超濾裝置化學清洗方法的研究

孟繁磊（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

某廠注水站的超濾崗采用的是一種高性能超濾膜，這種膜采用標準的8 寸設計，平均孔徑為0.025～0.028 μm。超濾裝置主要是5 組超濾裝置、1 套反洗裝置和1 套化學清洗裝置組成。目前，超濾崗的處理工藝是將來水水質進一步超精細過濾，出水水質懸浮物含量在1.0 mg/L以下。

1 清洗藥劑的確定

膜處理技術中常用的化學清洗藥劑包括：酸溶液、堿溶液、氧化劑、螯合劑。大慶油田某廠的水質中，主要存在的物質是氧化鐵、金屬硫化物、細菌藻類等。酸溶液可以去除水質中的氧化鐵、金屬硫化物、碳酸鈣等，常用酸溶液的是鹽酸。堿溶液可以乳化、松動和分散沉淀物、有機物、大分子顆粒等，常用的是氫氧化鈉溶液。氧化劑用于去除超濾膜裝置內的細菌和藻類。螯合劑主要去除水質中的有機物，常用的是檸檬酸溶液[1-4]。

為了合理選用超濾裝置化學清洗藥劑，必須在化學清洗前對超濾進出水和反洗水進行分析，超濾裝置膜筒內雜質含量見表1。

表1 超濾裝置膜筒內雜質含量

2 清洗具體方法

2.1 清洗工藝

化學清洗工藝流程見圖1，加藥罐容積是1 m3，化學清洗水箱容積是5 m3，水箱里先打入清水，然后加藥泵把藥劑打入化學清洗水箱進行稀釋，提升泵再打入超濾裝置進行循環(huán)浸泡，達到清洗膜的功效。

圖1 化學清洗工藝流程

2.2 清洗方案的確定

廠家提供的標準為先用鹽酸酸洗，再加次氯酸鈉和氫氧化鈉的混合溶液堿洗。由于膜每次受污染的形式、主要污染物都不一樣，受污染的程度也不一樣，一般都是膜表面污染和膜孔堵塞同時存在，所以我們要在廠家提供的清洗方案基礎上進行調整。首先，根據超濾進水水質的情況，初步判斷膜受污染的狀況；然后再制定清洗的方案。超濾崗在投產初期，曾遇到上游的纖維球絲污染超濾膜，壓力降上升很快，按照常規(guī)的清洗方法效果不明顯，后增加了浸泡時間，在反復酸堿交替清洗后，恢復了通量。分析為纖維絲在黏上“水銹”之后，黏度較大，藥劑長時間浸泡去除了“水銹”，最終達到清洗效果。超濾進水中加入了少量深度加工處理后的水，超濾的壓力降也是快速升高，清洗發(fā)現酸洗的效果不明顯，堿洗的效果卻比較好，分析為水中的有機物含量較高，用堿能很好的去除[5-7]。

在超濾膜出口壓力明顯下降，膜通量也降低了，超濾裝置設置34 次正常水反沖洗后，第35 次加酸溶液化學清洗，第36 次加堿溶液和次氯酸鈉化學反沖洗，浸泡的時間為15 min，但是連續(xù)運行發(fā)現，這種設置方式不能很好的保持設備穩(wěn)定運行，不到一個月設備的壓力差就上升較大。后根據實際情況，設置為24 次正常水反沖洗后，第25 次加酸溶液化學清洗，第26 次加堿溶液和次氯酸鈉化學反沖洗，浸泡的時間為15 min，運行可保持平穩(wěn)，壓力降沒有明顯變化。

2.3 清洗流程

化學清洗前沖洗干凈整個系統及化學清洗水箱，然后停止超濾裝置運行，關閉進氣動閥和手動閥，打開化學清洗裝置出口閥和回水閥。清洗過程中主要監(jiān)測清洗液溫度、pH 值、清洗壓力和顏色變化。

1）堿洗根據化學清洗水箱的體積，用超濾裝置出水配制好1.0%的堿溶液，用PH試紙調節(jié)溶液的pH 值為10.5 左右。起動化學清洗泵，調整出口壓力在0.05 MPa 左右，使清洗液在超濾膜筒內循環(huán)?；瘜W清洗液約有3/4 由原水端回流至化學清洗箱，另外1/4 清洗液透過超濾膜由濾后水進入化學清洗箱。清洗液循環(huán)1 h后再浸泡1 h。清洗采用動態(tài)循環(huán)與靜態(tài)浸泡相結合。

2）檸檬酸酸洗配制1%的檸檬酸溶液，用PH試紙調節(jié)溶液的pH 值為3 左右。參照堿洗操作，也采用動態(tài)循環(huán)與靜態(tài)浸泡相結合。

3）次氯酸鈉清洗將2 L濃度為10%的次氯酸鈉濃溶液稀釋至2 t的稀溶液，配制成余氯約為50 mg/L的次氯酸鈉溶液。采用動態(tài)循環(huán)與靜態(tài)浸泡相結合的方式進行清洗。次氯酸鈉清洗可以單獨進行，也可以在酸洗結束后進行，主要超濾裝置受微生物污染程度而定。

2.4 清洗參數的控制

1） 清洗過程中，清洗泵出口壓力控制在50～80 kPa，即與膜筒正常運行時進口壓力相當，防止壓力過大損壞膜筒，控制清洗流量為20 t/h。

2）堿洗過程中監(jiān)測清洗液的pH值，如果降低較多，說明堿在溶解有機物，需加堿使pH 值恢復到10.5 左右。對回到清洗溶液箱的清洗液進行觀察，當清洗液顏色發(fā)黃、變深并出現大量泡沫時，表明清洗效果較好。

