海水淡化反滲透膜化學(xué)清洗技術(shù)淺析

楊勝全

(廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，廣州惠州 516300)

反滲透膜分離技術(shù)作為一種新型的高效分離、濃縮、提純及凈化技術(shù)，近年來發(fā)展十分迅速，目前已廣范應(yīng)用于純水制備、海水除鹽等領(lǐng)域［1-3］。反滲透膜是反滲透系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。在實際應(yīng)用過程中，由于進(jìn)水中雜質(zhì)的帶入，膜元件會遭受不同程度的污染［4］，導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)、出口壓差增大，產(chǎn)水量減少，脫鹽率下降，影響反滲透系統(tǒng)的正常高效運行。因此，在發(fā)生上述現(xiàn)象后，需對反滲透膜組元件進(jìn)行有效清洗，最大限度地恢復(fù)被污染膜的性能，使反滲透系統(tǒng)能持久、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟地運行［5，6］。可以說，膜清洗工藝決定著海水淡化反滲透設(shè)備的運行效率，必須予以足夠重視。本文首先討論了海水淡化反滲透膜化學(xué)清洗的必要性，之后詳細(xì)分析了反滲透膜清洗條件、清洗方案、清洗效果評價及注意事項等清洗工藝，最后介紹了惠州平海電廠的反滲透系統(tǒng)清洗過程，擬為沿海電廠反滲透設(shè)備的化學(xué)清洗提供借鑒參考。

1 反滲透膜分離技術(shù)

反滲透實際上是一種“逆滲透”過程，即在濃溶液一側(cè)施加一個大于滲透壓的壓力時，溶劑將從濃溶液向稀溶液一側(cè)流動［7］。反滲透裝置就是利用這一原理，以高壓泵將待處理水(如海水)增壓，借助半透膜的選擇性來去除水中鹽類雜質(zhì)，從而獲得高質(zhì)量的純水。

廣東惠州平海發(fā)電廠用反滲透海水淡化技術(shù)來制取全廠生產(chǎn)用水。淡化系統(tǒng)包括:海水預(yù)處理混凝澄清池、超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)以及所有必需的輔助系統(tǒng)等，主要工藝流程如圖1所示。

圖1 海水淡化系統(tǒng)流程圖Fig．1 Seawater Desalination System

為盡可能地減少膜表面雜質(zhì)沉積、降低膜污染以及保護膜材質(zhì)不被氧化，反滲透對進(jìn)水有著嚴(yán)格的要求。主要控制指標(biāo)如表1所示。

表1 水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)Tab．1 Water Quality Control Standards

2 海水淡化反滲透膜清洗

為保證反滲透膜系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需在進(jìn)水中加入一定濃度劑量的阻垢劑和還原劑藥品，以緩解反滲透膜的結(jié)垢堵塞和氧化損壞［8］。盡管如此，隨著運行周期加長及高含鹽海水的沖刷，膜表面依然會逐漸堵塞、結(jié)垢，表現(xiàn)為膜端壓差升高、產(chǎn)水流量下降、產(chǎn)水含鹽量逐漸升高。水中雜質(zhì)在反滲透組件中的沉積位置如圖2所示［9］。

圖2 反滲透膜中污染物分布Fig．2 Distribution of Pollutants in the Reverse Osmosis Membrane

2．1 清洗條件

在發(fā)生上述現(xiàn)象時，為了反滲透系統(tǒng)安全運行和恢復(fù)反滲透膜脫鹽性能，需要對反滲透膜進(jìn)行必要的化學(xué)清洗。

當(dāng)反滲透系統(tǒng)(或裝置)出現(xiàn)以下癥狀時，需要進(jìn)行化學(xué)清洗或物理沖洗:

(1)在正常給水壓力下，產(chǎn)水量較正常值下降10%～15%;

(2)為維持正常的產(chǎn)水量，經(jīng)溫度校正后的給水壓力增加10%～15%;

(3)產(chǎn)水水質(zhì)降低10% ～15%，透鹽率增加10%～15%;

(4)系統(tǒng)各段之間壓差明顯增加。

2．2 物理沖洗

物理沖洗(清洗)是不改變污染物性質(zhì)，以機械性的沖刷清除膜元件中的污染物，從而一定程度上恢復(fù)膜元件性能;即通過低壓力、高流速的進(jìn)水沖刷膜元件，將短時間內(nèi)在膜表面附著的污染物清洗掉［10］，其作用機理如圖3所示。

