納濾膜裝置的質量風險管理及可靠性分析

王玉國，羅晗月，張震宇，付紅麗

中國石油大慶油田有限責任公司 水務公司（黑龍江 大慶163411）

城市集中供水的飲用水水源主要分為地表水源和地下水源，其中地下水源原水水質相對較好，主要是去除水中過量的離子成分，以反滲透工藝為主的深度處理技術應用較為成熟。而地表水源中的污染成分相對較復雜，對于存在有機污染的水源，盡管采用膜分離凈水處理技術效果能夠有所保證，但還需要考慮膜的污染速度、清洗恢復及使用壽命等問題。同時針對飲用水，相對于以反滲透技術為主的純凈水工藝，也在探索納濾膜技術[1]的適應性。納濾膜透過物大小在1～10 nm，膜表面分離層可能擁有納米級（10 nm以下）的孔結構，故習慣上稱之為“納濾膜”、“納米膜”或“納米管”。中國石油大慶油田某飲用水廠集成安裝了一套撬裝式納濾膜凈水處理裝置[2]，作為廠區職工直飲水源。針對運行過程中出現的問題，運用質量管理的方法監控運行情況，每天進行數據采集，每周進行一次水質檢測，對數據進行歸納、整理和分析，評價納濾裝置運行的可靠性。通過質量風險管理及可靠性分析，從積累的大量原始數據中，查找風險因素，利用故障樹模型的方法查找故障原因，針對重要事件制定措施，探索能夠恢復膜過濾性能的方式方法，提升設備性能，降低成本，確保納濾膜凈水裝置使用的穩定性和可靠性。

1 納濾膜裝置運行狀況分析及質量風險管理機制

1.1 運行狀況分析

納濾膜凈水處理裝置在大慶油田某飲用水廠連續運行，原水取自水廠一期沉淀池出水，裝置運行一年后，跨膜壓差由0.06 MPa升高至0.11 MPa，產水量由0.97 m3/h下降至0.45 m3/h，工藝總體凈化處理性能出現明顯降低，影響了裝置運行的可靠性和穩定性。納濾膜凈水處理裝置采用“石英砂+活性炭+納濾膜”的工藝處理路線[3]（圖1），產水能力為1 m3/h，具有出水水質優、集成度高、全自動運行、結構緊湊、占地面積小等特點。

圖1 納濾膜處理裝置示意圖

1.2 構建質量風險預防機制

該裝置在運行過程中，在質量管理方面推行風險預警機制，每天進行定期巡檢，每月進行兩次質量檢查，每年進行一次設備檢修，記錄數據臺賬及相應問題，形成閉環管理[4-5]。通過檢查出的問題進行綜合打分，確定風險級別，通過風險控制措施執行現有程序或降低風險等級，保證裝置的平穩運行。根據納濾膜裝置的運行情況，風險因素主要由技術風險、人員風險及自然風險等組成，見表1。質量風險概率影響矩陣分析見表2，其中1～5分為低風險，6～12分為中風險，15～25分為高風險。

表1 風險因素

表2 質量風險概率影響矩陣分析表（分數計算） /分

通過加強日常巡檢、質量監督檢查、維修保養等，記錄并及時分析原因，利用圖表等分析方法，形成專項臺賬，確保整改解決。

通過在運行過程中查出的風險級別，低風險因素和中風險因素存在的情況分別占30%和70%，針對存在的中低風險，將進一步通過建立可靠性模型分析原因并解決。

2 納濾膜凈水裝置的可靠性分析

2.1 建立納濾膜裝置的可靠性模型

根據該裝置每個處理工藝功能的可靠性和整套裝置系統功能可靠性[5]的邏輯關系，其屬于串聯可靠性模型[6]，只要一道處理工藝發生故障，就會影響整套裝置的運行。因此，整體可靠性要小于或等于每個處理工藝的最低可靠性，即：R≤min(Ri)。納濾膜裝置由多道處理工藝組成，包括預處理（石英砂+活性炭）和膜組件（前置過濾器+納濾膜）。可靠性模型如圖2所示。建立可靠性模型后，利用故障樹分析方法，找到納濾膜裝置處理能力降低的原因，開展后續分析。

圖2 納濾膜裝置的可靠性模型

2.2 故障分析

在裝置運行過程中，會受到各方面因素的影響導致裝置的處理能力下降，采用故障樹的分析方法識別原因[7]，開展定量或定性的系統評價，實施對策和解決措施。圖3為納濾膜裝置故障樹模型[8]。

