某電廠反滲透系統(tǒng)壓差上升速度過快原因分析及應對措施

高凱楠，馮向東,2

(1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，浙江杭州 311121)

隨著社會發(fā)展和工業(yè)進步，水污染問題已經(jīng)嚴重影響了國家的經(jīng)濟及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，我國作為一個水資源嚴重短缺的國家，加強水污染防治及海水淡化技術(shù)已刻不容緩[1]。反滲透技術(shù)興起于20世紀60年代，主要原理為在鹽溶液側(cè)施加高于滲透壓的壓力，使鹽溶液中的水分子透過半透膜向淡水側(cè)移動，將水從鹽溶液中分離出來，達到純化、分離、提取和濃縮的目的。因其工業(yè)化集成應用成熟、占地面積小、設(shè)備成本和維護費用較低、能耗小、不會增加其他污染源[2]，反滲透技術(shù)在海水和苦咸水淡化、純水和超純水制備、工業(yè)水處理、綜合污水處理、工業(yè)料液處理和濃縮等方面廣泛應用[3]。發(fā)電廠作為耗水大戶，在生產(chǎn)過程中需對水進行處理凈化，保證水質(zhì)達到生產(chǎn)工藝要求[4]，我國目前已有72%的電廠在水處理中應用反滲透技術(shù)，主要應用于鍋爐補給水、循環(huán)冷卻水的回收再利用、鍋爐酸洗廢液處理、綜合廢水處理[5]。

某熱電廠共配備5套一級反滲透裝置，以河水為原水水源，單元制運行。超濾產(chǎn)水經(jīng)一級反滲透給水泵后，依次添加阻垢劑、還原劑，再經(jīng)一級反滲透保安過濾器截留大顆粒物質(zhì)及一級反滲透高壓泵加壓后進入一級反滲透膜組件，分離出的產(chǎn)水進入一級反滲透產(chǎn)水箱。一級反滲透膜元件選用東麗公司芳香聚酰胺膜，型號為TML20D400，膜組件為一級二段。在18 ℃下，單套一級反滲透裝置的額定出水為348 t/h，設(shè)計回收率≥75%，脫鹽率≥96%(3年)。根據(jù)該廠運行技術(shù)指標要求，一級反滲透進水污染指數(shù)SDI15≤3.0，一段進出口壓差<0.3 MPa，當反滲透裝置產(chǎn)水量比初始或上次清洗后降低≥10%、段間壓差達到初始壓差的150%即進行化學清洗。

1 問題及原因分析

1.1 運行中存在的問題

正常情況下，一級反滲透的周期制水量在15萬～20萬t，然而，2019年9月，由于預處理及原水水質(zhì)變化，一級反滲透一段壓差上升速度極快(圖1)，需頻繁進行化學清洗，僅9月期間就已化學清洗6次(分別是9月4日、9月10日、9月16日、9月20日、9月25日、9月30日)。這導致周期制水量最高不到6萬t，最低只有2.4萬t左右(圖2)，且SDI15普遍較高，最高達到5.89(圖3)，嚴重影響制水供熱。

圖1 一級反滲透一段壓差變化Fig.1 Variation of Differential Pressure in Primary RO

圖2 一級反滲透周期制水量變化Fig.2 Variation of Periodic Water Quantity in Primary RO

圖3 一級反滲透SDI15變化Fig.3 Variation of SDI15 in Primary RO

1.2 壓差快速升高的常見原因

以不超過膜廠家建議的給水流量下運行時，壓差快速升高通常有以下幾個方面的原因。

(1)膠體污堵。膠體污染的主要來源有兩個：一是進水中細菌、淤泥、膠體硅和鐵的腐蝕物等；二是預處理時加入的阻垢劑、混凝劑、助凝劑等，如果加藥量不合理，將與進水中鐵、鋁、錳等形成膠體，膠體沉積在膜表面會形成膠體污染，通常可以通過測SDI15進行監(jiān)測，SDI15>3.0時，極有可能發(fā)生污堵。膠體污堵表現(xiàn)為運行壓力增高、壓差增大、脫鹽率下降、產(chǎn)水量下降。