圖3 膜物理沖洗示意圖Fig．3 Schematic Diagram of Membrane Physical Flush

影響物理沖洗效果的因素主要有:

(1)沖洗流速

裝置運行時，附著性強的顆粒狀污染物逐漸堆積在膜表面。若沖洗流速與運行流速相等或更低，則很難把這些污染物從膜元件中沖洗出來。因此，沖洗時應(yīng)使用比正常運行時更高的流速(一般可考慮為正常運行流速的1．2倍)。

(2)沖洗壓力

反滲透裝置運行時，壓力直接垂直作用于膜面，使進(jìn)水透過膜面得到產(chǎn)水，同時污染物也被壓向膜面。所以在沖洗時，如果采用同樣的高壓，則污染物被積壓在膜表面，沖洗的效果就會降低。因此，沖洗時盡可能地通過低壓、高流速的方式，增加水平方向的剪斷力把污染物沖出膜元件。沖洗壓力一般建議控制在3．5 bar以下。如果在3．5 bar以下，很難達(dá)到流量要求時，應(yīng)盡可能控制進(jìn)水壓力，以不出產(chǎn)水為標(biāo)準(zhǔn)。

(3)沖洗頻率

條件允許的情況下，建議經(jīng)常對系統(tǒng)進(jìn)行物理沖洗。增加沖洗的次數(shù)比延長1次清洗的時間更為有效。一般沖洗頻率為1天1次以上。

2．3 化學(xué)清洗

當(dāng)膜運行較長時間后，污染物在反滲透膜表面大量沉積;此時，物理沖洗很難恢復(fù)膜性能，則需要采用化學(xué)清洗操作?；瘜W(xué)清洗是使用相應(yīng)的化學(xué)藥劑，改變污染物的組成或?qū)傩?，使其排出膜元件，從而恢?fù)膜元件的性能［6，11］。

2．3．1 藥品的選擇與使用

選擇適宜的化學(xué)清洗藥劑及合理的清洗方案涉及許多因素。首先要與設(shè)備制造商、反滲透膜元件廠商或反滲透特用化學(xué)藥劑及服務(wù)人員取得聯(lián)系。確定主要的污染物，選擇合適的化學(xué)清洗藥劑。特殊情況下可針對具體情況，從反滲透裝置取出已發(fā)生污染的單支膜元件進(jìn)行測試和清洗試驗，以確定合適的化學(xué)藥劑和清洗方案。

為達(dá)到最佳的清洗效果，可使用多種化學(xué)清洗藥劑進(jìn)行組合清洗。典型程序是先進(jìn)行低pH清洗，去除礦物質(zhì)污染物，然后再進(jìn)行高pH清洗，去除有機物。有些情形下，是先進(jìn)行高pH清洗，去除油類或有機污染物，再進(jìn)行低pH清洗。有些清洗溶液中加入了洗滌劑以幫助去除生物和有機碎片垢物，同時可用其他藥劑如EDTA(乙二氨四乙酸)等螯合劑來輔助去除膠體、有機物、微生物及硫酸鹽垢［12］。需要慎重考慮的是，如果選擇了不適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)清洗方法和藥劑，反滲透膜的污染情況可能會更加惡化。

2．3．2 清洗用水的水質(zhì)

清洗用水用于溶解酸和堿等藥品，建議使用含鹽量較低的反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水;如果沒有反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水時，所使用的水必須是不含硬度、游離氯及鐵離子的離子交換水或蒸餾水。

2．3．3 化學(xué)清洗過程

結(jié)合同類電廠海水反滲透設(shè)備清洗經(jīng)驗，可將反滲透膜化學(xué)清洗過程歸納如下:

(1)用泵將干凈、無游離氯的反滲透產(chǎn)品水(或相應(yīng)水源)從清洗水箱打入壓力容器中并排放幾分鐘;或用反滲透沖洗水泵對反滲透系統(tǒng)進(jìn)行低壓沖洗3～5 min。

(2)在反滲透清洗水箱中配制指定的清洗溶液。配制用水必須是去除硬度、不含過渡金屬和余氯的反滲透產(chǎn)品水或去離子水，清洗液的溫度和pH應(yīng)調(diào)到所要求的值。

