超濾膜污堵原因分析及防治措施

馬知敬，宋英豪，張占梅，劉秀娟

1.神華國能集團有限公司，新疆 烏魯木齊 831400

2.重慶遠達水務有限公司，重慶 400060

3.重慶交通大學海河學院，重慶 400074

超濾是指在外界推動力(壓力)作用下截留水中膠體顆粒和分子量相對較高的物質，而水、無機鹽及小分子物質透過膜的分離過程。隨著膜法水處理技術的不斷進步，超濾在電廠鍋爐補給水處理中應用越來越廣泛［1-3］。

神華國能集團有限公司新疆米東熱電廠采用亞臨界循環流化床燃煤發電機組，裝機容量為2 ×300 MW。該工程配套鍋爐補給水系統為雙介質過濾器→保安過濾器→超濾裝置→精密過濾器→反滲透裝置→離子交換系統。該系統8 組超濾裝置采用科氏V1072 -35 -PMC 超濾膜，結構為內壓式中空纖維膜組件，運行方式為單通錯流過濾。

1 超濾裝置運行情況

米東熱電廠鍋爐補給水系統水源采用當地污水處理廠中水。在以往運行期間，夏季水源全部使用中水，使用設計運行工況基本可達到運行要求。冬季，機組供熱期熱網補充淡水量增加，使得包括反滲透在內的預脫鹽系統處理水量增大，運行期間超濾膜污堵現象嚴重，跨膜壓差迅速達到設定值0.1 MPa，進水流量只能維持在約40 m3/h，這是因為膜污堵會引起過濾阻力不斷增加，造成膜過濾通量嚴重衰減，產水不足，致使鍋爐補給水系統運行困難，嚴重影響機組正常運行及供熱安全［4］。因此根據實際生產情況，為滿足系統安全、穩定、高效運行的要求，確定冬季該水源能否作為鍋爐補給水源。

以冬季米東熱電廠超濾設備的運行情況為研究對象，通過對城市中水水質特性分析及超濾加強反洗后的污堵物的能譜分析，判斷并確定超濾膜污堵的原因，提出防治措施，以保障鍋爐補給水系統采用城市中水運行時，超濾裝置能夠滿足制水要求。

2 超濾膜污堵原因

2.1 城市中水水質

超濾膜的污染與進水水質有直接的關系［5-6］，超濾膜污染物因進水水質的不同而各異，但大致可分為膠體污染、有機物污染、微生物污染［7］，因此嚴格控制進水水質是超濾膜穩定運行的關鍵。米東熱電廠鍋爐補給水系統水源采用當地污水處理廠中水，污水廠的主體處理工藝為硝化生物濾池+反硝化生物濾池，進水通過污水提升泵提升進入硝化、反硝化生物濾池，經過沉淀池和UV 消毒池，出水進入清水池。中水水質見表1。

表1 中水水質及系統設計進水水質Table 1 The water quality of reclaimed water and designed influent quality of the system

通過鍋爐補給水系統進水中水水質和設計水質對比(表1)，發現中水水質明顯劣于設計水質，其中，CODCr、BOD5、氨氮3 個指標嚴重超標，懸浮物、濁度、硬度輕微超標。水質超標的主要原因:1)污水處理廠投入運行時間較短，設備運行沒有達到最佳狀態，出水水質不穩定;2)北方冬季氣溫較低，污水廠設備低溫進水對CODCr、氨氮等的去除率大大降低，導致污水廠出水水質不理想。

通過水質對比，分析認為造成超濾膜污堵的主要原因:1)城市中水進入鍋爐補給水系統，通過生水加熱器使水溫升高(穩定在(26 ±4)℃)，提供了適宜微生物生長的溫度環境;2)超濾實際進水CODCr、BOD5、氨氮指標超標，加重污堵，同時為微生物的繁殖和生長提供了有利的營養條件，易造成微生物大量滋生，微生物被截留在超濾膜表面形成生物黏泥，造成二次污染。

2.2 超濾膜污堵物

2.2.1 物理性質

試驗期間，取超濾裝置加強反洗的清洗水樣進行分析，發現水樣中含有橙黃色透明絮狀物，將水樣在105 ℃下脫水分離得到固體污堵物粉末，污堵物粉末呈黃褐色，有臭味。水樣及污堵物外觀如圖1 所示。

圖1 超濾加強反洗水樣及污堵物外觀Fig.1 The appearance of the water sample and the fouling matter from the CEB

2.2.2 灼燒減重試驗

取4 組超濾加強反洗水樣脫水分離后的污堵物在馬弗爐中升溫至600 ℃，恒溫6 ～8 h，對污堵物進行灼燒減重，污堵物中有機質比例見表2。由表2可見，有機質占總污堵物的39.29% ～41.73%，污堵物成分中有機質比例較高，初步判斷造成膜污堵的主要原因為有機質污堵。

表2 超濾加強反洗污堵物灼燒減重結果Table 2 The results of loss on ignition about the fouling matter from the CEB

2.2.3 能譜分析

取超濾加強反洗污堵物進行能譜分析，結果見圖2，各元素質量比見表3。

圖2 超濾加強反洗污堵物能譜Fig.2 The energy spectrum diagram of the fouling matter

表3 超濾加強反洗污堵物中各元素所占質量比Table 3 Mass ratio of element in the fouling matter

由圖2 和表3 可以看出，超濾加強反洗污堵物中主要成分為C、O 元素，約占70%，說明污堵物中有機物所占比例最高。來水中CODCr超標為主要原因之一，另外，水源中營養物質較為豐富，微生物被超濾膜截留，在營養豐富的環境下迅速繁殖，形成生物黏泥，同時與被截留下來的懸浮顆粒物、大分子聚合物等結合形成凝膠混合體，不斷累積形成透水性較差的厚污堵層，甚至造成中空纖維內腔完全堵塞［8-9］。