由圖3可以看出，引起納濾膜裝置故障的基本事件有8個（X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8），其中有7個最小割集[9]，分別是｛X1，X5｝，｛X2，X5｝，｛X3，X5｝，｛X4，X5｝，｛X5，X6｝，｛X5，X7｝，｛X5，X8｝。

圖3 納濾膜裝置故障樹

通過統計2020年納濾膜裝置的故障情況（表3），可以看出，次數較多并重要的幾個方面主要是原水水質、阻垢劑投加以及清洗效果的影響。只要減少這3類事件，就可以有效減少故障率。

表3 2020年納濾膜裝置運行事件統計

2.3 納濾膜裝置的糾正措施

2.3.1開展原水水質分析

通過對水廠沉淀池出水即納濾膜處理裝置的進水水質開展檢測分析，便于掌握其中的特征污染物。通過水質分析表（表4），可以看出其中CODMn含量達到了4.12 mg/L，說明有機污染較為嚴重；濁度、總硬度和溶解性總固體的含量也較高，對膜的損傷較大，需要采取一定的預防措施。

表4 水質分析

1）判斷污染情況。根據膜性能檢測中的接觸角、拉伸強度等檢測（表5），可以看出膜存在污染，有一定的老化，污染物在膜表面發生層狀沉積及疊加，甚至有污染物堆積的現象。

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表5 膜性能檢測

2）判斷主要污染成分。通過對納濾膜采用膜性能檢測判斷污染程度，通過紅外光譜、三維熒光等檢測方法，分析判斷污染物成分。

主要的膜污染物包括無機顆粒物和有機污染物。污染物質造成膜產量下降和膜污染的可逆性是不同的，因而識別出主要的膜污染物質對有效控制膜污染、提高膜過濾性能具有重要意義。

通過紅外光圖譜（圖4）可以看出，幾個不同的特征峰的波長段對應的官能團是O-H、N-H，物質由于氫鍵作用，形成了多聚體。可以推斷這部分污染是由含羥基或者胺基的污染物造成，是原水中所含腐殖酸或者氨基酸類污染累計導致。

圖4 紅外光圖譜

通過三維熒光圖（圖5）可以看出，存在兩個相對強烈的峰，其對應的物質分別為SMP（可溶微生物產物）和芳香族蛋白，說明膜垢中存在蛋白質和生物高聚物污染。

圖5 三維熒光圖

根據X射線光電子能譜分析確定膜表面元素含量和元素價態的分析，通過選取特征元素C、F、Si、Fe、Ca作為目標組成元素。檢測其中無機污染包含了Fe、Ca、Si，有機污染主要是羰基。

以上結果表明，污染物主要為有機污染和無機污染，有機污染包括蛋白質及多糖、腐殖質、親水性小分子有機物的污染，無機污染包括硅、鐵、鈣與有機污染（如腐植酸）的橋聯效應所形成的凝膠層。

2.3.2制定解決措施

1）對膜元件進行離線清洗[10]，恢復膜過濾性能。通常現場運行過程中會階段性開展在線化學清洗，但其具有一定的局限性，主要有以下幾方面原因：①藥劑溫度控制。提高溫度有助于提升清洗效果，清洗溫度在40～50℃效果最佳，但在線清洗時，清洗液溫度會對附屬設備產生一定的影響。②藥劑濃度控制。投加的酸性清洗劑和堿性清洗劑清洗最佳濃度為1%～2%，pH值范圍為5～13，高濃度的藥劑易造成設備腐蝕損壞。③清洗壓力不足。因為納濾膜是在一個膜殼里串聯，清洗到后端膜元件時壓力已經降低，沖洗強度減弱，膜清洗有一定影響。

針對以上原因，對納濾膜開展離線清洗，根據污染物的分析，現場配置酸性清洗劑、堿性清洗劑和消毒劑進行清洗。堿性清洗劑為氫氧化鈉溶液，配置pH值為13。酸性清洗劑為檸檬酸溶液，配置pH值為5。