(2)有機物污染。主要由有機物在膜表面的吸附而形成，其中腐植酸、多糖、蛋白質(zhì)等均會導致嚴重的膜污染，使反滲透膜水通量快速下降、進出水壓差增大、運行壓力增高、脫鹽率下降，且被有機物污染后的膜很難被清洗干凈，幾乎不可逆。

(3)微生物污染。聚酰胺膜耐氯性差，因此，反滲透膜進水需要加還原劑除余氯。而地表水及淺層地下水中都普遍存在微生物，如果預處理階段殺生處理不足，反滲透系統(tǒng)陰暗潮濕的環(huán)境、合適的溫度及給水中的營養(yǎng)鹽都極易使微生物滋生，造成污染。微生物污染主要是在膜表面形成微生物黏泥，使膜的透水阻力增大、產(chǎn)水量下降、進出水壓差增大，并可能使產(chǎn)品水質(zhì)下降[6-7]。

(4)化學結(jié)垢。濃水中鹽類沉淀造成的化學結(jié)垢，主要是沉積碳酸鹽垢，往往是阻垢劑加藥系統(tǒng)不完善、選用的阻垢劑與水質(zhì)不匹配或阻垢劑加藥量不足而導致。化學結(jié)垢會造成運行壓力增高、壓差增大、脫鹽率下降、產(chǎn)水量下降，通常發(fā)生在二段。

(5)機械性污堵。多是保安過濾器有缺陷造成過濾介質(zhì)、腐蝕碎片及泥土、細沙等懸浮物和固體顆粒物等泄漏，或反滲透初次投用沖洗不徹底時，膜元件受到堵塞、污染造成，表現(xiàn)為運行壓力增高、壓差增大、產(chǎn)水量下降。機械性污堵基本發(fā)生在一段進水側(cè)膜元件的進水端，二段一般不會發(fā)生[8-9]。

1.3 原因確認

為確認壓差上升速度過快的原因，電廠維護人員將反滲透膜、一級反滲透進水母管、一級反滲透保安過濾器出口管與超濾產(chǎn)水母管進行檢查。檢查發(fā)現(xiàn)整個膜面存在黃褐色黏稠狀污染物，且進水側(cè)污染物較明顯，一級反滲透母管及保安過濾器出口管內(nèi)壁覆蓋一層幾毫米厚的黃色黏稠物，而超濾產(chǎn)水含有次氯酸鈉的管道卻非常干凈。

將一級反滲透膜面污染物收集后進行成分分析，如表1所示，有機物占59.8%，無機物占40.2%，主要為有機生物污染。

表1 膜面污染物分析結(jié)果Tab.1 Analysis Results of Pollutants on Membrane Surface

此外，對更換下來的一級反滲透保安過濾器濾芯進行取樣化驗，用能譜儀進行成分分析。如表2所示，濾芯堵塞物黑色物質(zhì)以C、O為主，其中濾芯黑色物質(zhì)區(qū)域2局部含有16.13%的Al，區(qū)域3含有25.92%的Fe。濾芯及濾膜成分以C、O、N為主，其他成分含量較少，Ca、Mg等易造成堵塞的物質(zhì)含量很少，更換時發(fā)現(xiàn)濾芯有腥臭味，因此，一級反滲透保安過濾器濾芯污堵物質(zhì)主要成分為有機物及微生物。

表2 一級反滲透保安過濾器濾芯取樣分析結(jié)果Tab.2 Analysis Results of Primary RO Security Filter Element

對反滲透膜進行化學清洗的清洗液取樣，發(fā)現(xiàn)堿洗對反滲透膜制水量恢復起主要作用，且堿洗后的清洗液顏色變?yōu)闇啙岬狞S褐色。

同時，將一級反滲透一段單只膜的6組元件濾水15 min后稱重，進水端開始第1～6支膜重分別為20.7、16.9、15.3、15、14.8、15 kg(正常重量為15 kg左右)，且其他單組膜原件均為首支膜超重。因此，初步判斷反滲透壓差高的原因是反滲透膜元件進水帶來的有機物、微生物導致的膜污染。

為進一步驗證是否為微生物污染，在超濾進口、出口、水箱及一級反滲透保安過濾器進口取水樣進行菌落總數(shù)培養(yǎng)檢測。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)超濾進出口及水箱菌落總數(shù)均未檢出，一級反滲透保安過濾器進口菌落總數(shù)達到2 000 CFU/mL，因此，超濾水箱出口至一級反滲透保安過濾器進口段受到細菌污染。

