海水淡化反滲透膜化學清洗技術淺析

楊勝全

(廣東惠州平海發電廠有限公司，廣州惠州 516300)

反滲透膜分離技術作為一種新型的高效分離、濃縮、提純及凈化技術，近年來發展十分迅速，目前已廣范應用于純水制備、海水除鹽等領域［1-3］。反滲透膜是反滲透系統中的關鍵元件。在實際應用過程中，由于進水中雜質的帶入，膜元件會遭受不同程度的污染［4］，導致系統進、出口壓差增大，產水量減少，脫鹽率下降，影響反滲透系統的正常高效運行。因此，在發生上述現象后，需對反滲透膜組元件進行有效清洗，最大限度地恢復被污染膜的性能，使反滲透系統能持久、安全、穩定、經濟地運行［5，6］。可以說，膜清洗工藝決定著海水淡化反滲透設備的運行效率，必須予以足夠重視。本文首先討論了海水淡化反滲透膜化學清洗的必要性，之后詳細分析了反滲透膜清洗條件、清洗方案、清洗效果評價及注意事項等清洗工藝，最后介紹了惠州平海電廠的反滲透系統清洗過程，擬為沿海電廠反滲透設備的化學清洗提供借鑒參考。

1 反滲透膜分離技術

反滲透實際上是一種“逆滲透”過程，即在濃溶液一側施加一個大于滲透壓的壓力時，溶劑將從濃溶液向稀溶液一側流動［7］。反滲透裝置就是利用這一原理，以高壓泵將待處理水(如海水)增壓，借助半透膜的選擇性來去除水中鹽類雜質，從而獲得高質量的純水。

廣東惠州平海發電廠用反滲透海水淡化技術來制取全廠生產用水。淡化系統包括:海水預處理混凝澄清池、超濾系統、反滲透系統以及所有必需的輔助系統等，主要工藝流程如圖1所示。

圖1 海水淡化系統流程圖Fig．1 Seawater Desalination System

為盡可能地減少膜表面雜質沉積、降低膜污染以及保護膜材質不被氧化，反滲透對進水有著嚴格的要求。主要控制指標如表1所示。

表1 水質控制標準Tab．1 Water Quality Control Standards

2 海水淡化反滲透膜清洗

為保證反滲透膜系統安全穩定運行，需在進水中加入一定濃度劑量的阻垢劑和還原劑藥品，以緩解反滲透膜的結垢堵塞和氧化損壞［8］。盡管如此，隨著運行周期加長及高含鹽海水的沖刷，膜表面依然會逐漸堵塞、結垢，表現為膜端壓差升高、產水流量下降、產水含鹽量逐漸升高。水中雜質在反滲透組件中的沉積位置如圖2所示［9］。

圖2 反滲透膜中污染物分布Fig．2 Distribution of Pollutants in the Reverse Osmosis Membrane

2．1 清洗條件

在發生上述現象時，為了反滲透系統安全運行和恢復反滲透膜脫鹽性能，需要對反滲透膜進行必要的化學清洗。

當反滲透系統(或裝置)出現以下癥狀時，需要進行化學清洗或物理沖洗:

(1)在正常給水壓力下，產水量較正常值下降10%～15%;

(2)為維持正常的產水量，經溫度校正后的給水壓力增加10%～15%;

(3)產水水質降低10% ～15%，透鹽率增加10%～15%;

(4)系統各段之間壓差明顯增加。

2．2 物理沖洗

物理沖洗(清洗)是不改變污染物性質，以機械性的沖刷清除膜元件中的污染物，從而一定程度上恢復膜元件性能;即通過低壓力、高流速的進水沖刷膜元件，將短時間內在膜表面附著的污染物清洗掉［10］，其作用機理如圖3所示。

圖3 膜物理沖洗示意圖Fig．3 Schematic Diagram of Membrane Physical Flush

影響物理沖洗效果的因素主要有:

(1)沖洗流速

裝置運行時，附著性強的顆粒狀污染物逐漸堆積在膜表面。若沖洗流速與運行流速相等或更低，則很難把這些污染物從膜元件中沖洗出來。因此，沖洗時應使用比正常運行時更高的流速(一般可考慮為正常運行流速的1．2倍)。

