采用城市中水作為水源的化學水處理系統反滲透膜壓差快速上漲原因分析及清洗對策

王彎彎 王競一 劉曉冬 李珍珠 張 旭

（河北涿州京源熱電有限責任公司，河北 保定 072750）

0 引言

華北地區水資源匱乏，而河北省作為水資源嚴重短缺的省份之一，水資源匱乏已經制約了河北省社會經濟的發展，地表水連年減少、地下水嚴重超采，導致地面沉降，環境惡化。而火力發電廠屬于用水大戶，年用水量可達上百萬噸。當前，國家發展改革委員會關于燃煤電站項目規劃和建設有關要求明確指出：在北方缺水地區，新建、擴建電廠禁止取用地下水，嚴格控制使用地表水，鼓勵利用城市污水處理廠的中水或其它廢水。從上述政策可判斷出，對中水的使用已經上升到了法律層面，成為了一種強制行為。

河北涿州京源熱電有限責任公司（以下簡稱“涿州熱電”）作為新建電廠，響應國家節水的號召，使用城市污水廠處理后的中水作為生產水。污水處理廠采用CASS工藝，城市污水由污水主干管自流至粗格柵井，去除漂浮物等雜質后由泵提升至細格柵井、沉沙池去除比重較大的無機顆粒，然后由自動控制閥分別進入CASS池的各分池，污水在CASS池經過缺氧、厭氧和好氧過程得以生物降解，沉淀澄清后其上清液由潷水器排至接觸消毒池。經二級生化處理后出水水質滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002中的一級標準中的A標準。污水處理廠進出水主要水質指標參如表1所示。

表1 污水處理廠進出水主要水質指標 單位：mg/L

反滲透膜法水處理工藝目前被公認為水除鹽最有效的技術之一[1]，尤其在以城市中水作為化學水處理水源的火力發電廠，化學水處理工藝一般包括“預處理+預除鹽+深度除鹽”，預處理系統一般采用機械過濾、微濾、超濾等，預脫鹽一般采用反滲透、電滲析等。反滲透技術作為膜方法分離技術的典型代表，其應用原理為：在進水側施加超過滲透壓的壓力，水會逆著自然滲透的方向作反向滲透，即濃溶液側的水分子流向稀溶液側，從而將產水與濃水分離開來。

反滲透法能適應各類含鹽量的原水，反滲透設備在除鹽的同時，也能將大部分細菌、膠體及大分子量的有機物去除。當預處理工藝不完善或處理效果不良時，由于反滲透膜的特性，反滲透膜在正常運行過程中，不可避免地會被無機鹽垢、膠體、微生物、金屬氧化物、有機物等污染，這些物質沉積在膜表面上，將會引起反滲透裝置段間壓差大、出力或脫鹽率下降，因此，為了恢復反滲透膜的出力和除鹽性能，需要對反滲透膜進行化學清洗，而準確有效地化學清洗能較好地恢復膜的滲透性能，進而延長膜的使用壽命[1]。反滲透運行中常見的污染形式及清洗方法參如表2所示。

表2 反滲透運行中常見的污染形式及清洗方法

1 涿州熱電簡介

涿州熱電一期工程設計安裝2×350MW超臨界間接空冷燃煤供熱機組。鍋爐為1242t/h超臨界鍋爐，汽輪機為350MW一次再熱、雙缸雙排汽凝汽式間接空冷機組，發電機為水氫氫冷卻汽輪發電機，靜態勵磁；同步建設脫硫、脫硝設施。

涿州熱電以涿州市東污水處理廠城市中水作為生產用水水源，以涿州市西污水處理廠城市中水作為生產備用水源，通過先進的水務管理技術以及脫硫廢水零排放系統的成功投運，實現廠內廢水全部回用，是我國北方地區第一個實現全廠廢水零排放的燃煤電廠。

涿州熱電依據“水量、水質平衡”及“梯級使用、清污分流”的原則，優化了水資源的利用，實現了全廠智能用水管理，使發電綜合水耗達到了較優的水平，為城市發展留下了寶貴的水空間。

化學水處理系統原水采用城市中水及本廠工業廢水處理水，比例約為3:2，鍋爐水處理系統設計出力為80m3/h，由預處理、預脫鹽、除鹽系統組成。預處理設備有多介質過濾器、自清洗過濾器、超濾，主要作用是除去水中的膠體和懸浮物，滿足反滲透入口水要求。預脫鹽系統設備有保安過濾器、反滲透裝置，主要作用是除去水中大部分陰陽離子，其產水一部分進入除鹽系統，另一部分作為熱網補充水。除鹽系統有陽床、除碳器、陰床、混床，主要作用是除去淡水中的陰陽離子，滿足鍋爐補充水水質要求。

