反滲透裝置運行中出現的問題及處理措施

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(貴州金赤化工有限責任公司，貴州 桐梓 563200)

超濾、反滲透系統在新建電廠鍋爐補給水中應用較為廣泛[1]，部分老電廠也通過技改等手段增加超濾、反滲透設備，以保證鍋爐補給水的穩定[2]。貴州金赤煤化工除鹽水系統主要供應自備電廠用水。系統中一級反滲透處理能力為4×125 m3/h，采用一二段比為18∶9的排列方式，膜元件為陶氏BW30-400FR膜。二級反滲透處理能力4×108 m3/h，一二段比為11∶6，膜元件為陶氏BW30-400膜。設計產水率分別大于或者等于75%與85%；脫鹽率分別大于或者等于95%與85%；一級二級反滲透系統均有3臺給水泵，4臺5 μm保安過濾器，4臺高壓泵，使用的反滲透保安過濾器均為聚丙烯材質圓柱形濾芯。在一級反滲透產水進入產水箱前設有除碳器，產水經填料分散成水膜，通過風機的對流引風將溶解在水中的二氧化碳除去。

1 工藝流程及進水水質

工廠用水來自貴州桐梓縣天門河水庫，經沉砂、混凝、沉淀、砂濾等原水處理系統處理后送至除鹽水系統。

原水經過天然物理沉降，泥沙在水庫中自然沉降，因此進水中較大顆粒懸浮物含量較低，但水庫水流動性較弱，水中生物在溫度較高時繁殖旺盛，造成夏季進水中微生物膠體含量較高。隨著氣候變化進水水溫、有機物膠體、電導等呈現出周期性變化，見表1。

表1 除鹽水系統進水水質分析

由表1可知，經原水凈化站處理后的補水水溫、濁度、CODCr、可溶性硅呈現冬春季低于夏秋季；pH、電導、溶解固形物、全固形物以及溶解鹽類指標冬春季節高于夏秋季的情況。

2 運行中出現的問題

自2011年反滲透裝置投運以來，隨著水質變化一級反滲透運行狀況也隨之變化。冬季氣溫低，脫鹽系統補水水溫降至5～9 ℃，一級反滲透的總產水由額定420 m3/h降至280 m3/h左右，甚至出現降低生產負荷來維持系統水平衡的情況。

夏秋季在管道混合器投加還原劑(亞硫酸氫鈉)還原水中余氯后，造成管道混合器后的管道、以及保安過濾器、濾芯表面、高壓泵及反滲透進水管內壁附著一層微生物黏膜，物理特征為黏滑，有特殊腥味，略帶黃棕色的半透明膠狀物。微生物均勻附著在設備表面，設備風干后，表面光滑，水浸泡后又恢復原狀。火焰灼燒有燒焦毛發的味道。分析化學成分為多肽、蛋白質，主要是細菌、藻類、真菌等微生物。

受水中微生物及膠體的影響，保安過濾器濾芯更換頻繁。冬季三個月更換一次濾芯，到夏秋季只能使用半月左右。而且更換后保安過濾器進出口壓差很快就升高至0.1 MPa，濾芯受壓變形嚴重。對反滲透而言，一級反滲透一段進水壓力及段間壓差升高較快，兩月左右就要進行一次徹底的化學清洗。二級反滲透進水箱及保安過濾器情況類似。

進水水質波動極大地影響了反滲透裝置正常運行，造成冬季電耗升高，產水量減少，脫鹽水藥劑及成本升高。夏秋季濾芯消耗量增大，化學清洗頻繁，維護費用上升，最終導致脫鹽水成本居高不下。反滲透周期性水質變化產生的諸多問題成為降低運行費用的巨大障礙。

3 解決思路及辦法

3.1 消除水溫影響

反滲透膜產水電導對進水水溫的變化十分敏感。隨著水溫的上升，水通量線性增加，進水水溫每升高1 ℃，產水通量就增加2.5%～3.0%，脫鹽率則隨之稍有下降。其原因在于透過膜的水分子粘度下降、擴散性能增強。另一方面膜孔隙受熱脹冷縮影響，鹽分透過膜的擴散速度會因溫度的升高而加快，水通量也隨空隙增大而升高。如果將進水水溫控制在20～25 ℃，即可解決上述問題。

