某電廠反滲透及保安過濾器運(yùn)行壓差高原因分析

2023-01-14 05:33:14王驍杰

能源工程 2022年6期

王驍杰

（臺州發(fā)電廠，浙江臺州 318016）

0 引言

超濾及反滲透系統(tǒng)以其高脫鹽率、操作便利性及化學(xué)藥品使用少的特點(diǎn)大量應(yīng)用在水處理預(yù)脫鹽工藝中[1-2]，在電力、石化和鋼鐵行業(yè)中應(yīng)用廣泛，浙能集團(tuán)公司各發(fā)電廠也大量裝備應(yīng)用，全部數(shù)量達(dá)兩萬余件。

反滲透前處理系統(tǒng)一般包括超濾、微濾、多介質(zhì)過濾器、活性炭過濾器、保安過濾器等，不同的工程根據(jù)實(shí)際水質(zhì)設(shè)計(jì)前處理系統(tǒng)，但一般保安過濾器和超濾系統(tǒng)是標(biāo)配。超濾系統(tǒng)一般起到濾除大部分顆粒、膠體及大分子有機(jī)物的作用，過濾精度在0.02～0.1 μm；保安過濾器起到防止系統(tǒng)顆粒雜質(zhì)對反滲透膜的損害及污堵作用，過濾精度一般為1～10 μm。運(yùn)行中對反滲透膜進(jìn)水水質(zhì)有一定的要求，一般以污染指數(shù)SDI來表征，要求控制小于3.0，同時超濾及保安過濾器運(yùn)行也有各自的運(yùn)行指標(biāo)如壓差、SDI指數(shù)等。

某熱電廠除鹽水處理系統(tǒng)，采用混凝澄清—超濾—反滲透—EDI工藝制取除鹽水，具體工藝流程如下：

河水—高密度沉淀池—多介質(zhì)過濾器—超濾—超濾水箱—保安過濾器—一級反滲透（分兩段）—二級反滲透—EDI—除鹽水箱。

其中超濾系統(tǒng)采用某進(jìn)口品牌PES（聚醚砜）材質(zhì)膜，過濾精度0.05 μm，采用全流過濾模式，設(shè)計(jì)出水濁度小于0.5 NTU，SDI小于2.5，跨膜運(yùn)行壓差小于125 kPa；保安過濾器采用某國產(chǎn)折疊式PP材質(zhì)濾芯，運(yùn)行壓差小于150 kPa。反滲透系統(tǒng)是二級處理，采用某國產(chǎn)反滲透膜產(chǎn)品，一級膜是抗污染型，型號SMR-FR-400，有寬流道抗污染產(chǎn)水量大的特點(diǎn)，二級膜是超低壓膜，型號是SMR-ULE-400，具有較低的運(yùn)行壓力。反滲透膜的運(yùn)行壓差一般按照單段不超過300 kPa控制，在280 kPa左右安排化學(xué)清洗。

系統(tǒng)在多介質(zhì)過濾器出口設(shè)置有次氯酸鈉加藥點(diǎn)，在超濾水箱出口設(shè)置有亞硫酸氫鈉（SBS）加藥點(diǎn)以中和過剩的余氯。

1 異常現(xiàn)象及問題

反滲透系統(tǒng)從改造完畢后投運(yùn)3年多以來，一直穩(wěn)定運(yùn)行，其中一級反滲透膜一段運(yùn)行壓差變化在150～280 kPa之間，運(yùn)行周期在6個月左右，安排化學(xué)清洗后運(yùn)行壓差可以恢復(fù)。一級反滲透膜初始脫鹽率在99.3%左右，一年后在98.5%～99%之間穩(wěn)定運(yùn)行，反滲透系統(tǒng)出力也保持穩(wěn)定。保安過濾器運(yùn)行壓差在20～150 kPa之間，保安過濾器濾芯壓差一般在20 kPa以下，運(yùn)行至150 kPa左右失效更換，更換周期在2～3個月。