污堵物中的次要成分為Ca、Fe 元素，表明污堵物中除有機物外，還含有小部分鈣鐵離子形成的膠體化合物。Ca 元素所占比例為12.36%，反映出中水水質硬度較高，推斷污堵物為CaCO3，其成因為膜表面污染，大量膜孔被覆蓋，使進水中的Ca2+和長時間相互作用，在膜表面污染層上結垢，形成了以CaCO3晶體為主的污染層。Fe 元素所占比例為6.59%，Fe 元素偏多是污堵物呈黃褐色的重要原因。鐵是水中常見的物質，管道或水箱出現腐蝕是造成膠體鐵形成的原因，水溶性Fe2+被氧化成不溶性Fe3+，以Fe3+化合物或Fe(OH)3膠體的形式存在，這些沉淀物會逐漸在超濾膜表面附著，堵塞產水通道［10］。

3 防治措施

3.1 運行工況調整

通過對水源水質和污堵物的分析，得出水源水質超標是超濾膜污堵的根本原因，水源水質不同，采用的運行工況也就不同，冬季污水廠受低溫影響，出水水質劣于夏季。因此，有必要對鍋爐補給水的運行工況進行調整，以改善冬季水質變差造成無法達到運行要求的情況。

作為精密過濾裝置的超濾膜元件，在截留水中膠體、大分子有機物、微生物、懸浮顆粒以及金屬氧化物后，濾膜會受到污染。為保證膜產水量不變，膜過濾壓力會不斷增加，因此運行一段時間后需要從過濾相反方向對膜進行清洗(反洗)，使沉積在膜內表面的固體懸浮物被清洗排出，使膜的性能得以恢復［11］。雖然水反洗能夠去除膜表面的污垢，但由于有機物、微生物及膠態物質黏附在膜表面，且各種污染物之間相互作用復雜，經過長時間運行，僅通過水反洗無法將這部分物質有效去除，單純水力清洗產水量得不到有效恢復。因此，需要更有效的辦法(如化學加強反洗)對沉積在膜表面的物質進行徹底清除［12-13］。

超濾運行中需要保證的關鍵指標是膜通量和膜過濾壓力。膜污堵導致膜過濾壓力升高的主要原因有以下2 點:1)水反洗和化學加強反洗強度達不到要求，如2 次反洗之間的時間間隔較長，反洗各階段的時間較短;2)對加藥泵的加藥量及加藥與否未能有效監督，堿或次氯酸鈉的加藥濃度過低，達不到加強清洗效果，導致附著在膜表面的微生物不能有效清除［14］。

在鍋爐補給水系統夏季運行工況的基礎上，增加超濾裝置的反洗頻率，水反洗頻率由原來的每次60 min 調整為30 min，化學加強反洗周期由45 個調整為30 個，化學清洗時間調整為跨膜壓差達到0.12 MPa，并加強對加藥系統的監管［15］，具體調整方案見表4。

表4 超濾運行工況調整方案Table 4 The adjustment scheme of ultrafiltration’s operating conditions

3.2 超濾裝置運行情況

調整運行工況后，電廠鍋爐補給水系統使用中水連續運行9 d，期間對運行情況進行實時監控，記錄超濾運行的流量和壓力參數，分析其變化趨勢，判斷超濾裝置的運行狀況。

3.2.1 超濾裝置運行流量變化

超濾裝置進水流量變化如圖3 所示。試驗期間，進水流量波動明顯，但總體趨勢穩定，從開始運行階段，進水流量達到65 m3/h 后，便穩定在40 ～55 m3/h 之間，滿足運行要求。

圖3 超濾進水流量變化Fig.3 Variation of ultrafiltration’s water inflow

3.2.2 超濾裝置運行壓力變化

超濾裝置運行壓力變化如圖4 所示。試驗期間，超濾裝置運行進水壓力穩定在0.11 ～0.16 MPa，跨膜壓差基本維持在0.04 ～0.08 MPa，總體趨勢平穩，沒有達到調整后的化學清洗設定壓差0.12 MPa，系統運行正常，未出現膜污堵現象，也沒有出現膜污堵趨勢。結果表明，通過調整運行工況，可以達到超濾裝置的運行要求。

圖4 超濾運行壓力變化Fig.4 Variation of ultrafiltration’s operating pressure

4 結論

(1)水源水質超標是造成冬季超濾膜污堵的根本原因。在冬季水溫較低的條件下，污水處理廠對CODCr、氨氮等指標的去除率降低，出水水質明顯劣于電廠鍋爐補給水系統設計水質，其中CODCr、BOD5、氨氮3 個指標嚴重超標，懸浮物、濁度、硬度有輕微超標。

(2)通過能譜分析證實造成超濾膜污堵的主要原因是有機物指標超標，以及系統運行中營養物超標導致微生物滋生造成的二次污染，次要原因是鈣鐵離子形成的膠體化合物引起的無機物污染。

(3)調整運行工況，將超濾裝置水反洗頻率由60 min 調整到30 min，化學加強反洗周期由45 個調整為30 個，化學清洗時間由壓差達到0.1 MPa 調整為達到0.12 MPa。通過上述工況調整，可有效減緩超濾膜污堵現象，達到電廠運行要求。

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