超濾膜污染問題及防控清洗方法

陳偉東

【摘 要】闡述了超濾的基本技術和電廠超濾系統的構成，重點分析了超濾膜的污染機理和解決超濾膜污染的防控技術以及清洗方法，提升了水處理系統的管理水平。

【關鍵詞】超濾；膜污染；防控技術；清洗方法

中圖分類號： X791；TQ028.8 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0237-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.111

0 前述

目前，超濾技術已被廣泛應用于工業、環保、生物等工程的水處理系統中，也大量應用于火力發電廠的鍋爐補給水除鹽系統中。超濾膜是集成膜技術的重要組成部分，一般安裝于反滲透裝置的前級，它能非常有效地減少反滲透膜的污堵，保障反滲透裝置的安全運行，提高產水率，減少廢水。但在實際應用的過程中，水處理系統的膜污染情況時有發生，如果處理不當就影響制水量，甚至影響電廠機組的安全運行。因此，掌握正確的預防、控制超濾膜污染的措施和清洗方法是電廠鍋爐補給水除鹽系統中非常重要的技術。

1 超濾的基本原理及系統構成

1.1 超濾的基本原理

超濾是一種將溶液進行凈化和分離的膜分離技術，在壓力差的驅動下超濾膜只允許溶液中的溶液、無機鹽及小分子有機物透過，而將溶液中的懸浮物、膠體、蛋白質和微生物等大分子物質截留在外表面，從而達到凈化和分離的目的。

1.2 超濾系統的構成

在選擇使用超濾技術時，就要考慮系統的完整性和合理性，在滿足產水的情況下，還能進行膜自動反洗、自動清洗，以保證產水品質和延長超濾膜的使用壽命。電廠鍋爐補給水處理系統中超濾裝置的主要構成及技術特點如下：

1.2.1 超濾裝置本體

（1）超濾裝置（包括超濾升壓泵、自清洗過濾器和超濾膜組件）多采用單元制設計，一般小型火力發電廠設置2個系列單元（1用1備），較大型的供熱電廠或大型火力發電廠一般都設置3個系列單元（2用1備），每列都能單獨運行，也可幾列同時運行；

（2）超濾膜元件的設計通量不應大于膜廠商《設計導則》中規定的最大通量值，且不大于60 L/m2.h（按凈產水量計算）。膜數量根據產水量計算所得，保證超濾裝置的正常運行、合理的反洗間隔和化學清洗周期，能實現全自動運行；

（3）超濾裝置選用立式外壓中空纖維超濾膜，膜材質采用親水性的CA（醋酸纖維素）、PAN（聚丙烯腈）或PES（聚醚砜）等，膜孔徑不大于0.1um，截留分子量為100000～150000道爾頓。

（4）采用抗化學藥劑性能好的超濾膜產品，超濾膜能承受相當于pH=1-14的藥液進行化學清洗，抗次氯酸鈉濃度要求不低于5000ppm；

（5）當進水溫度、超濾裝置進出口差壓等因素變化時，可通過改變超濾升壓泵的頻率自動調節超濾裝置產水流量，保證產水流量穩定；

（6）根據超濾裝置進、出口差壓或累積時間對超濾裝置進行反洗或化學清洗，其反洗或化學清洗可在線進行，可根據程序自動進行；

（7）超濾裝置采用單元型式成套結構；超濾裝置每根膜殼的產品水管上安裝一段透明管，以便能有效地觀測、診斷并確定系統的運行狀況；

（8）每套超濾裝置的產品水、濃水管設集中取樣點，取樣點的數量及位置能有效地診斷并確定系統的運行狀況。

1.2.2 超濾反洗裝置

（1）超濾反洗水泵采用臥式離心泵，機械密封，過流部分材質為SS316L或以上，反洗水泵為1用1備；

（2）反洗水泵采用變頻控制，能滿足不同工況下反洗流量及壓力的要求；

（3）反洗管道上應裝有保安過濾器，殼體材質為SS316L，內裝進口優質大流量折疊式濾芯，濾芯過濾材質為PP，過濾精度為100～150μm；進出口設置壓差變送器，過濾器底部設排水閥，以及頂部設排氣閥等。

