淺析水處理系統(tǒng)膜清洗工藝設(shè)備運行優(yōu)化

肖仲華，黃超，葉志敏,3，趙雪媛，張彪，王松林

（1.湖北省工業(yè)建筑集團公司；2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.深圳同創(chuàng)環(huán)保科技有限公司，廣東 深圳 518051）

1 水處理膜應(yīng)用現(xiàn)狀

超濾膜技術(shù)作為城市給水、生活污水和工業(yè)廢水處理的新型工藝技術(shù)，由于其出水水質(zhì)良好、工藝系統(tǒng)簡單、提標改造方案靈活，能有效去除水中的膠體顆粒、色度、有機物、微生物、細菌和病毒，特別是近年來膜制備工藝進步、膜材料和膜組件價格降低、建設(shè)費用投資和維護成本下降，已經(jīng)逐步在水處理行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，是水處理領(lǐng)域近40年來的重要技術(shù)進步。

在城市自來水系統(tǒng)中，“以浸沒式超濾膜為核心的短流程凈水工藝”弱化了常規(guī)工藝的沉淀功能，通過超濾完成固液分離，通過膜的清洗、回收、排泥，達到系統(tǒng)內(nèi)的固液平衡，特別是平衡消毒效果和消毒副產(chǎn)物的形成，逐步在國內(nèi)外得到推廣應(yīng)用。在對城市污水處理廠和工業(yè)廢水處理常規(guī)物化生化處理后，超濾膜技術(shù)用于二級出水的深度處理，能夠獲得良好的中水水質(zhì)，或者作為補水回用于循環(huán)冷卻補水系統(tǒng)，得到了良好的應(yīng)用效果。

但是，在膜過濾過程中污染物質(zhì)會附著在膜表面或者堵塞膜孔形成膜污染，造成膜通量下降、過濾效率降低和處理成本升高等問題。目前，膜污染是制約膜技術(shù)在水處理領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素，膜組件清洗系統(tǒng)成為超濾膜水處理系統(tǒng)中必不可少的工藝組成。

本文以工程經(jīng)驗為基礎(chǔ)，在國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，梳理膜組件清洗的關(guān)鍵技術(shù)和方法，提出運行優(yōu)化的操作條件和方法，為工程設(shè)計和運行維護提供參考。

2 常見膜污染控制手段

目前，對膜污染控制的研究主要集中在膜材料改性、膜前預(yù)處理和運行條件優(yōu)化及控制三個方面。膜材料改性主要是通過表面涂覆法和相轉(zhuǎn)化法等途徑將碳納米管、納米銀等材料負載在膜材料上，提升膜的親水性、抗污染性和抗菌性能等。膜前預(yù)處理主要是通過改變進水污染物質(zhì)的濃度和性質(zhì)來降低膜污染，目前常見的預(yù)處理工藝有混凝、吸附、氧化和組合預(yù)處理等。混凝預(yù)處理能夠在一定程度上緩解膜污染，但是混凝投加量隨原水波動較大，殘余混凝劑可能會加重膜污染。吸附預(yù)處理對水中膠體有機物的去除效果有限，無法緩解膠體顆粒導(dǎo)致的膜污染。氧化預(yù)處理雖然對后續(xù)超濾工藝的膜污染有明顯的控制效果，但是氧化劑的投加不可避免會產(chǎn)生二次污染的問題，例如，臭氧預(yù)處理會生成具有致癌性與致突變性的溴酸鹽副產(chǎn)物，高錳酸鹽預(yù)氧化可能會造成水體色度、膜前污泥產(chǎn)量以及水中錳離子濃度的增高。與以上兩種方法相比，運行條件的優(yōu)化和控制對于大型凈水廠來說更加簡便常用。綜合以上分析，膜清洗技術(shù)是水廠工程實踐運行中控制膜污染、恢復(fù)膜通量的有效手段。

