理過程中采用化學(xué)制氯工藝加氯，具體為投加濃鹽酸和氯酸鈉在二氧化氯發(fā)生器中，反應(yīng)生成的ClO2和Cl2氣體在管道中混合成復(fù)合消毒液投加在混合絮凝沉淀池前，從而達(dá)到滅菌目的。但是為了防止余氯對RO膜元件造成不可逆的化學(xué)損傷，在保安過濾器前加入還原劑亞硫酸氫鈉將余氯還原成對RO膜組件無害的氯離子，從而達(dá)到除氯的目的。余氯控制主要的監(jiān)測參數(shù)是RO裝置給水ORP值，它能夠有效反映去除余氯的效果，ORP值越小越好。同時定期取樣檢測余氯含量，使余氯含量小于0.1mg/L，越小越好。

3.2 結(jié)垢控制

防止RO膜表面結(jié)垢就是控制難溶無機(jī)鹽含量，通常使用的方法主要有加酸溶解、強(qiáng)酸陽樹脂軟化、弱酸陽樹脂脫堿、石灰軟化、預(yù)防性清洗、調(diào)整操作參數(shù)等。在這些方法中，加酸僅對控制碳酸鹽垢有效；強(qiáng)酸樹脂軟化費用高且會造成環(huán)境污染問題；弱酸陽樹脂脫堿處理時將會造成水質(zhì)pH在3.5～6.5內(nèi)變化從而使脫鹽率難以控制；石灰軟化會造成顆粒物質(zhì)增多，所以在該核電廠中采用在保安過濾器前添加阻垢劑P1800為主，根據(jù)設(shè)計參數(shù)定期進(jìn)行預(yù)防性清洗為輔，必要時按照RO裝置運行狀況及時調(diào)整操作參數(shù)相結(jié)合的方式來對RO膜結(jié)垢風(fēng)險進(jìn)行預(yù)處理控制。

3.3 污堵控制

RO裝置膜組件的污堵主要是由于膠體和顆粒物質(zhì)引起的，進(jìn)水淤積指數(shù)（SDI值）是判斷反滲透給水膠體和顆粒污染程度的最好方式。通常，膠體和顆粒物質(zhì)污染預(yù)防手段主要包括：介質(zhì)過濾、氧化-過濾、在線過濾、絮凝-助凝、微濾或超濾、濾芯式過濾等。

該核電廠綜合使用絮凝-助凝、介質(zhì)過濾加濾芯式過濾等方式，實現(xiàn)控制膠體和顆粒物質(zhì)含量的目的。主要流程是在SEA產(chǎn)水進(jìn)入雙濾料過濾器之前，添加絮凝劑，使微小的懸浮物長大以便被過濾器除去。絮凝處理后，給水進(jìn)入填充有石英砂和無煙煤兩種濾料的雙濾料過濾器，這期間可以除去大部分粒徑在2～10μm的物質(zhì)，雙濾料過濾器處理后濁度可以降到1NTU以下。雙濾料過濾器產(chǎn)水進(jìn)入保安過濾器進(jìn)一步去除懸浮物質(zhì)，以保護(hù)高壓泵和膜組件。最終進(jìn)入RO裝置的給水SDI<5，最好的情況是給水SDI<3，越小越好。

3.4 有機(jī)物和微生物污染控制

由于地表水中微生物成分復(fù)雜且含量隨時變化等特點，控制微生物含量的方法有：加氯消毒、沖擊式殺菌處理、周期性消毒、臭氧分解、加入銅鹽、紫外線照射等。在這些方法中，周期性消毒頻繁使用可能會損害膜壽命；臭氧的強(qiáng)氧化性會對設(shè)備造成損壞；銅鹽不僅對RO膜有影響，而且引入易污染的銅離子；紫外線照射僅適用于較為干凈的小型生產(chǎn)系統(tǒng)中。所以綜合以上情況，該核電廠中在反滲透預(yù)處理部分采用加氯消毒以防止微生物的污染，方法是在取水口加氯，并維持20～30分鐘的反應(yīng)時間，讓整個預(yù)處理管線內(nèi)保持0.5～1.0ppm余氯濃度。同時在一些情況下，使用沖擊式殺菌處理方法控制微生物污染。

該核電廠給水預(yù)處理中，通過加入絮凝劑和活性炭過濾相結(jié)合的方式可以有效去除有機(jī)物殘留。

4 結(jié)束語

綜上所述，在核電廠RO裝置實際運行中，不僅要嚴(yán)格遵循操作規(guī)程，預(yù)防錯誤操作和不當(dāng)操作，同時要采取以上對應(yīng)措施對RO裝置給水進(jìn)行有效水質(zhì)控制。良好的給水水質(zhì)是實現(xiàn)RO裝置的優(yōu)良設(shè)計性能，提高反滲透系統(tǒng)效率，實現(xiàn)反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量、回收率、脫鹽率和運行費用的最優(yōu)化，維護(hù)核電廠SDA系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行的必要條件。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：張燕曉，女，中國核電工程有限公司，助理工程師，現(xiàn)從事電廠水化學(xué)技術(shù)監(jiān)督工作。

葉明，男，中國核電工程有限公司，助理工程師，現(xiàn)從事電廠三廢處理工作。

李志勇，男，中國核電工程有限公司，工程師，現(xiàn)從事電廠水化學(xué)技術(shù)監(jiān)督工作。