（4）在反洗母管上設壓力開關，反洗壓力過高時能自動停用反洗水泵。

1.2.3 超濾加藥裝置

（1）超濾加藥種類包括次氯酸鈉/堿和酸等（根據原水水質情況和所選取的膜廠家元件計算，最終確定具體的加藥種類）；

（2）加藥裝置采用單元型式成套供貨。具有預防次氯酸鈉、堿和酸的腐蝕；

（3）各類藥品溶液箱的容積需滿足至少三天的藥品用量；

（4）每臺隔膜計量泵進口設Y型過濾器濾網，出口需裝設穩壓器、安全閥、止回閥，穩壓器上需帶壓力表。藥品注入點需設有管式混合器，并需設隔離閥。加藥計量泵流量調節范圍為0～100%，精度±1%，可在就地手動調節，還能在遠方自動控制調節加藥量（變頻調節）。

1.2.4 超濾化學清洗裝置

（1）單獨設置一套化學清洗裝置，能滿足超濾裝置在各種工況下的清洗要求；

（2）清洗溶液箱容積應滿足所清洗系統的水容積要求，并有足夠的裕量，保證清洗過程中清洗液不會外溢；清洗裝置上還應設有外殼SS316L材質的電加熱器及就地溫度計，電加熱器的功率應能在2h內將清洗液溫度由15℃加熱到35℃；

2 超濾膜污染的形成機理

在超濾分離過程中，實際同時存在三種情況：

（1）水溶質在膜表面及微孔孔壁上產生吸附；

（2）水溶質的粒徑大小與膜孔相仿，溶質在孔中停留，引起堵塞；

（3）水溶質的粒徑大于膜孔，而被膜表面截留，引起孔壁阻塞。

目前，關于膜污染機理的說法不一，但通常認為膜污染主要由濃差極化、凝膠層的形成和壓縮、吸附、孔堵4種原因引起。其中，可以肯定處理物料中粒子與膜材料的相互作用是影響膜污染最主要的因素。而濃差極化的形成與操作策略及膜組件、膜系統的結構設計密切相關。

濃差極化和膜污染是密切相關的，在超濾運行開始后，由于濃差極化的產生，膜表面的溶質濃度不斷增高，當膜面溶質濃度達到或超過溶質飽和溶解度時，便有溶質析出，當溶質為難溶的無機鹽時，使結晶析出形成污垢，當溶質是大分子聚合物或蛋白質時，便形成凝膠層，引起膜透通量急劇下降，此種情況下運行的膜必須馬上清洗，以恢復其性能，可見，膜污染的控制與清洗方法是水處理系統管理維護的重要技術。

3 超濾膜污染的防控措施及清洗方法

任何膜分離技術在應用中，縱使選擇了較合適的膜和運行方法，膜的污染問題也必定發生，就必須采取一定方法以去除膜面或膜孔內的污染物，達到恢復產水量，延長膜壽命的目的。本文以電廠常用的中空纖維超濾組件為列，展開分析。如提高進入超濾的水質，選擇合適的膜組件，優化操作條件，從而有效防控膜污染。

3.1 超濾膜污染的防控措施

3.1.1 選擇合適的膜組件

根據電廠產水特點，多選擇結構緊湊的中空纖維超濾膜組件，其具有單位體積內膜的填裝密度高，比表面積大，料液流動狀態好，濃差極化傾向易于控制，能耗較低，投資費用相對較低的特點。中空纖維膜有單皮層和雙皮層兩種，目前單皮層好于雙皮層中空纖維膜，單皮層空纖維膜外表面孔徑比內表面孔徑大幾個數量級，透過內表面孔的大分子不會被外表面孔截留，因而抗污染能力強。

3.1.2 提高原水品質

原水在進入超濾前應進行足夠時間的混合、絮凝、沉淀等預處理，以提高原水品質，減少污染物進入超濾膜。在采用超濾用水的試驗中，還發現在超濾前使用混凝可以提高滲透通量和延緩膜通量降低；在使用高錳酸鹽和氯預處理對控制藻類污染的研究中發現，聯合使用高錳酸鹽和氯可以減少超濾膜污染的速率。