目前膜清洗方法主要有物理和化學(xué)清洗兩種。物理方法只能去除可逆污染，化學(xué)清洗是清除膜系統(tǒng)長期運行后產(chǎn)生的不可逆污染的必要手段。化學(xué)清洗的主要藥劑有酸、堿、氧化劑、螯合劑、表面活性劑和酶等。酸主要用于無機鹽污染的去除；堿清洗劑能夠水解去除水中多糖和蛋白質(zhì)，同時通過皂化作用去除脂肪和油類物質(zhì)；螯合劑主要用于去除金屬污染物；氧化劑主要通過氧化作用使有機污染物變性，進而清除膜污染。次氯酸鹽作為一種強氧化劑，具有成本低、氧化處理效果好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于膜污染的化學(xué)清洗工藝中。但是，次氯酸鹽清洗也存在不足，比如，可能會對膜材料本身產(chǎn)生不利影響，生成副產(chǎn)物。次氯酸鹽在清洗天然有機物型、藻源型和菌源型膜污染的過程中均會導(dǎo)致具有“三致”特性的毒性副產(chǎn)物的生成，這些毒性副產(chǎn)物殘留在剩余清洗液中，在排放時會對環(huán)境造成嚴重影響。

3 傳統(tǒng)膜污染化學(xué)清洗方法

工程實踐中，工程設(shè)計標準提出了通用的物理清洗系統(tǒng)和化學(xué)清洗系統(tǒng)的組成和一般要求，超濾膜設(shè)備供應(yīng)企業(yè)根據(jù)產(chǎn)品膜特點和性能提出了常規(guī)的膜清洗技術(shù)要求，水廠通常會根據(jù)工程工藝和水質(zhì)水量特點形成自己的經(jīng)驗做法。由于各家膜材料和設(shè)備企業(yè)的材料改性方法、組件封裝方法不同，水廠超濾膜前處理工藝和水質(zhì)要求不同，膜污染清洗藥劑、投加濃度、清洗溫度、清洗順序都發(fā)生很大的變化。

以某水廠為例，該水廠進水來自網(wǎng)格混凝池-斜管沉淀池-濾池出水，膜過濾工藝采用壓力式膜處理工藝，膜組件為錯流過濾內(nèi)壓力中空纖維膜。在清洗藥劑和清洗周期的選擇上，供貨商提出的方案是氫氧化鈉1000mg/L，檸檬酸20000mg/L，次氯酸鈉2500mg/L，清洗周期90天。在運行過程中，水廠根據(jù)運行效果、技術(shù)經(jīng)濟性和相似工程案例進行了調(diào)整，設(shè)定為氫氧化鈉500mg/L，檸檬酸10000mg/L，次氯酸鈉1000mg/L，清洗周期180天，大大降低了藥劑投加量，延長了過濾周期，提高了經(jīng)濟技術(shù)水平。可見，若膜池進水來自過濾，其進水濁度得到了很好控制，膜清洗藥劑濃度要求就大大下降，清洗周期也得到了延長，說明膜池進水水質(zhì)對膜清洗的工藝運行參數(shù)影響至關(guān)重要，膜清洗工藝系統(tǒng)設(shè)計不能一概而論、統(tǒng)一設(shè)計，而應(yīng)該一廠一策，根據(jù)膜池進水水質(zhì)、水量和膜清洗藥劑供應(yīng)條件、形態(tài)和濃度配置手段，進行針對性設(shè)計和調(diào)整。

4 膜污染清洗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)要求

室外給水設(shè)計標準中提出，膜過濾化學(xué)清洗系統(tǒng)主要包括藥劑的貯存、配置、投加、循環(huán)設(shè)施和管道泵閥等。下面就以下幾個關(guān)鍵清洗技術(shù)要求進行討論。

4.1 化學(xué)清洗藥劑

化學(xué)清洗主要針對常規(guī)性日常氣水反沖洗等物理清洗方法不能去除的深層膜污染，通過浸泡、反應(yīng)去除膜孔中積累的有機和無機類堵塞物質(zhì)，減少跨膜壓差，恢復(fù)膜的過濾能力。室外給水設(shè)計標準提出化學(xué)清洗應(yīng)包括低濃度和高濃度兩類，藥劑可以采用次氯酸鈉、檸檬酸、鹽酸、氫氧化鈉等。實踐中由于檸檬酸容易造成生物污染，常常用其他酸代替，比如草酸、硫酸等。實踐中，采用1000mg/L次氯酸鈉浸泡清洗和0.4%的鹽酸浸泡清洗后，基本可以達到較好的膜污染清洗效果。

