海水淡化系統中微濾膜的污染和清洗

趙國萍，呂海烽，曾杭成

（浙江東發環保工程有限公司，浙江 杭州 311203）

浙江擁有綿長的海岸線，可利用的海水資源極為豐富。作為用水大戶的火力發電廠，也積極探索通過海水淡化來解決自身用水難題［1］。浙江沿海某電廠，采用海水淡化技術制取全廠工業用水和生活用水。海水淡化采用微濾加兩級反滲透的全膜法處理工藝，微濾選用進口PVDF膜元件，總制水能力8×250m3/h。該系統自2007年10月投入運行。

1 原水水質

系統原水為樂清灣海水，水質隨每日潮汐和四季相應變化，水質情況如表1所示。

表1 海水水質表Tab.1 Quality of Seawater

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2 微濾系統設計

微濾裝置運行為全自動運行方式，包括過濾產水、空氣擦洗、清水反沖洗、維護性清洗、恢復性清洗、膜完整性檢測等操作過程。微濾膜選用旭化成UNA－620A微濾膜，其主要技術參數如表2所示。

表2 微濾膜主要技術參數Tab.2 Technical Parameters of Microfiltration Membrane

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海水預處理采用反應沉淀池工藝，在反應沉淀池進水加入絮凝劑三氯化鐵，海水原水池中加入電解濃海水制取的殺菌劑次氯酸鈉。維持進水溫度在20～25℃，余氯為0.2～0.5mg/L。反應沉淀池出水濁度在20 NTU以下。出水經130μm自清洗過濾器后，進入微濾系統。微濾系統流程如圖1所示。

圖1 微濾系統工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Micro－filtration System

3 微濾污染分析

3.1 微濾污染物的形成

微濾系統投運初期，工況較好，跨膜壓差在40 kPa以下，產水濁度小于0.2 NTU。隨著運行時間的累積，可以觀察到每支微濾膜下端的透明短管內壁上粘附了一層黃色污垢，隨著產水量的增加，其顏色不斷地加深，漸漸地變為深褐色甚至黑色。隨著污染物在膜表面的沉積，設備進水壓力上升，跨膜壓差逐漸升高到接近100 kPa。

3.2 微濾膜污染原因分析

微濾主要用于截留進水中的高分子有機物、懸浮物、膠體等物質［2］，微濾膜污染是由于膜表面形成附著層和膜孔通道發生了堵塞而引起的。膜表面的附著層可能是水溶性高分子的吸附層和料液中懸浮物在膜表面上堆積起來的濾餅層［3］。

目前的預處理系統投加三氯化鐵絮凝劑，由于每天不同時段的進水水量和進水水質的波動很大，難以控制絮凝劑的投加量，因此各種未沉降的物質和沒有反應完全的絮凝劑會隨水流進入微濾系統，從而沉積在微濾系統的管道和膜絲通道中。在微濾裝置進水透明管上可以看到明顯的污垢累積，拆下透明短管，可以觀察到整個內壁被深褐色污染物附著，污染物質無異味，基本沒有微生物污染產生的黏液現象。微濾膜的清洗方法較多，在清洗方案選擇前對污染物進行小試確定［4］，現場拆下帶污染物透明管放入燒杯，加入0.1%濃度的鹽酸溶液進行浸泡，污垢逐步破碎、溶解，并有大量氣泡冒出。浸泡15min后，浸泡液明顯變為淺黃色，然后用清水將其沖凈，觀察透明管污垢基本清除，初步判斷為無機鹽垢。

4 微濾清洗

在正常的操作過程中，微濾元件內的膜片會受到無機鹽、微生物、膠體顆粒和不溶性有機物的污染。操作過程中這些污染物沉積在膜表面，導致標準化產水量和運行壓差的變化，通過正常的反洗和維護性清洗無法有效恢復。當出現這些情況時，需要清洗微濾膜元件。

4.1 清洗方案

微濾膜的清洗方法有很多，通常分為物理清洗、化學清洗、生物清洗，常見的有機械反洗、氣水聯合反沖洗、化學加強反洗(CEB)、化學維護性清洗(EFM)、化學清洗(CIP)，比較先進的還有超聲波清洗、電場清洗、酶清洗等［5］。

該電廠海水淡化系統微濾膜設計有三種清洗方法:(1)每30min進行一次氣水聯合反沖洗；(2)每天采用一定濃度的NaClO進行一次維護性清洗；(3)當透膜壓差超過100 kPa，進行化學清洗。

根據不同的污染情況選用不同的清洗措施，化學清洗時應根據污染物的性質以及膜本身的性質來選擇合適的清洗液配方。選擇清洗液的時候，既要考慮到能夠去除膜污染物，同時又不至于給膜帶來腐蝕作用。該海水淡化系統以無機鹽垢為主的污染，根據廠家的技術手冊，選用2%檸檬酸進行酸洗，輔以2000mg/L NaClO+1%NaOH進行堿洗。