2021年某段時間系統(tǒng)運(yùn)行中，出現(xiàn)了一級反滲透一段和保安過濾器運(yùn)行壓差逐步上升，且上升周期越來越快的現(xiàn)象。

原保安過濾器濾芯失效時間為2～3個月，近期縮短至1～2周，甚至新?lián)Q濾芯運(yùn)行2天多壓差就上升至130 kPa。上升速度非常快，表明污堵情況非常嚴(yán)重。

一級反滲透一段運(yùn)行壓差從清洗后初始壓差150 kPa快速上升到270 kPa，在最嚴(yán)重時甚至80多個小時就達(dá)到了275 kPa，脫鹽率指標(biāo)正常，不得不安排停機(jī)進(jìn)行化學(xué)清洗，嚴(yán)重影響了整個化學(xué)系統(tǒng)的制水，同時由于壓差高，保持額定出力需要提高運(yùn)行壓力，高壓泵電流同比上升明顯。

過濾器和反滲透一段運(yùn)行壓差上升曲線如圖1、圖2所示。

圖1 一二級保安過濾器運(yùn)行壓差上升曲線

圖2 每一級反滲透一段運(yùn)行壓差上升曲線

對設(shè)備進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)保安過濾器內(nèi)壁和反滲透進(jìn)口有粘滑狀物質(zhì)存在，過濾器濾芯上有明顯的污染物（見圖3），顏色偏黃，稍有點(diǎn)粘滑性，上述污染物均有明顯的腥臭味。

圖3 反滲透進(jìn)水端內(nèi)壁污染物照片

以上檢查情況表明，保安過濾器濾芯和一級反滲透膜遭到了污染，造成運(yùn)行壓差快速上升。

2 污堵影響因素及原因排查

反滲透系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)的污染物分為無機(jī)污染物和有機(jī)污染物。主要表征指標(biāo)有SDI值、顆粒物數(shù)量、菌落含量等。

無機(jī)污染物如殘余混凝劑（主要成分鐵、鋁化合物）、懸浮物（主要元素硅、鋁），這些物質(zhì)通常設(shè)計(jì)由原水預(yù)處理以及反滲透前面的超濾系統(tǒng)中去除，但如果前序系統(tǒng)出問題，則通常容易堆積在過濾器濾芯上，引起運(yùn)行壓差升高[3]。

有機(jī)污染物有機(jī)物及微生物菌落，主要元素有C、H、O、N等。一般采用在多介質(zhì)過濾器處加次氯酸鈉來控制細(xì)菌微生物生長，通過過量加以保持一定的余氯值，剩余的余氯采用在超濾水箱出口加還原劑亞硫酸氫鈉（SBS）中和，但是在SBS加藥過量的情況下反而容易滋生厭氧菌污染[4]。

對多介質(zhì)過濾器、超濾進(jìn)出口、水箱及保安過濾器進(jìn)口進(jìn)行污染物劑水樣取樣，分析污染物元素成分、菌落總數(shù)和水中顆粒物及SDI數(shù)值。

采用先進(jìn)的EDS掃描儀對濾芯污染物進(jìn)行元素分析，以判斷污染物成分及來源。濾芯污染物成分分析結(jié)果如表1所示。

表1 濾芯污染物成分分析結(jié)果

以上分析結(jié)果表明，污染物成分中無機(jī)組分Al、Si、Ca、Fe比較多，占14.84%，最多的占到17.65%，這一數(shù)據(jù)明顯偏高，這些無機(jī)物質(zhì)一般來自原水，在前序的預(yù)處理系統(tǒng)中應(yīng)該被去除。預(yù)處理系統(tǒng)包括混凝澄清、過濾以及超濾系統(tǒng)，由此可以認(rèn)為前序超濾或混凝過濾系統(tǒng)中存在問題，未能將這些雜質(zhì)截留住。以C、N、O為主的有機(jī)組分，合計(jì)占比平均在83.83%以上，說明有機(jī)組分也比較多，屬于混合型污染。