將膜元件的進出水口拆卸，連接到離線清洗裝置上，按照設定程序開展清洗，清洗前后產水量和跨膜壓差對比結果見表6，表明清洗后產水量和跨膜壓差均得到一定的恢復。

表6 清洗前后產水量和跨膜壓差對比

2）調整阻垢劑投加量，降低納濾膜過濾負荷。阻垢劑能夠在一定范圍內控制無機物結垢，在不加酸的條件下，LSI最大允許值為2.8，與鐵、鋁氧化物及硅化合物不易凝聚形成不溶物，可直接投加或稀釋后投加，能夠有效延長系統清洗周期，延長膜的使用壽命。然而阻垢劑的投加量過多也會增加納濾膜的過濾負荷，正常運行過程中投加量是1 mg/L，通過膜檢測后發現原水中的無機鹽類有所下降，因此調整后阻垢劑的投加量為0.5 mg/L，持續監控裝置運行情況。

3）調整預處理工藝[10]，強化有機物處理能力。納濾膜技術過濾精度較高，對于水中的無機離子能夠有效發揮去除作用。通過對納濾膜凈水處理裝置的原水檢測和膜污染物成分檢測可以看出，主要以有機污染為主。為此通過增加預處理工藝，降低進入納濾膜的有機物含量，進而降低有機物對膜元件的污染程度。

工藝選擇：對現有有機物處理技術進行文獻整理研究，目前臭氧活性炭[11]兩級工藝串聯、臭氧+紫外線協同技術、膜混凝反應器等技術均能對水中有機物發揮凈化處理效能。通過技術對比，其中臭氧+紫外線協同技術具有較多優勢，其反應條件溫和，無需特定的溫度和壓力，且無需添加其他化學試劑。在波長小于310 mm的紫外線照射下，臭氧先產生了游離氧自由基，再進一步與水反應生成具有強氧化性的羥基自由基，可氧化分解有機物，水中的一些大分子有機物被氧化成易吸附物質或二氧化碳，經過石英砂和活性炭兩級濾罐的過濾或者吸附去除。

對增加預處理工藝前后膜的進水CODMn指標進行對比（由之前的平均3.71 mg/L降至2.40 mg/L），強化預處理工藝后，CODMn去除率由9.9%提高至42%，消解效率與CODMn的去除效果顯著，預處理效果良好。

確定最佳停留時間：通過現場實驗確定臭氧+紫外線最佳停留時間。由于石英砂和活性炭的壓力和流量為恒定設計，作為定值不進行調整。根據調整臭氧+紫外線水箱的大小，設計停留時間為20、40、60 min，采集中段出水CODMn，確定最佳停留時間。數據結果如圖6所示。

圖6 CODMn中段出水數值

由圖6曲線可以看出，停留時間超過20 min的兩組CODMn檢測數據，對CODMn的凈化處理效果并沒有表現的更加優異。按照投入效益最佳原則，確定停留時間為20 min。

3 質量管理后的設備運行情況

膜運行過程中的質量參數包括產水量、跨膜壓差，濁度和CODMn的去除率等，對每個質量參數進行檢測和數據監測。根據數據分析可知，納濾膜的使用性能、產水量均能恢復到90%以上，納濾膜裝置產水量平穩，跨膜壓差曲線相對平穩，波動較小，在一定程度上延長了膜的使用壽命。

根據其他關鍵水質檢測指標參數檢測數值可看出，出水濁度為0.098 NTU（在0.1 NTU以下），可有效去除原水中的CODMn，去除率達到95.7%。電導率值波動在15～25μs/cm，總硬度值＜1.0 mg/L，溶解性總固體值穩定在7.5～17 mg/L，均能滿足使用要求。

4 結論

通過質量風險管理確定風險因素，針對中低風險開展可靠性分析，建立可靠性模型，利用故障樹分析方法，查找納濾膜裝置在運行過程中出現的故障問題及薄弱環節，為制定預防和改進措施提供依據，保證裝置凈化處理能力的有效恢復和平穩可靠運行。

1）通過原水水質分析和膜檢測，確定了膜污染中導致性能下降的主要特征污染物為有機物污染。

2）采用離線清洗、調整阻垢劑投加量后，裝置生產能力得到有效恢復；增加預處理工藝后，CODMn的去除率提高了32%。通過監控產水量、跨膜壓差、濁度以及電導率等運行參數及水質檢測指標可以看出，設備運行平穩，更具可靠性。

3）質量管理工作中，將進一步加強日常水質和裝置運行狀況監測，及時保養、跟蹤維護，定期開展質量督查，將質量管理與日常運行有效結合起來，嚴格控制污染物成分，積累更多產品設計、運行和維護經驗。