4.2 清洗效果

通常條件下，每套微濾膜運行30min進行一次反洗步驟，反洗使用清水反洗和空氣擦洗同步進行，反洗水量380m3/h，反洗氣量為0.8m3/min，反洗歷時約5min。反洗/氣洗結束后，系統緊跟著進行一次正向沖洗，反洗后進水透明管上深褐色的污垢沒有明顯的溶解或脫落。觀察微濾裝置的運行數據可以發現反洗后產水量略有上升，跨膜壓差也有一定程度的下降，由此可知氣水聯合反洗對于超濾膜性能恢復有一定作用，但隨著污染程度的加劇，性能恢復的效果逐漸降低。通過現場對比試驗還發現，減少反洗間隔時間、加大反洗流量、延長反洗時間可以提升氣水聯合反洗的效果，但同時也會降低微濾裝置的回收率，經濟性較差。

微濾膜每運行24h進行一次1～2h的維護性清洗，采用NaClO溶液進行循環清洗。2009年3月以前使用400～500mg/L濃度的清洗液，3月以后使用900mg/L濃度的清洗液，循環清洗時配合了空氣擦洗措施。維護性清洗后在同一個產水量的條件下，低濃度時透膜壓差并沒有明顯下降，加大濃度后產水流量略有增加，清洗效果不明顯。采用不同濃度次氯酸鈉維護性清洗前后單支膜標準化產水量(按照100 kPa和25℃作為測試標準下的產水量)對比如圖2所示。

圖2 維護性清洗前后標準產水量變化Fig.2 Changes before and after EFM

微濾化學清洗采用先堿洗后酸洗的清洗方式，清洗流量為75m3/h。堿洗使用1%的液堿和2000mg/L NaClO混合溶液循環120min，然后浸泡120min。酸洗使用2%的檸檬酸循環80min，最后使用清水對整個微濾系統進行沖洗。以現場的4#、6#微濾為例，清洗前后的數據對比如表3所示。

表3 化學清洗前后性能恢復情況Tab.3 Changes before and after CIP

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通過以上不同清洗方法可知，隨著產水量的累計增加，膜的污堵逐步加深，膜的產水通量不斷下降。日常的氣水聯合反沖洗和維護性堿洗，能在一定程度上減緩膜的污堵，但對各類污染的恢復效果有限。采取化學清洗措施能有效地對膜元件內部的污垢進行徹底的清除，清洗后膜的使用性能可以恢復到最佳產水狀態。在清洗過程中發現，微濾膜的透明短管原有深褐色的污垢，在堿洗循環和浸泡后并沒有出現溶解或是剝離現象，而只有經過酸洗后才逐漸溶解脫落，隨清洗液被排放。可見，這種深褐色的污垢其主要成分是無機鹽類。因此，對于海水淡化微濾系統來說，控制無機鹽在膜絲內的沉積量、對微濾膜進行定期的清洗和選擇有效的酸洗方法是降低膜的透膜壓差，恢復膜通量最有效的措施之一。

5 結論

(1)在海水原水中有效投加殺菌劑的情況下，微濾膜系統能有效減緩有機物和微生物的污染。日常的氣水反洗和次氯酸鈉維護性清洗，能在一定程度上減緩微濾膜的污堵，有效防止有機物滋生。

(2)在采用反應沉淀池工藝對海水進行預處理的情況下，會產生過量投加絮凝劑發生的后絮凝現象。微濾系統維護性清洗采用堿洗效果有限，在幾個堿洗周期之后進行維護性酸洗，可以確保及時定期地對附著在微濾膜絲內部的無機鹽進行溶解和去除。

(3)海水淡化系統微濾膜主要污染物為無機鹽垢，采用2%質量濃度的檸檬酸進行化學清洗，可以更加充分溶解無機鹽類。在清洗結束時由現在設定的一次性清水沖洗改為至少兩次淡水沖洗，在清洗后投入運行前采取清水反洗配合空氣擦洗措施，以保證膜絲內的污染物得到更徹底的去除。

［1］王世昌.人類需要海水淡化技術［J］.國際學術動態，1997，1(1):13－14.

［2］王華成，呂錫武.微污染水源飲用水處理研究進展［J］.凈水技術，2005，24(1):30－32，39.

［3］劉忠洲，續曙光，李鎖定.微濾、超濾過程中的膜污染與清洗［J］.水處理技術，1997，23(4):187－193.

［4］韓曉寶.微濾膜的污染與清洗保養［J］.山西電力，2008，2(1):22－24.

［5］張博豐，馬世虎.超/微濾膜的膜污染與膜清洗研究［J］.供水技術，2009，12(6):14－16.