3）酸洗過程中，如果清洗液的pH 值升高較多，說明酸被消耗，應添加檸檬酸至pH 值恢復到3.0 左右。清洗液顏色會出現紅褐色，這表明超濾膜中有鐵污染，氧化鐵與檸檬酸絡合生成檸檬酸亞鐵胺絡合物。

4）使用酸洗、堿洗或是用次氯酸鈉清洗結束后，都要將超濾裝置設置為“脫氯反洗”狀態(tài)，啟動超濾裝置反洗泵對膜筒進行反沖洗，從反沖洗水中排出大量積存在膜筒中的清洗液和清洗出的污染物。當沖洗出水的pH 值在7 左右，水樣中無可見懸浮顆粒雜質，才可以停止反沖洗。反沖洗時間應不少于16 min，膜筒沖洗干凈后，用超濾出水沖洗干凈清洗水箱后再繼續(xù)。

3 清洗方法的應用

超濾裝置化學強洗的加藥量和浸泡周期進行調整，制定出適合該站生產需求的“壓差法加藥制度”，根據跨膜壓力差的變化，制定出最合理的加藥量和浸泡時間，大大提高膜通量[8-10]，超濾裝置膜筒內雜質含量見表2。

表2 超濾裝置膜筒內雜質含量

1）跨膜壓差0～0.1 MPa時，加入檸檬酸和鹽酸各25 kg，循環(huán)2 h，浸泡24 h 之后，加入次氯酸鈉和堿各25 kg，循環(huán)1 h，浸泡6 h。2016 年1—3 月0～0.1 MPa壓差時化學清洗膜通量前后對比如圖2。

圖2 0～0.1 MPa壓差時化學清洗膜通量前后對比

由圖2 可以看出，跨膜壓差在0.1 MPa 以內，清洗前的膜通量在50～60 m3/h，清洗后膜通量在80～90 m3/h，產水率在50%～60%。

2）跨膜壓差0.1～0.2 MPa 時，加入檸檬酸和鹽酸各50 kg，循環(huán)2 h，浸泡24 h 之后，加入次氯酸鈉和堿各50 kg，循環(huán)1 h，浸泡6 h。2016年4—5月0.1～0.2 MPa 壓差時化學清洗膜通量前后對比如圖3。

由圖3可以看出，跨膜壓差在0.1～0.2 MPa，清洗前的膜通量在40～50 m3/h，清洗后膜通量在 80～90 m3/h，產水率在55%～65%。

3）跨膜壓差0.2～0.3 MPa 時，加入檸檬酸和鹽酸各100 kg，循環(huán)2 h，浸泡48 h之后，加入次氯酸鈉和堿各50 kg，循環(huán)1 h，浸泡12 h。2016年6—8月0.2～0.3 MPa 壓差時化學清洗膜通量前后對比如圖4。

由圖4 可以看出，跨膜壓差在0.2～0.3 MPa 時，清洗前的膜通量在25～35 m3/h，清洗后膜通量在85～100 m3/h，產水率在50%～60%。

4 清洗方法的效果分析

圖3 0.1～0.2 MPa壓差時化學清洗膜通量前后對比

圖4 0.2～0.3 MPa壓差時化學清洗膜通量前后對比

通過對超濾膜進行化學清洗后，新的化學清洗方法保證了膜通量和產水率，這樣就可以保證生產所需的水量，并且在水質達標的前提下，可將超濾裝置的化學反沖洗周期延長，由原來浸泡22 h，循環(huán)2 h，延長到浸泡46 h，循環(huán)2 h，在試運行期間，不僅膜通量上升，產水率提高，而且懸浮物均在合格范圍內，因此將反沖洗周期由24 h調至48 h是可行的，這樣不僅降低了反沖洗泵的運行時間，而且節(jié)約了水量和電量，并且大大減輕了工人的勞動量。

超濾崗每天反沖洗水量約有380 m3，啟泵（流量22 m3/h，電動機功率22 kW）反沖洗過程用時大約1 h，改成間隔48 h一次，也就是2天啟一次反沖洗水泵，2018 年與2019 年反沖洗泵電量對比試驗見表3，可見每個月能夠節(jié)省一半的水量和電量，該化學清洗方法不僅滿足了生產需求，還大大減少了水量和電量，年成本節(jié)約了36.3萬元，達到了節(jié)能降耗的效果。

表3 2018年與2019年反沖洗泵電量對比試驗

5 結論

1）預處理采取措施使超濾進水滿足要求比超濾膜污染后清洗要容易得多，所以要嚴格監(jiān)測好超濾進水水質，確保其滿足水質要求。

2）超濾膜經過長期使用，膜表面形成了一層凝膠物質，這層物質是影響膜通量的主要原因，形成這層物質的主要成分就是油田采出水中的石油類有機物，硫酸鹽，碳酸鈣、碳酸鎂、氧化鋁等無機物，還有其他膜桶內的細菌藻類等物質，所以目前的化學清洗中酸性溶液和堿性溶液，外加氧化劑和螯合劑，可以有效的去除膜表面的這層污染物，延長膜的使用年限。

3）當設備長期停用時，應先對設備進行徹底的清洗和消毒，然后將濃度為30%的鹽酸作為保護劑和抑菌劑注入設備中，封閉好設備所有接口以保持膜的濕潤，防止設備內滋生細菌和藻類。

4）超濾膜的保養(yǎng)和化學清洗方法的調整有很大關聯，調整新的化學清洗方法不僅可以滿足生產需求，出水水質的達標，達到要求的“5.1.1”標準。

5）化學方法的應用后，節(jié)約超濾崗一半的電量和水量，年成本節(jié)約了36.3萬元，這種清洗方法的應用不僅可以延長超濾膜的使用年限，而且還降低電量水量的使用，增加了效益，降低了成本，滿足了生產。