淺談殺菌劑對反滲透裝置運行的影響

張飛飛,曹 丹

(陜西長青能源化工有限公司, 陜西寶雞 721405)

陜西長青能源化工有限公司年產60萬t甲醇項目配置脫鹽水系統,系統設計最大處理水質量流量為1 000 m3/h。該系統包含預處理系統、除鹽系統和冷凝液回收處理系統,其中除鹽系統采用超濾裝置+反滲透裝置+混合離子交換器(簡稱混床)工藝。自投產以來,脫鹽水系統運行穩定,但在2022年7月,反滲透藥劑化學清洗頻次突然增加,反滲透裝置前投加的還原劑和氧化劑增加,保安過濾器濾芯使用壽命大幅縮短,人員勞動強度加大。為此,筆者對造成該問題的原因進行分析,并提出解決措施。

1 脫鹽水處理工藝

1.1 脫鹽水工藝流程

脫鹽水工藝流程見圖1。

圖1 脫鹽水工藝流程

來自原水管網的新鮮水與來自界外的透平冷凝液在原水換熱器中進行換熱后進入原水箱,由原水泵送入自清洗過濾器過濾去除水中的懸浮物,再經過超濾裝置進一步降低水中的化學需氧量(COD)和濁度,使進水品質滿足反滲透裝置要求,再由反滲透裝置除去水中的大部分鹽分,經除碳器除去二氧化碳,進入中間水箱,由中間水泵送入混床進一步去除水中剩余的陰陽離子,合格的脫鹽水進入脫鹽水箱,由脫鹽水泵送往鍋爐和各工藝裝置。

1.2 反滲透工藝原理

反滲透裝置是用足夠的壓力使溶液中的溶劑(一般是水)通過反滲透膜(或稱半透膜)分離出來,因為這個過程和自然滲透的方向相反,所以稱為反滲透。經過反滲透處理后,水中雜質含量降低,水質純度提高;反滲透裝置的脫鹽率可達到98%以上,并能將水中大部分的細菌、膠體及大分子質量的有機物去除,從而提取高品質的脫鹽水[1]。

1.3 反滲透裝置運行需要注意的問題

從反滲透裝置的運行原理來看,為了使反滲透裝置能夠長期正常運行,需要解決反滲透膜污染和反滲透膜結垢兩大難題。

為了解決反滲透膜結垢問題,可以使用良好的反滲透膜阻垢劑,以提高水中的難溶物質的飽和度,同時抑制結垢因子生長,使其結垢分散、晶格扭曲,達到良好的阻垢性能。

為了解決反滲透膜污染問題,可以在反滲透裝置配置5 μm保安過濾器,以防止大顆粒物和微生物進入高壓泵及反滲透裝置,污染和損傷反滲透膜,同時選擇合適的殺菌劑,防止反滲透膜被生物污染。

1.4 氧化性殺菌劑對反滲透裝置運行的影響及控制措施

投加殺菌劑的目的是抑制水中的微生物及細菌的生長或將其徹底殺死,以避免污染堵塞反滲透膜。目前反滲透裝置前設備投加的殺菌劑多為含氯型氧化性殺菌劑。殺菌劑濃度低會導致反滲透裝置滋生細菌,因此為了保證殺菌效果,投加的殺菌劑必須達到一定劑量。通常要求反滲透裝置前管道和設備水中的余氯質量濃度為0.2～0.5 mg/L。反滲透膜的材質為芳香族聚酰胺,該材料為還原性物質,在0.2～0.5 mg/L的余氯下反滲透膜會發生氧化,造成脫鹽率急速下降,使反滲透膜永久性損壞。為了防止反滲透膜被氧化,通常在反滲透前投加還原劑——NaHSO3溶液,控制反滲透裝置進水的余氯質量濃度小于0.1 mg/L[2-3]。

2 存在的問題

2.1 保安過濾器壓差上漲較快

2022年4月,脫鹽水系統反滲透裝置保安過濾器濾芯壓差上升較快。由于當濾芯壓差大于0.1 MPa時就需要更換,因此濾芯更換頻次由3個月變為1個月。打開保安過濾器后發現濾芯內有黏性物質,用火燒后可以聞到毛發燒焦的腥臭味,由此推斷為脫鹽水系統出現了生物污染。2022年4月中旬,增大氧化性殺菌劑量,保證超濾產水的余氯質量濃度在0.3～0.5 mg/L;為了保證反滲透膜不被氧化,同時又將還原劑量增大。根據理論計算可知,還原劑量應為余氯的3倍,即還原劑NaHSO3投加質量濃度控制在0.9～1.5 mg/L即可滿足要求;但現場為了保證反滲透裝置進水余氯質量濃度在0.05 mg/L以下,實際將還原劑NaHSO3投加質量濃度控制在5 mg/L,甚至更高。調整后,保安過濾器的黏性物質沒有得到好轉,且保安過濾器污堵更加嚴重,濾芯更換頻次變為20 d更換1次。

2.2 反滲透裝置壓差上漲快

2022年4月8日,反滲透裝置進水一段壓差為0.1 MPa,上漲較快;2022年4月16日,反滲透裝置進水一段壓差已漲到0.15 MPa,需要進行化學清洗。打開反滲透膜檢查,反滲透膜上有微生物滋生,微生物在氧化性和非氧化性殺菌劑溶液的作用下迅速被殺死。2022年4月19日后,不斷增加次氯酸鈉氧化性殺菌劑和還原劑用量后,最終將超濾產水的余氯質量濃度控制在0.5 mg/L,還原劑NaHSO3投加質量濃度已達到10 mg/L,但是反滲透裝置進水一段壓差上漲快的問題仍未得到有效解決。2022年4月20日,反滲透裝置進水一段壓差已達到0.2 MPa,壓差上升速率更快。