(2)沖洗壓力

反滲透裝置運行時，壓力直接垂直作用于膜面，使進水透過膜面得到產水，同時污染物也被壓向膜面。所以在沖洗時，如果采用同樣的高壓，則污染物被積壓在膜表面，沖洗的效果就會降低。因此，沖洗時盡可能地通過低壓、高流速的方式，增加水平方向的剪斷力把污染物沖出膜元件。沖洗壓力一般建議控制在3．5 bar以下。如果在3．5 bar以下，很難達到流量要求時，應盡可能控制進水壓力，以不出產水為標準。

(3)沖洗頻率

條件允許的情況下，建議經常對系統進行物理沖洗。增加沖洗的次數比延長1次清洗的時間更為有效。一般沖洗頻率為1天1次以上。

2．3 化學清洗

當膜運行較長時間后，污染物在反滲透膜表面大量沉積;此時，物理沖洗很難恢復膜性能，則需要采用化學清洗操作。化學清洗是使用相應的化學藥劑，改變污染物的組成或屬性，使其排出膜元件，從而恢復膜元件的性能［6，11］。

2．3．1 藥品的選擇與使用

選擇適宜的化學清洗藥劑及合理的清洗方案涉及許多因素。首先要與設備制造商、反滲透膜元件廠商或反滲透特用化學藥劑及服務人員取得聯系。確定主要的污染物，選擇合適的化學清洗藥劑。特殊情況下可針對具體情況，從反滲透裝置取出已發生污染的單支膜元件進行測試和清洗試驗，以確定合適的化學藥劑和清洗方案。

為達到最佳的清洗效果，可使用多種化學清洗藥劑進行組合清洗。典型程序是先進行低pH清洗，去除礦物質污染物，然后再進行高pH清洗，去除有機物。有些情形下，是先進行高pH清洗，去除油類或有機污染物，再進行低pH清洗。有些清洗溶液中加入了洗滌劑以幫助去除生物和有機碎片垢物，同時可用其他藥劑如EDTA(乙二氨四乙酸)等螯合劑來輔助去除膠體、有機物、微生物及硫酸鹽垢［12］。需要慎重考慮的是，如果選擇了不適當的化學清洗方法和藥劑，反滲透膜的污染情況可能會更加惡化。

2．3．2 清洗用水的水質

清洗用水用于溶解酸和堿等藥品，建議使用含鹽量較低的反滲透系統的產水;如果沒有反滲透系統產水時，所使用的水必須是不含硬度、游離氯及鐵離子的離子交換水或蒸餾水。

2．3．3 化學清洗過程

結合同類電廠海水反滲透設備清洗經驗，可將反滲透膜化學清洗過程歸納如下:

(1)用泵將干凈、無游離氯的反滲透產品水(或相應水源)從清洗水箱打入壓力容器中并排放幾分鐘;或用反滲透沖洗水泵對反滲透系統進行低壓沖洗3～5 min。

(2)在反滲透清洗水箱中配制指定的清洗溶液。配制用水必須是去除硬度、不含過渡金屬和余氯的反滲透產品水或去離子水，清洗液的溫度和pH應調到所要求的值。

(3)將清洗液在壓力容器中循環清洗一定時間(30～60 min)。在初始階段，清洗液返回至反滲透清洗水箱之前，應將最初的回流液排放掉，以免系統內滯留的水稀釋清洗溶液。在化學藥劑與反滲透裝置接觸后，裝置內的污染物在化學反應的作用下會被大量沖出，為了避免污染清洗液，這些清洗液也應該被排放掉，直至清洗液顏色轉淡再進入循環清洗。

(4)停反滲透清洗水泵，讓膜元件完全浸泡在清洗液中。為了維持浸泡溫度，也可采用很低的循環流量。另外，也可根據需要交替采用循環清洗和浸泡程序。浸泡時間可根據制造商的建議選擇1～8 h。在整個清洗過程中要謹慎地保持合適的溫度和pH。