對反滲透膜進(jìn)水端及過濾器內(nèi)壁上的污染物進(jìn)行EDS掃描分析，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 內(nèi)壁污染物成分分析結(jié)果

以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，反滲透膜進(jìn)水端及過濾器內(nèi)壁污染物成分主要以C、N、O為主，合計(jì)占比基本在90%以上，最高達(dá)到了99.5%；無機(jī)組分占比平均為2.82%，最高才4.72%，由此可以認(rèn)為內(nèi)壁污堵的成分主要為有機(jī)物，結(jié)合污染物粘滑特性及明顯腥臭味，判斷是微生物污染。

對多介質(zhì)過濾器進(jìn)口、超濾進(jìn)口、超濾出口、超濾水箱及一級保安過濾器進(jìn)口取得水樣進(jìn)行微生物菌落檢測分析（參照標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 5750.12-2006生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法-微生物指標(biāo)），結(jié)果如表3所示。

表3 各取樣點(diǎn)菌落總數(shù)數(shù)據(jù)

分析以上菌落數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：多介質(zhì)過濾器進(jìn)口雖然為225 CFU/mL，經(jīng)過NaClO殺菌處理后（加藥點(diǎn)在多介質(zhì)出口），超濾進(jìn)出口及超濾水箱含量為1～3 CFU/mL，殺菌效果較好；但保安過濾器進(jìn)口含菌量達(dá)到515 CFU/mL，明顯又發(fā)生了細(xì)菌污染。

導(dǎo)致細(xì)菌微生物污染發(fā)生的因素很多，如水源、溫度、季節(jié)、處理方式、運(yùn)行條件、加藥方式等[5]。運(yùn)行中超濾水箱出口投加NaHSO3（SBS）以中和余氯，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)超濾水箱余氯一般在0.5～1.5 mg/L之間，平均值在1 mg/L，SBS加藥量近期在6～8 mg/L之間。

SBS中和余氯的反應(yīng)原理如下：

根據(jù)反應(yīng)原理，SBS和余氯的摩爾比是1∶1，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)一般是2～3倍比例，但該系統(tǒng)加藥量因季節(jié)原因調(diào)整到6～8倍，因此存在大量的SBS過剩的情況，使整個水系統(tǒng)變?yōu)檫€原性工況，而在藥劑嚴(yán)重過量的還原性工況下容易造成厭氧菌滋生。解體檢查發(fā)現(xiàn)超濾出口至反滲透進(jìn)口保安過濾器管段內(nèi)壁，重新受到了厭氧細(xì)菌污染，保安過濾器內(nèi)及反滲透進(jìn)口端微生物大量生長，造成一級反滲透膜一段運(yùn)行壓差快速上升。

對多介質(zhì)過濾器進(jìn)口、一級超濾進(jìn)口、一級超濾出口、超濾水箱及一級保安過濾器進(jìn)口取水樣進(jìn)行顆粒物變化分析，結(jié)果如表4所示。

表4 各系統(tǒng)水中顆粒物測量數(shù)據(jù)

通過對上述系統(tǒng)各工序段水樣的顆粒物數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)多介質(zhì)過濾器進(jìn)口至超濾進(jìn)口水樣，各粒徑范圍顆粒物均大幅減少，說明多介質(zhì)過濾器運(yùn)行有效，預(yù)處理系統(tǒng)水質(zhì)合格；超濾進(jìn)出口顆粒物含量下降不明顯，表明超濾并未起到應(yīng)有的效果；保安過濾器有效精度是5 μm，因此5 μm以上的顆粒物會被截留在濾芯上，引起壓差上升。對超濾出水的SDI值進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 超濾產(chǎn)水SDI值

