反滲透膜元件氧化故障分析及應對措施

文_史興隆

1 美國PWT公司中國代表處 2 上海賽沃環?？萍加邢薰?/p>

1 項目概況

1.1 系統簡介

該污水回用系統的來水為廠區鋼鐵綜合廢水。預處理水量為1000t/h，超濾系統設計出力：3×153m3/h，錯流過濾回收率≥92%；一級反滲透系統設計出力：3×122m3/h，回收率80%，三段制壓力容器配比為17：9：5，6芯裝，膜元件型號：BW30FR-400/34i，單套186支，共558支。廠區來水經過回用系統預處理或深度處理后回用至廠區補水系統。

1.2 工藝流程

污水回用系統工藝流程如下：

廠區綜合廢水→調節池→（聚合硫酸鐵、PAM、NaClO）高密度澄清池→V型濾池→中間水池→換熱器→自清洗過濾器→超濾裝置→超濾產水池→保安過濾器→一級反滲透裝置→回用水池。

一級反滲透濃水→濃水箱→保安過濾器→濃水反滲透→回用水池。

2 現場情況

2.1 反滲透運行數據分析

該污水回用系統自2020年1月正式調試完畢投入運行，2021年3月反滲透脫鹽率下降?，F場記錄一級反滲透的運行數據如表1所示（2021年3月12日錄）。

由表1數據可以看出：1～3#一級反滲透的一段壓差分別為：2.7bar、4.0bar、3.8bar，一段壓差均偏高，其中2#、3#一級反滲透段間壓降已大于單支壓力容器允許的最大壓差3.5bar。壓差高意味著膜的進水通道發生了堵塞，里面堆積了污染物。將一段壓力容器6支膜元件拆出瀝干稱重，按照進水水流方向第1支至第6支膜元件重量分別為19.8kg、17.3kg、15.3kg、15.3kg、14.9kg、14.9kg。稱重顯示一段前兩支膜元件增重非常明顯，表明來水含有較多的膠體顆粒物、微生物，使一段膜元件受到嚴重的污堵。

表1 一級反滲透的運行數據

更重要的是一級RO運行一年多間內脫鹽率出現了大幅度下降，由表1可知1～3#一級反滲透脫鹽率分別為：94.9%、93.0%、82.4%，而2020年1月系統運行初期脫鹽率可以達到99.0%，系統在一年多的運行時間內脫鹽率下降如此劇烈表明膜元件可能受到了嚴重的化學或物理損傷。

據大量的工程應用案例，由于受水力、化學清洗、污染物累積、自然老化等復雜因素影響，一般情況下反滲透系統脫鹽率每年下降0.5%～1.0%為正?，F象，超過此數值可認為脫鹽率下降速度過快，導致脫鹽率下降過快的原因有多種，如：①來水溫度大幅度升高導致脫鹽率下降；②來水水質劇烈變化導致脫鹽率下降；③嚴重的膜污染導致膜透水速率變慢進而導致脫鹽率下降；④機械損傷，引起內部泄漏、膜片損壞等導致脫鹽率下降；⑤膜元件受到氧化，膜片脫鹽層發生化學變化導致脫鹽率下降。

2.2 一級反滲透各壓力容器電導監測數據分析（以3#為例）

實測3#一級RO進水總電導率1570μs/cm，分別對3#一級RO的每支壓力容器產水電導率進行檢測，數據如表2。

由表2可以看出：3#一級RO的一段產水電導率大大高出二、三段產水電導率，可以計算出一段膜元件的平均脫鹽率只有77.4%，一段的脫鹽率遠低于二、三段是膜元件受到氧化的明顯特征之一。這是因為一段膜元件首先與來水接觸，在來水含有余氯等強氧化劑的情況下首先氧化一段膜元件，一段首支膜元件受到氧化程度最嚴重，后續膜元件受氧化程度依次減輕。另外，一段膜元件平均膜通量高于二、三段膜元件，產水量較大，因此一段膜元件的脫鹽率下降對整體脫鹽率影響非常明顯。

由表2可知：一段各壓力容器產水電導率比較接近，意味著一段各壓力容器膜元件所受的破壞程度是一致的，這種均勻一致的破壞現象只有在膜元件受氧化時才可能出現。

表2 每支壓力容器產水電導率

2.3 一級反滲脫鹽率變化趨勢

據運行記錄了解到RO系統（以3#RO為例）從2020年1月初開始運行的時候其脫鹽率可以接近99%，到10月28日脫鹽率衰減到91.82%，其中2020年10月21～28日內脫鹽率下降了3.8%。到2021年3月12日，系統的平均脫鹽率只有82.36%。脫鹽率變化如圖1所示。

圖1 系統的平均脫鹽率變化趨勢

由圖1可以看出：3#反滲透自系統運行之初膜元件的氧化現象就存在了，并且隨著時間推移氧化程度越來越嚴重，現場調取了2020年1月至今系統運行數據發現在來水水溫、產水量基本一致的情況下，系統的進水壓力隨脫鹽率的下降是持續降低，這一現象非常符合膜元件受氧化的特征。

現場排查了解到系統在高密度沉淀池進水口設有次氯酸鈉投加點，次氯酸鈉采用的是手動開啟沖擊投加的方式，沖擊投加每周一次，每次在3～5min內沖擊投加200kg次氯酸鈉（10%Wt），此時來水中次氯酸鈉峰值濃度可達400ppm。

現場在反滲透進水母管取樣使用的比色法（鄰連甲苯胺比色法）測得余氯最高超過了比色法可讀取的最大值1.0mg/L，反滲透進水余氯值遠超過反滲透膜元件所允許的進水最高余氯0.1mg/L。同時也說明反滲透進水還原劑的投加并沒有達到微過量狀態，原水還原劑投加不足使得反滲透進水余氯濃度仍然較高，給反滲透的運行帶來極大的威脅。