4.2 化學(xué)清洗系統(tǒng)

按照規(guī)范要求，由于膜過濾清洗藥劑具有較強的氧化和酸堿腐蝕能力，從安全使用角度考慮，化學(xué)試劑間獨立設(shè)置，并靠近膜池。藥劑分開貯存、配置和投加，化學(xué)試劑間貯存的鹽酸、氫氧化鈉、次氯酸鈉等藥劑通過投加泵進入溶液箱，配置設(shè)計濃度后，送入膜池，經(jīng)過浸泡、清洗后，進入回收廢液池送入化學(xué)處理池。

4.3 化學(xué)清洗廢液處理

膜污染化學(xué)清洗后，產(chǎn)生大量的化學(xué)清洗廢水和化學(xué)清洗結(jié)束后的物理性清洗廢液，含有清洗溶液的殘余物、清洗污染產(chǎn)生的二次污染等，均收集在化學(xué)處理池。采用次氯酸鈉清洗膜污染，有可能產(chǎn)生鹵代毒性副產(chǎn)物，特別是腐殖酸類膜污染中含有C=O、C=C、-COOH和O-H官能團的部分容易附著在膜表面，是引起副產(chǎn)物生成的主要前體物，三氯甲烷和三氯乙酸是清洗過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物。所以，要針對性地根據(jù)化學(xué)清洗廢液中的污染物類型，進行對應(yīng)工程設(shè)計。目前，通常可采用亞硫酸氫鈉對殘余的余氯進行中和處理，中和處理后的廢水排至污水排放系統(tǒng)。

4.4 清洗管道材質(zhì)

在目前工程設(shè)計中，對于清洗管道系統(tǒng)材質(zhì)選擇，仍然存在工程應(yīng)用上和設(shè)計上的一種矛盾。由于膜清洗過程中使用鹽酸、氫氧化鈉、次氯酸鈉等清洗劑具有強酸、強堿、腐蝕性，并考慮化學(xué)清洗要求的管道壓力及工程投資，參照化工工程設(shè)計的理念，經(jīng)常采用304不銹鋼作為清洗管道材質(zhì)。但在實際運行時，由于304不銹鋼的耐酸耐堿腐蝕能力有限，管道接頭和連接處焊接質(zhì)量不高，導(dǎo)致清洗系統(tǒng)經(jīng)常被腐蝕，外觀形象不佳，也增加了清洗試劑的安全風(fēng)險。目前，有水廠提出建議，要求調(diào)整為耐腐蝕性更強的316L型不銹鋼管材，可以提高抗腐蝕性，但效果仍然存疑。在實踐中，可以推薦采用抗腐蝕能力佳、管道熱熔焊接質(zhì)量穩(wěn)定的UPVC管道材料，代替不銹鋼管道，在確保焊接質(zhì)量、管材質(zhì)量的條件下，可以有效保障清洗管道的密封性和安全性。

4.5 清洗系統(tǒng)閥門管件

清洗系統(tǒng)閥門管件是保障清洗系統(tǒng)安全運行的重要節(jié)點。膜組件或膜池清洗通常采用膜池輪流清洗方式完成，其中一個膜池進行清洗操作時，其他膜池處于正常產(chǎn)水作業(yè)。過濾系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)的管道閥門程序切換，是保障系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵，必須按照設(shè)定的程序進行開關(guān)作業(yè)，否則，有可能導(dǎo)致清洗藥劑溶液進入產(chǎn)水系統(tǒng)，造成水質(zhì)安全事故。其中閥門開關(guān)嚴密性也應(yīng)關(guān)注，選擇閥門時，應(yīng)考慮采用保險裝置，切實保證閥門關(guān)閉嚴密，防止進水、產(chǎn)水、清洗液和廢液各行其道，不致相互污染。