(5)清洗完成以后，排凈清洗水箱并進行膜組系統沖洗，然后向清洗水箱中充滿干凈的產品水以備下一步沖洗;該過程需時5～15 min。

(6)在沖洗反滲透系統后，在產品水排放閥打開狀態下運行反滲透系統，直到產品水清潔、無泡沫或無清洗劑;該過程通常需15～30 min。

2．4 清洗效果評估

反滲透系統清洗效果評價是以初期投運時參數為依據的。以清洗前后相同回收率、溫度、進水pH及原水水質條件下的系統運行參數，作為清洗調試后的評價指標條件。

(1)反滲透膜通量(單位時間內單位膜面積上的流體量)的恢復，即相同的回收率、相同水溫、相同進水pH值及原水水質條件時，清洗前后反滲透系統產水流量恢復情況。

(2)反滲透膜的污染阻力的減少，主要表征為反滲透系統運行時進水壓力與濃水壓力的差值(膜組運行壓差)是否減小并恢復至系統清洗調試后的規定指標。

(3)反滲透脫鹽率，主要表征為反滲透產水電導率是否降低并恢復至系統清洗調試后的規定指標。

3 平海電廠反滲透膜化學清洗技術改進

3．1 化學清洗優化建議

(1)為提高反滲透膜清洗質量，保證海水淡化反滲透系統的安全、穩定、經濟運行，本廠首先通過對原水(海水)水質分析以及對反滲透保安過濾器截留雜質的檢查分析，并與設備制造商、反滲透膜元件廠商、反滲透專業化學清洗廠家咨詢協商，確定了專用的反滲透膜化學清洗非氧化性殺菌藥劑;清洗方案選定為“酸洗循環→堿洗循環→專用非氧化性殺菌劑清洗循環→酸洗循環→清水沖洗”，最終可使得清洗周期延長、清洗質量大大提高。

(2)清洗時對循環時間及pH調節進行反復試驗和嚴格控制。在清洗過程中，污染物會消耗清洗藥品，pH會因此發生變化，同時藥品的清洗效力會降低。因此，化學清洗時需隨時監測pH的變化，及時調節pH。一般測定pH偏離設定0．5以上時，即再進行化學藥品添加。在進行非氧化性殺菌劑清洗循環時通過加酸調節維持弱酸pH條件，以幫助去除嚴重的生物和有機碎片垢物。

(3)為達到最佳的清洗效果，控制清洗液溫度在35℃左右，當污染物難以去除時，延長循環和浸泡時間會起到很好的作用。采用多種清洗液進行組合清洗會更為有效，因為污染物可能由各種不同類型的物質組成。這就需要采用不同的清洗液和/或延長清洗循環以增強清洗效果。

(4)在清洗循環過程中，清洗循環時間和清洗流量也必須控制，在每一個循環過程中，采用“循環5 min+浸泡30 min”的方式持續循環3～4 h，循環清洗液流量維持在450～520 m3/h，即單支膜的清洗進口流量為5．5 ～9．1 m3/h。

(5)物理清洗與化學清洗是系統清洗最常用的兩種方法，而通過清洗恢復膜元件性能才是清洗的真正目的，因此在清洗過程中不應該將物理與化學手段硬性劃分，而是應該將兩種方法有機結合起來。在嚴重堵塞時，需要通過一些物理手段來強化化學清洗效果。

3．2 反滲透裝置的日常維護保養

(1)反滲透裝置短期停機(不超出三天)時，每天必須用干凈、無游離氯的反滲透產品水沖洗反滲透系統30 min以上并使膜組內充滿干凈水。

(2)當由復合膜組成的反滲透系統擬暫停利用達一周以上時，系統應以1%的NaHSO3溶液持續浸泡，以避免細菌在膜面繁衍。

(3)正常運行期間做好反滲透前處理運行監督及調整工作，保證海水預處理出水指標合格，反滲透進水水質:SDI＜3;NTU ＜0．2。

(4)做好設備系統操作及設備養護工作，控制反滲透進口ORP＜450 mV，注意運行監視反滲透進口加藥情況，保證反滲透進口阻垢劑、還原劑加藥正常，加藥量適當。

4 結果與討論

反滲透膜的化學清洗是反滲透系統運行維護中的一個重要環節，其清洗效果直接影響反滲透膜的使用性能及使用壽命。正常的化學清洗周期為3～6個月一次，如果在一個月以內清洗一次以上，則需要對反滲透化學清洗方案進行進一步的優化和改善，同時也需要特別注意反滲透預處理的運行監督調整，如果沒有做好預處理工作，膜系統的安全、穩定、經濟運行也將難以實現。

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