2.4 還原劑亞硫酸氫鈉配藥使用情況

在還原劑加藥泵與ORP連鎖期間還原劑消耗量極其不穩定，如2020年9月8～24日，17天時間僅消耗了37.5kg亞硫酸氫鈉，2020年10月1～21日，21天僅消耗37.5kg亞硫酸氫鈉，平均每天還原劑亞硫酸氫鈉消耗量不超過2kg，針對于來水沖擊投加次氯酸鈉的情況如此低的還原劑投加量很危險，因為配制好的亞硫酸氫鈉溶液與空氣接觸極易發生反應，如此長的配藥周期亞硫酸氫鈉溶液容易失效。還原劑亞硫酸氫鈉配藥周期及消耗量如圖2所示。

首先，財務公司在構建外匯資金池時存在授權比較困難的問題。我國在與他國交流時會存在交流、文化上的差異。尤其在與小語種國家進行合作時，經常會因為交流障礙導致授權失敗。除了交流不暢之外，財務公司和合作方還會因控制權的問題而產生矛盾。在財戶控制權沒有確定的情況下，授權很難成功。

圖2 還原劑亞硫酸氫鈉日均消耗量

由于反滲透系統的還原劑加藥泵與RO進水母管ORP數據連鎖，在ORP＞220MV時還原劑計量泵才開始投加，連鎖存在延遲或者ORP儀表未能真實反映出水中氧化物質的實際情況，此時原水中氧化性物質（如余氯）就會已經進入了RO系統對膜元件造成了氧化。

另外，反滲透給水母管的還原劑、非氧化殺菌劑加藥點在同一位置上，當此兩種藥劑同時投加時會相互反應，不僅減弱殺菌劑的效力，還會造成來水余氯不能完全脫除的風險。

3 結論

綜合上述系統運行數據分析可以得出：

①反滲透一段的脫鹽率遠低于二、三段膜元件。

②表2顯示3#一級RO一段各壓力容器產水電導率比較接近，意味著一段各壓力容器膜元件所受的破壞程度均勻一致。

③在來水溫度、產水量基本一致的情況下，系統的進水壓力隨脫鹽率的下降而降低。

④高密度沉淀池進水口次氯酸鈉采用的是沖擊投加的方式，且在反滲透進水口測得超過1.0mg/L的余氯值。

多種證據證明反滲透膜元件脫鹽率的大幅降低是因為膜元件受到了氧化所致，且氧化物極有可能是余氯。

此系統氧化破壞自系統運行之初就已出現，系統運行初期同時也存在較為嚴重污染，且沒有得到及時的化學清洗，一段時間內污染物掩蓋了部分氧化破壞的現象。受到氧化的膜元件對高pH的化學清洗比較敏感，清洗后失去了有機污染層的掩蓋，RO膜的脫鹽層暴露在高氧化性的給水之下，氧化破壞將繼續加速進行，從而導致產水量上升、脫鹽率下降、給水壓力下降的速率更加顯著。

4 結語

對于脫鹽率嚴重下降并影響到出水水質的反滲透系統，建議對一段膜元件進行脫鹽率檢測評估（可用探針法），根據評估結果可以選擇更換一段首支或者前兩支膜元件，使系統的脫鹽率恢復到可以接受的水平。

一級RO膜元件的脫鹽率自運行之初就以較快的速度下降，這與還原劑加藥與ORP數值連鎖有很大關系，連鎖導致還原劑的投加滯后（或ORP數值不可靠）不能保證過量的余氯不進入RO裝置。建議在系統有余氯或者高價氧化物情況下還原劑一定要持續投加，取消還原劑計量泵與ORP數值的連鎖。建議ORP值控制在150M～180MV之間，并關注系統運行期間ORP值波動情況（ORP出現較大幅度波動應予以重視）。

建議將高密度沉淀池手動高濃度沖擊投加次氯酸鈉改為持續泵投加，且將加藥點改至來水管道或者出水口（有利于次氯酸鈉與水的充分混合）。由于來水有機物含量較高，微生物活性高，每周一次的沖擊性投加不足以控制系統微生物，且沖擊投加時間短、濃度高將給反滲透系統帶來巨大的余氯風險，使用計量泵投持續投加可以更好的殺滅微生物控制余氯值。由于不同水源有機物含量的差異，對氯的消耗也不同，使用泵投加應由低到高逐步調整加藥量，控制超濾產水池余氯在0.3～0.5mg/L為宜。

建議在反滲透進水管路中安裝在線余氯檢測儀表，通過投加還原劑如亞硫酸氫鈉，實時檢測確保進水中不含余氯。同時每班組至少檢測一次超濾產水池及還原劑加藥點之后的余氯值，控制還原劑加藥點之后余氯為0mg/L。定期校準余氯表，清理ORP電極，并輔以實驗室檢測數據對比確保在線監測數據準確。

由于還原劑與現場所使用的非氧化殺菌劑相互反應，因此非氧化殺菌劑加藥點應該布置在還原劑加藥點之后且與還原劑加藥點之間留有足夠的距離。確保投加的還原劑可以將余氯充分反應的同時又不會被非氧化殺菌劑消耗，既保證安全性又使非氧的殺菌效果發揮到最大。

反滲透膜元件出現污染應及時化學清洗，一般情況下標準化產水量降低10%以上，進水和濃水間的標準化壓差上升了15%，標準化透鹽率增加了5%時應及時化學清洗，避免積累過多的污染物經長時間運行被壓實后難以通過化學清洗徹底去除。