水處理系統工藝流程如圖1所示。

圖1 水處理系統工藝流程圖

2 反滲透運行現狀

化學水處理系統共安裝3×60t/h反滲透裝置，使用BW30FR-400/34i抗污染型苦咸水淡化反滲透膜元件，采用一級兩段式（12:5），自2017年6月投運以來已運行三年半時間，期間反滲透除鹽率、回收率及壓差上漲情況均正常，除鹽率＞97%、回收率75%，正常運行情況下一段壓差為80～150kPa，極限值為300kPa，每季度進行一次化學清洗（酸洗+堿洗+酸洗）。酸洗時，配置鹽酸清洗液，pH控制在2～3之間，為保證清洗流量及清洗效果，一段、二段膜件分開進行化學清洗，按循環清洗一、二段各1小時、浸泡2小時進行3～4個循環過程（可根據膜件污堵情況調整循環浸泡次數），清洗過程中檢測清洗液的pH，根據pH及時補充或更換藥液，清洗結束后將膜件沖洗至中性；堿洗時，配置堿清洗液，pH控制在11～12之間，循環浸泡過程與酸洗相同，清洗結束后將膜件沖洗至中性且出水電導率合格；堿洗結束后再次進行酸洗，起到收縮膜孔的作用，保證反滲透膜件投運時的脫鹽率。清洗結束后一段壓差由150kPa降至80kPa左右，二段壓差沒有明顯變化。清洗前后壓差上漲情況基本一致，運行較為穩定。清洗前后反滲透一段壓差變化情況參如圖2所示。

圖2 1號反滲透清洗前后（酸洗、堿洗、酸洗） 壓差變化圖

自2020年12月23日以來，化學1號、3號反滲透一段壓差上漲過快，1號反滲透一段壓差14h內由136kPa漲至170kPa，3號反滲透一段壓差14h內由113kPa漲至183kPa，一段壓差上漲趨勢如圖3所示。2號反滲透常規化學清洗后投入運行，60h內壓差由95kPa漲至148kPa，一段壓差上漲趨勢如圖4所示。至此，3套反滲透系統均被迫停運，開始逐一進行常規化學清洗，清洗后一段壓差歷史比較表如表3所示，由表3可看出，常規化學清洗效果較差，導致制水系統難以正常運行。

圖3 1號、3號反滲透一段壓差異常上漲變化圖

圖4 2號反滲透常規化學清洗后一段壓差異常上漲變化圖

3 膜污染原因分析

3.1 膠體污染

水中溶解的金屬離子如鐵、鋁等，被氧化后形成膠體顆粒，會沉積在膜表面，使膜發生污堵[2]。化學制水的原水中會包含PAC絮體以及因藥劑過量產生的副產物，可能會導致反滲透膜被膠體污染。通過分析化驗反滲透入口的鐵含量和鋁含量分別為6μg/L和5μg/L（標準＜50μg/L），SDI15在1.5～2.5范圍內波動（標準＜3），排除膠體污染的因素。

3.2 有機物污染

有機物對膜污染主要是有機物與膜形成氫鍵吸附于膜面，使膜通量下降[3]。經過對中水來水、反滲透進水進行水質排查，確定中水COD異常變化是造成反滲透污堵的主要原因之一[4]，數據如表4所示。

表4 中水和反滲透進水COD分析

3.3 微生物污染

微生物對膜污染首先是有機物在膜面吸附，改變膜的表面形態，隨后微生物被吸附到膜面并在膜面生長，最后微生物代謝產生胞外聚合物，在膜面形成生物膜，導致膜污染。通過現場排查，一是來水雖加次氯酸鈉殺菌消毒，但多介質過濾器進水余氯在0.1mg/L以下，沒有起到有效的殺菌作用，造成微生物在系統內滋生；二是反滲透入口加還原劑過量至5ppm，導致反滲透膜中厭氧菌滋生，堵塞反滲透膜[5]；三是拆開反滲透保安過濾器濾芯及反滲透膜件，發現外壁均存在大量黏滑物質，判斷微生物污染是導致反滲透膜污堵的主要原因之一[6]。