(3)將清洗液在壓力容器中循環(huán)清洗一定時間(30～60 min)。在初始階段，清洗液返回至反滲透清洗水箱之前，應(yīng)將最初的回流液排放掉，以免系統(tǒng)內(nèi)滯留的水稀釋清洗溶液。在化學(xué)藥劑與反滲透裝置接觸后，裝置內(nèi)的污染物在化學(xué)反應(yīng)的作用下會被大量沖出，為了避免污染清洗液，這些清洗液也應(yīng)該被排放掉，直至清洗液顏色轉(zhuǎn)淡再進(jìn)入循環(huán)清洗。

(4)停反滲透清洗水泵，讓膜元件完全浸泡在清洗液中。為了維持浸泡溫度，也可采用很低的循環(huán)流量。另外，也可根據(jù)需要交替采用循環(huán)清洗和浸泡程序。浸泡時間可根據(jù)制造商的建議選擇1～8 h。在整個清洗過程中要謹(jǐn)慎地保持合適的溫度和pH。

(5)清洗完成以后，排凈清洗水箱并進(jìn)行膜組系統(tǒng)沖洗，然后向清洗水箱中充滿干凈的產(chǎn)品水以備下一步?jīng)_洗;該過程需時5～15 min。

(6)在沖洗反滲透系統(tǒng)后，在產(chǎn)品水排放閥打開狀態(tài)下運行反滲透系統(tǒng)，直到產(chǎn)品水清潔、無泡沫或無清洗劑;該過程通常需15～30 min。

2．4 清洗效果評估

反滲透系統(tǒng)清洗效果評價是以初期投運時參數(shù)為依據(jù)的。以清洗前后相同回收率、溫度、進(jìn)水pH及原水水質(zhì)條件下的系統(tǒng)運行參數(shù)，作為清洗調(diào)試后的評價指標(biāo)條件。

(1)反滲透膜通量(單位時間內(nèi)單位膜面積上的流體量)的恢復(fù)，即相同的回收率、相同水溫、相同進(jìn)水pH值及原水水質(zhì)條件時，清洗前后反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水流量恢復(fù)情況。

(2)反滲透膜的污染阻力的減少，主要表征為反滲透系統(tǒng)運行時進(jìn)水壓力與濃水壓力的差值(膜組運行壓差)是否減小并恢復(fù)至系統(tǒng)清洗調(diào)試后的規(guī)定指標(biāo)。

(3)反滲透脫鹽率，主要表征為反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率是否降低并恢復(fù)至系統(tǒng)清洗調(diào)試后的規(guī)定指標(biāo)。

3 平海電廠反滲透膜化學(xué)清洗技術(shù)改進(jìn)

3．1 化學(xué)清洗優(yōu)化建議

(1)為提高反滲透膜清洗質(zhì)量，保證海水淡化反滲透系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，本廠首先通過對原水(海水)水質(zhì)分析以及對反滲透保安過濾器截留雜質(zhì)的檢查分析，并與設(shè)備制造商、反滲透膜元件廠商、反滲透專業(yè)化學(xué)清洗廠家咨詢協(xié)商，確定了專用的反滲透膜化學(xué)清洗非氧化性殺菌藥劑;清洗方案選定為“酸洗循環(huán)→堿洗循環(huán)→專用非氧化性殺菌劑清洗循環(huán)→酸洗循環(huán)→清水沖洗”，最終可使得清洗周期延長、清洗質(zhì)量大大提高。

(2)清洗時對循環(huán)時間及pH調(diào)節(jié)進(jìn)行反復(fù)試驗和嚴(yán)格控制。在清洗過程中，污染物會消耗清洗藥品，pH會因此發(fā)生變化，同時藥品的清洗效力會降低。因此，化學(xué)清洗時需隨時監(jiān)測pH的變化，及時調(diào)節(jié)pH。一般測定pH偏離設(shè)定0．5以上時，即再進(jìn)行化學(xué)藥品添加。在進(jìn)行非氧化性殺菌劑清洗循環(huán)時通過加酸調(diào)節(jié)維持弱酸pH條件，以幫助去除嚴(yán)重的生物和有機碎片垢物。

(3)為達(dá)到最佳的清洗效果，控制清洗液溫度在35℃左右，當(dāng)污染物難以去除時，延長循環(huán)和浸泡時間會起到很好的作用。采用多種清洗液進(jìn)行組合清洗會更為有效，因為污染物可能由各種不同類型的物質(zhì)組成。這就需要采用不同的清洗液和/或延長清洗循環(huán)以增強清洗效果。