3.1.3 優化操作條件

在膜運行過程中采取一定的操作策略，如在中空纖維超濾膜制水中采用連續切向空氣流，在膜表面產生氣/液兩相流，可產生高剪切力和流體不穩定性，以阻止顆粒物在膜表面上沉積，即使在很低氣速下超濾通量也明顯提高空氣噴射使濾膠層膨松。而使通量增加，極限氣速下通量可增加150%，對氟聚物膜表面做垂直作用電場試驗時，發現膜通量大大提高，在高pH值下，通量甚至超過純水，隨著場強的增加透過量也增加；此外，利用超聲波照射膜組件可提高膜的透過性能。

3.2 膜污染的清洗方法

膜污染的清洗方法包括物理清洗法和化學清洗法。物理清洗方法中最為常用的是水力沖洗法，化學清洗法是指加入了藥物輔助清洗的方法，包括加殺菌劑等。在選擇清洗方法前，要弄清楚污染物的性質，采取有效的清洗方法。通常系統會設置合理的清洗方法，多用物理法沖洗，只有在物理法沖洗達不到理想效果時，才用化學清洗法。當正常出力下，產水量減少，還會選擇人工干擾清洗。

3.2.1 物理清洗

物理清洗方法中最常用的是水力沖洗法，包括反沖和正沖，清洗介質為水和氣。水力沖洗一般是用超濾水箱中的水對膜進行短時間的反洗。實踐證明反沖洗法能把膜表面被微粒堵塞的微孔沖開，并能有效地破壞凝膠層的結構，對恢復膜的透水量比等壓沖洗法有效。超聲波清洗工藝也是物理清洗法的一種，其采用降解、水洗和超聲波降解下水洗三種不同的清洗方法，是一種有效的新方法。

3.2.2 化學清洗

化學清洗需根據污染物、污染類型和程度以及膜本身的特性選擇有效、低廉、無毒副作用的清洗液配方，按標準量配比。當使用超出說明書的化學清洗劑是，一定要征求品牌商家的意見，以防產生毒副作用?；瘜W清洗可采用NaOH、NaOCI和檸檬酸作為清洗劑，其中采用酸性清洗劑對去除Ca、Mg、Fe等的金屬離子及其無機鹽膠層、氫氧化物較為有效。NaOH的堿性水溶液則對去除蛋白質、油脂的污染有良好的效果；NaOH和NaOCI的混合液比單獨使用有效。氧化物的清洗劑、疊氮酸鈉等對去除有機物質的污染有顯著效果。當自動清洗不明顯時，還可以設置人工干擾清洗：

（1）用清水反沖洗整個超濾系統。根據超濾廠商提供的水溫要求采用能承受的最高溫度；

（2）選用合適的清洗劑，在超濾加藥裝置中按配比濃度要求配比清洗水溶液，對整個系統進行反沖洗；

（3）用清水反沖洗，去除清洗液；

（4）完整性測試，即校核膜的透膜壓差，如未達到預期要求，可重復第二、第三步驟的清洗過程。

4 結束語

超濾裝置在水處理系統中具有特殊的優越性，得到日益廣泛的應用，但如果管理不善，好技術不落實或落實不到位，那將直接影響整個鍋爐補給水處理系統的正常運行，并直接影響到電廠的安全生產，所以只有用好技術，做好管理，及時發現運行參數的變化并調整設備運行工況，就可以避免出現嚴重的問題，才能確保水處理系統長期穩定地運行。

【參考文獻】

[1]P.希利斯.膜技術在水和廢水處理中的應用[M]北京：化學工業出版社，2003.9，107-128.

[2]李書國.超濾膜的污染原因及清洗方法[J].工藝技術1999.2，28-30；

[3]王鼎臣.水處理技術及工程實例[M].北京：化學工業出版社，2007.10，112-123；

[4]周正立.反滲透水處理應用技術及膜水處理劑[M].北京：化學工業出版社，2005.6.