經過以上分析可以得知，反滲透污堵的主要原因為反滲透膜的有機物污染和微生物污染。導致反滲透膜發生有機物污染和微生物污染的原因有三種：一是原水COD突增，為微生物提供了較適宜的生存環境，造成微生物滋生，污染反滲透膜；二是原水中加入次氯酸鈉殺菌劑藥量不足，微生物去除效果較差，造成微生物滋生，堵塞反滲透膜；三是反滲透入口還原劑加藥過量，使得反滲透膜滋生厭氧菌，造成膜污染。

4 清洗對策

根據對反滲透膜污染原因及分析，制定出非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗的化學清洗方案。

4.1 非氧化性殺菌劑清洗

（1）常溫下配制質量濃度100～200ppm的2881非氧化性殺菌劑（2，2-二溴-3-次氮基丙酰胺）；

（2）開啟水箱再循環門及清洗水泵，水箱內部打循環，保證殺菌劑充分混合均勻，混合均勻后，檢測藥液余氯，保證膜的安全、防止誤用藥；

（3）打入一段膜件開始循環，流量=一段膜殼數量×3～4m3/h，即36～48m3/h，循環1h，循環結束后，浸泡2h；

（4）一段浸泡過程中，二段開始循環，流量15～20m3/h，循環1h，浸泡2h；

（5）循環浸泡過程中，每半小時取清洗液觀察是否渾濁，若藥劑明顯變臟，換藥后繼續清洗；

（6）一段、二段循環浸泡3個循環，放凈膜殼中藥劑，開始沖洗，沖洗至出水呈中性。

4.2 氫氧化鈉+EDTA四鈉清洗

（1）配制0.1%NaOH+1.0%EDTA四鈉，pH11～12，溫度約35℃；

（2）開啟水箱再循環門及清洗水泵，水箱內部打循環，保證藥劑充分混合均勻；

（3）打入一段膜件開始循環，流量=一段膜殼數量×3～4m3/h，即36～48m3/h，循環1h，循環結束后，浸泡2h；

（4）一段浸泡過程中，二段開始循環，流量15～20m3/h，循環1h，浸泡2h；

（5）循環浸泡過程中，每半小時取清洗液檢測pH，若pH明顯下降，換藥后繼續清洗；

（6）一段、二段循環浸泡3個循環，放凈膜殼中藥劑，開始沖洗，沖洗至出水呈中性。

4.3 鹽酸清洗

（1）配制0.2%～0.5%鹽酸，pH2～2.5，常溫；

（2）開啟水箱再循環門及清洗水泵，水箱內部打循環，保證藥劑充分混合均勻；

（3）打入一段膜件開始循環，流量=一段膜殼數量×3～4m3/h，即36～48m3/h，循環1h，循環結束后，浸泡2h；

（4）一段浸泡過程中，二段開始循環，流量15～20m3/h，循環1h，浸泡2h；

（5）循環浸泡過程中，每半小時取清洗液檢測pH，若pH明顯上漲，換藥后繼續清洗；

（6）一段、二段循環浸泡3個循環，放凈膜殼中藥劑，開始沖洗，沖洗至出水呈中性且產水電導率合格。

5 清洗效果

3套反滲透采用酸洗、堿洗、酸洗及非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗后一段壓差如表5所示。一段壓差上漲情況如圖5～圖7所示，從表5及圖5～圖7中可看出，非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗后一段壓差較酸洗、堿洗、酸洗降低20%，且一段壓差上漲較緩，使得反滲透性能得以恢復。

圖5 1號反滲透酸洗、堿洗、酸洗后壓差變化及非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗清洗后壓差變化圖

圖7 3號反滲透酸洗、堿洗、酸洗后壓差變化及非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗清洗后壓差變化圖

表5 1#～3#反滲透膜清洗前后一段壓差對比表

圖6 2號反滲透酸洗、堿洗、酸洗后壓差變化及非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗清洗后壓差變化圖

6 結語

涿州熱電水處理反滲透膜污堵主要是由于來水水源水質異常，造成反滲透膜有機物和微生物污堵，通過化學清洗有效地解決了反滲透膜的污堵問題。針對中水水質波動問題需做出以下控制措施：一是當中水水質異常波動時，通過調整中水及工業廢水處理水用水比例，保證進水水質；二是為防止反滲透膜件發生微生物污染，需調整多介質過濾器進水有效氯濃度在0.3～0.5mg/L，抑制微生物的生長繁殖[7]；三是為防止反滲透膜件厭氧菌滋生，反滲透入口還原劑加藥量根據余氯及ORP及時調整。四是根據反滲透膜的運行情況定期采用非氧化性殺菌劑（2，2-二溴-3-次氮基丙酰胺）、氫氧化鈉+EDTA四鈉、鹽酸的清洗方案清洗反滲透膜。