反滲透進水pH值一般在7.3～8.8，為充分去除余氯，還原劑添加量嚴格按照ORP<350 mV的控制標準執(zhí)行，翻查歷史數(shù)據(jù)，ORP最小為200 mV，不存在因還原劑投加過量導致的污堵。由于一級反滲透加還原劑點位于一級反滲透給水泵出口處，分析認為壓差高主要是由于還原劑加藥點過于靠前，加藥點后余氯被還原，系統(tǒng)重新被微生物污染，加之反滲透進水溫度適合微生物生長，長時間運行后微生物大量繁殖，導致還原劑加藥點后的一級反滲透母管、保安過濾器及膜元件受到較為嚴重的微生物污染，進而造成一級反滲透系統(tǒng)膜運行壓差升高。

2 應對措施及實施后運行效果

2.1 技術(shù)措施

鑒于以上檢查結(jié)果及原因分析，制定并采取了如下處理措施。

(1)運行人員將超濾水箱的余氯加至2.5 mg/L以上，將含有高濃度次氯酸鈉的超濾水通入一級反滲透母管中沖洗母管，沖洗水從保安過濾器后部管道法蘭斷開處排出，持續(xù)一周。

(2)將一級反滲透母管還原劑加藥點后移至單臺保安過濾器進口壓力表處，使一級反滲透母管內(nèi)的水帶有次氯酸鈉。缺點是會導致次氯酸鈉與還原劑的反應時間大大縮短，可能使一級反滲透進水帶有余氯。經(jīng)過反復試驗分析，為保險起見，為每套一級反滲透膜組件前1 m處單獨加設(shè)進水ORP表，還原劑添加量按新增ORP測點的ORP<350 mV控制執(zhí)行，此時進水次氯酸鈉與還原劑已充分反應，確保反滲透進水余氯在進膜組件前已降至規(guī)定值0.1 mg/L以下。同時，原還原劑加藥泵出口設(shè)置可以切換加藥至母管及分管的加藥管道，在一級反滲透保安過濾器前增設(shè)加藥點。

2.2 運行效果

管路增設(shè)完畢后，每個白班定時將還原劑加藥點后移至保安過濾器前，對母管進行殺菌。經(jīng)過幾次殺菌沖洗后對一級反滲透母管進行再次檢查，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)污染物大量減少，管道內(nèi)壁清晰可見，進水SDI15也日漸下降，SDI膜片上的絮狀物不復存在。化學清洗頻率在改善措施實施后大幅度降低，2019年10月1日—2020年1月9日僅化學清洗7次(分別為2019年10月8日、10月22日、11月9日、11月26日、12月9日、12月18日、2020年1月9日)。對比圖1～圖3，一級反滲透的SDI15降低效果顯著，普遍小于1，最高僅1.58(圖4)，一段壓差上升速度明顯降低(圖5)，周期制水量大幅度增加(圖6)，大大提高了經(jīng)濟效益，因此，該一級反滲透系統(tǒng)已恢復至正常使用狀態(tài)。

圖4 處理后一級反滲透SDI15Fig.4 SDI15 of Primary RO after Treatment

圖5 處理后一級反滲透一段運行壓差Fig.5 Operation Differential Pressure of Primary RO after Treatment

圖6 處理后一級反滲透周期制水量Fig.6 Periodic Water Quantity of Primary RO after Treatment

3 結(jié)論

在還原劑加藥后，一級反滲透進水余氯會被還原，若加藥點設(shè)置過于靠前，后續(xù)系統(tǒng)容易重新被微生物污染。由于反滲透進水溫度適于微生物生長，長時間運行后微生物容易大量繁殖，導致還原劑加藥點后的運行系統(tǒng)受到嚴重的微生物污染，進而造成一級反滲透系統(tǒng)膜運行壓差升高。因此，在運行過程中，運行人員需要加強對運行中的反滲透壓差變化及進水SDI15的監(jiān)測，及時調(diào)整運行工況，減少膜污染情況的發(fā)生。同時，在反滲透設(shè)備安裝調(diào)試過程中，應考慮到加藥點位置對水質(zhì)的影響，合理設(shè)立加藥點，保證反滲透設(shè)備的良好使用價值。