超濾出水正常SDI值要求小于2.5，最大不不超過3.0，從以上數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)值普遍較大，表明超濾系統(tǒng)可能存在異常情況。而引起SDI值偏高的原因有超濾膜斷絲、破損、膜絲脫落、過濾孔徑偏大不符合規(guī)定等情況。

通過以上顆粒物數(shù)據(jù)和SDI值數(shù)據(jù)分析判斷認(rèn)為，超濾系統(tǒng)并沒有起到濾除小顆粒雜質(zhì)的作用，可能存在斷絲情況，須解體檢查。對超濾進(jìn)行解體氣密性檢測如圖4所示，發(fā)現(xiàn)超濾膜組件存在明顯的斷絲情況，統(tǒng)計(jì)平均每根超濾膜約有38支有斷絲現(xiàn)象。由于超濾膜有斷絲情況，造成部分原水短路，未經(jīng)過膜處理直接到超濾出口管道，部分雜質(zhì)顆粒穿透，引起SDI值超標(biāo)，這些雜質(zhì)顆粒最終沉積在保安過濾器濾芯上，這也可以從超濾出口SDI值較高和顆粒物數(shù)量偏高得到驗(yàn)證。

圖4 超濾解體斷絲情況檢查

超濾膜絲材質(zhì)有多種，早期有PP、PVC、PS、PES等，目前主流是PVDF和PTFE，各種材質(zhì)的特性如表6所示。

表6 各種材質(zhì)超濾膜性能比較

本超濾膜材質(zhì)是聚醚砜（PES），該材質(zhì)雖然親水性能較好，但強(qiáng)度一般，比較脆，該系統(tǒng)PES膜在運(yùn)行中發(fā)生了明顯的斷絲情況。

3 總結(jié)及處置

根據(jù)以上排查情況，導(dǎo)致保安過濾器和一級反滲透一段運(yùn)行壓差的原因如下：超濾膜斷絲引起部分無機(jī)顆粒雜質(zhì)穿透超濾膜，最后大顆粒（大于5 μm）雜質(zhì)沉積在保安過濾器濾芯上，造成濾芯壓差首先上升。加上SBS的過量投加，藥劑嚴(yán)重過剩的情況下，造成厭氧菌在合適的溫度和有機(jī)營養(yǎng)質(zhì)前提下大量滋生，在濾芯和管道及反滲透膜進(jìn)口端生長，造成一級一段反滲透系統(tǒng)運(yùn)行壓差也快速升高。

根據(jù)以上原因，采取了如下處理措施：

（1）對超濾斷絲膜暫時進(jìn)行封堵處理，后續(xù)采用整體技改方式更換。經(jīng)過調(diào)研，目前國內(nèi)外超濾主流材質(zhì)為PVDF（聚偏氟乙烯）和PTFE（聚四氟乙烯），由于PTFE價格偏高，而PVDF材質(zhì)的超濾膜以其耐化學(xué)清洗、強(qiáng)度高、出水水質(zhì)好逐漸得到大量應(yīng)用。因此更換為優(yōu)質(zhì)的PVDF材質(zhì)超濾膜，斷絲問題得到解決，超濾出水SDI值回歸正常。

（2）殺菌處理。對保安過濾器、濾芯及反滲透膜進(jìn)口管道進(jìn)行機(jī)械清理，然后進(jìn)行離線和在線雙重殺菌處理；選擇兩三種非氧化殺生劑交替對超濾水箱出口管道進(jìn)行在線殺菌處理，對反滲透系統(tǒng)及進(jìn)水管道進(jìn)行在線殺菌處理。

（3）調(diào)整SBS加藥量，和余氯量匹配，不超過2.5倍，抑制厭氧菌的生長。

經(jīng)過以上改造和反復(fù)殺菌處理后，超濾系統(tǒng)出水運(yùn)行正常，SDI值在1.5～2之間，后期保安過濾器及反滲透膜的運(yùn)行壓差趨于穩(wěn)定，基本恢復(fù)到原先運(yùn)行周期。

4 結(jié) 語