2022年4月—5月反滲透裝置壓差見圖2。

圖2 2022年4月—5月反滲透裝置壓差

3 原因分析

對反滲透裝置的進水水質進行檢測,結果見表1。

表1 反滲透裝置的進水水質檢測結果

由表1可以看出:SDI、濁度、總鐵質量濃度均正常,但反滲透裝置進水 COD較大(COD指示要求小于1.5 mg/L),說明進水中有機物含量偏大。有機物是生物細菌所需的營氧物質,為了保證反滲透膜不被氧化,還原劑NaHSO3投加量遠大于正常投加量,導制水中硫化物濃度高。反滲透裝置前管道和保安過濾器內部本身處于封閉環境,是理想的厭氧型環境;豐富的營氧物質、硫細菌,加上理想的厭氧環境,給硫細菌等厭氧菌的滋生提供了條件,導致反滲透膜被厭氧生物污染[4]。2020年4月中旬,調整了氧化劑和還原劑NaHSO3投加量后,錯誤地導致了還原劑NaHSO3進一步過量,反而為硫細菌提供了營養,導致了系統厭氧微生物滋生得更快,造成了反滲透裝置污堵加劇。

4 解決方案

4.1 利用化學清洗設備對反滲透裝置進行沖擊性殺菌

(1) 停止運行反滲透裝置,打開化學清洗進水閥、化學清洗回流閥(一段、二段分開單獨進行清洗)、化學清洗產水回流閥門,關閉反滲透裝置進水閥門、濃水閥門、產水閥門。

(2) 將化學清洗水箱加水至2/3處,投加25 kg非氧化性殺菌劑(加藥質量濃度為2 000～3 000 mg/L),打開清洗泵開始清洗,清洗4～6 h后浸泡8～12 h。

(3) 反滲透裝置殺菌完成后對反滲透裝置進行沖洗,并將閥門歸位。

4.2 利用氧化性殺菌劑對反滲透裝置前管道系統徹底殺菌

(1) 將進系統與反滲透裝置徹底斷開,再將系統余氯質量濃度控制在0.5 mg/L,對系統管道連續殺菌1～2 h。

(2) 停止氧化性殺菌劑的投加,繼續沖洗管道,將管道轉換干凈,檢測余氯質量濃度應小于0.1 mg/L。

(3) 恢復反滲透裝置與進系統的連接。

4.3 用非氧化殺菌劑替代氧化性殺菌劑

在脫鹽水系統中投加非氧化殺菌劑(異塞唑琳酮)后,可以避免反滲透膜被氧化的風險,減少了還原劑的使用量,以及工人配藥的勞動強度。但是非氧化性殺菌劑(異塞唑琳酮)對細菌的抑制作用較強,卻不能完全將細菌徹底殺死,長時間運行仍會造成細菌滋生;因此,需要定期投加氧化性殺菌劑徹底殺菌。根據實際經驗總結,每6個月投加1次氧化性殺菌劑,1次運行2 d,投加的效果最好。同時,2種殺菌劑交替使用,還能避免細菌產生抗藥性,保證系統長時間穩定運行。反滲透裝置運行數據表明,反滲透裝置藥劑消耗量明顯變小,化學清洗頻次大幅度減小,保安過濾器濾芯更換頻次變為3～4個月,濾芯使用壽命大增長。

5 改造效果

2020年脫鹽水次氯酸鈉用量為10.05 t,亞硫酸氫鈉用量為45.315 t。2021年次氯酸鈉用量為11.15 t,亞硫酸氫鈉用量為53.345 t。2022年1月—4月次氯酸鈉平均用量為1.1 t,亞硫酸氫鈉平均用量為4.52 t。改變脫鹽水系統加藥方式后,2022年5月—12月亞硫酸氫鈉和次氯酸鈉的用量為0,每月只需要投加0.8～1.0 t的非氧化殺菌劑(異塞唑琳酮),加藥成本顯著降低。2022年脫鹽水系統加藥量見圖3。

圖3 2022年脫鹽水系統加藥量

改變脫鹽水系統加藥方式后,優化了脫鹽水系統反滲透裝置的運行工況,減少了藥劑的消耗量和反滲透裝置的化學清洗頻次。與2021年相比,次氯酸鈉減少11.15 t,次氯酸鈉單價按950元/t計算,節省費用10 592.5元;亞硫酸氫鈉減少53 t,亞硫酸氫鈉單價按2 300元/t計算,節省費用121 900元,全年反滲透裝置化學清洗勞務費和藥劑消耗費用約50 000元,使用非氧化殺菌劑(異塞唑琳酮)成本約為100 000元。藥劑方式調整后,可以節省約82 490元,經濟效益良好。

6 結語

優化調整反滲透裝置進水殺菌劑和還原劑的投加量,可以減輕反滲透裝置的細菌污染情況,減少反滲透裝置的化學清洗次數,延長反滲透裝置和保安過濾器的使用壽命。將非氧化性殺菌劑替代氧化性殺菌劑在反滲透裝置中投加使用,對反滲透裝置而言,運行更加安全,同時有利于企業降低運行成本,是今后反滲透裝置加藥方式的發展趨勢。