(4)在清洗循環(huán)過程中，清洗循環(huán)時間和清洗流量也必須控制，在每一個循環(huán)過程中，采用“循環(huán)5 min+浸泡30 min”的方式持續(xù)循環(huán)3～4 h，循環(huán)清洗液流量維持在450～520 m3/h，即單支膜的清洗進(jìn)口流量為5．5 ～9．1 m3/h。

(5)物理清洗與化學(xué)清洗是系統(tǒng)清洗最常用的兩種方法，而通過清洗恢復(fù)膜元件性能才是清洗的真正目的，因此在清洗過程中不應(yīng)該將物理與化學(xué)手段硬性劃分，而是應(yīng)該將兩種方法有機結(jié)合起來。在嚴(yán)重堵塞時，需要通過一些物理手段來強化化學(xué)清洗效果。

3．2 反滲透裝置的日常維護保養(yǎng)

(1)反滲透裝置短期停機(不超出三天)時，每天必須用干凈、無游離氯的反滲透產(chǎn)品水沖洗反滲透系統(tǒng)30 min以上并使膜組內(nèi)充滿干凈水。

(2)當(dāng)由復(fù)合膜組成的反滲透系統(tǒng)擬暫停利用達(dá)一周以上時，系統(tǒng)應(yīng)以1%的NaHSO3溶液持續(xù)浸泡，以避免細(xì)菌在膜面繁衍。

(3)正常運行期間做好反滲透前處理運行監(jiān)督及調(diào)整工作，保證海水預(yù)處理出水指標(biāo)合格，反滲透進(jìn)水水質(zhì):SDI＜3;NTU ＜0．2。

(4)做好設(shè)備系統(tǒng)操作及設(shè)備養(yǎng)護工作，控制反滲透進(jìn)口ORP＜450 mV，注意運行監(jiān)視反滲透進(jìn)口加藥情況，保證反滲透進(jìn)口阻垢劑、還原劑加藥正常，加藥量適當(dāng)。

4 結(jié)果與討論

反滲透膜的化學(xué)清洗是反滲透系統(tǒng)運行維護中的一個重要環(huán)節(jié)，其清洗效果直接影響反滲透膜的使用性能及使用壽命。正常的化學(xué)清洗周期為3～6個月一次，如果在一個月以內(nèi)清洗一次以上，則需要對反滲透化學(xué)清洗方案進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改善，同時也需要特別注意反滲透預(yù)處理的運行監(jiān)督調(diào)整，如果沒有做好預(yù)處理工作，膜系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行也將難以實現(xiàn)。

［1］苑祥偉，于軍亭，張克峰，等．青島市海水利用的現(xiàn)狀分析與對策措施［J］．凈水技術(shù)，2011，30(6):1-4．

［2］彭冠宇，孫雯．反滲透海水淡化技術(shù)研究進(jìn)展［J］．廣州化工，2012，40(5):13-16．

［3］ Prihasto N，Liu Q F，Kim S H，Pre-treatment strategies for seawater desalination by reverse osmosis system［J］．Desalination，2009，249(1):308-316．

［4］Li M H，Optimal plant operation of brackish water reverse osmosis(BWRO)desalination［J］．Desalination，2012，293(2):61-68．

［5］王仁雷，何彩燕，王海平，等．火力發(fā)電廠反滲透水處理系統(tǒng)的化學(xué)清洗［J］．給水排水，2009，34(11):63-65．

［6］安娜，姬朝青，許振良．電廠反滲透系統(tǒng)膜污染防治與膜清洗的研究［J］．凈水技術(shù)，2009，28(3):23-26．

［7］雷小佳．現(xiàn)代膜分離技術(shù)的研究進(jìn)展［J］．廣州化工，2012，40(8):51-52．

［8］許建學(xué)，楊寶紅，姜琪，等．運河水用于反滲透進(jìn)水的試驗研究［J］．熱力發(fā)電，2004，32(12):60-63．

［9］周柏青．全膜水處理技術(shù)［M］．北京:中國電力出版社，2006．

［10］鄭文勝．珠江電廠反滲透膜壓差高的原因分析及處理對策［J］．廣東電力，2009，22(1):93-97．

［11］沈琳琳．反滲透膜的化學(xué)清洗［J］．河北電力技術(shù)，2010，29(2):34-36．

［12］曹占平，張景麗．反滲透膜有機物污染及微生物清洗的研究［J］．水處理技術(shù)，2008，34(2):60-66．