我車間蒸汽透平冷凝液處理系統采用板式換熱器，利用循環水冷卻蒸汽冷凝液，設計冷卻水量qv1350 m3/h，t160 ℃，t2≤45 ℃，公稱換熱面積110 m2，設計壓力1.0 MPa，板片材質304。為保證除鹽水補水溫度，將除鹽水站補水管用DN200的碳鋼管引至蒸汽冷凝液板式換熱器E-5001A處(詳見圖1)，利用蒸汽冷凝液換熱，保留原循環水冷卻水管，增加5個切換閥，根據情況切換換熱。

圖1 裝置改進示意圖

實際運行時蒸汽冷凝液流量在200～350 m3/h，工藝補水在200～450 m3/h。當冬季工藝補水溫度降至5～9 ℃時，由于蒸汽透平冷凝液進入板式換熱器溫度常年穩定在50～60 ℃，經板式換熱器換熱后出口溫度降低至30～35 ℃，工藝補水出水溫度提升至25～30 ℃。再經過除鹽水系統后，一級反滲透之前進水溫度在20～25 ℃，完全滿足反滲透正常運行時進水溫度要求。

另外，板式換熱器換熱片采用304不銹鋼材質，原水取水pH常年在7.5～8.5，進水電導300～400 μS/cm，除未添加水質穩定劑之外，其余水質指標均高于循環冷卻水，完全滿足換熱器對水質的要求。

3.2 保安過濾器優化方案

我車間保安過濾器采用聚丙烯制成的PP濾芯。使用時，水透過濾芯表面經過濾芯層從中間空心水道流入下部積水槽，頂部用蓋板密封。在使用過程中濾芯經常受高壓泵的吸力變形，影響了濾芯使用壽命，且變形后部分含雜質的水通過濾芯變形處不經過濾直接進入高壓泵，使得反滲透一段進水壓力及段間壓力升高。如果在濾芯內部增加受力支撐，定會延長濾芯使用時間及減少雜質透過量。

在濾芯內柱水道裝入材質304的不銹鋼T型絲繞管，底板采用同濾芯橫切面積相同的304不銹鋼板與T型絲繞管焊接，內部保留水通道，頂部采用螺紋連接304不銹鋼頂板。更換濾芯時，底部先裝入橡膠墊圈，保證與保安過濾器密封。然后裝入預制好的繞絲組件，底部放入橡膠墊，裝入濾芯，頂部再裝入橡膠墊，用專用工具夾緊頂板。這樣，保安過濾器和濾芯就能較好地密封，更重要的是增加了內部支撐。濾芯容易變形的問題得到了很好的解決。

3.3 管道、保安過濾器及高壓泵內壁易生長微生物的解決方案

前期預處理工段中為了抑制微生物生長，在進水中加入了次氯酸鈉。為保證對微生物的持久殺滅，還在進入反滲透保安過濾器之前，加入了還原劑(亞硫酸氫鈉)，管道混合器出口采用氧化還原電位表控制還原劑的投加量。然而，由于還原了水中余氯，夏季還原劑投加點至反滲透進口管道內壁附著大量微生物黏液。微生物大量繁殖后進入水中，導致保安過濾器使用壽命嚴重縮短，反滲透進口壓力不斷升高，化學清洗頻繁等問題。

如果在完全清洗受污染管道的前提下，再投入一種非氧化性殺菌劑，即可控制住管道內微生物的生長。對此，首先由管道混合器加入氧化性殺菌劑，從四套保安過濾器底排管引出廢液至事先準備的清洗槽，然后用泵循環清洗殺菌四小時以上。為不影響系統產水，分別對每套高壓泵至反滲透進口進行循環殺菌處理，保證殺菌時間及余氯量。通過殺菌，保證系統內附著的微生物完全殺滅。

配置反滲透專用非氧化性殺菌劑。在夏秋季四套反滲透同時運行時從投加還原劑的管道混合器點每隔十二小時投運一小時非氧化性殺菌劑，進行沖擊式殺菌，從而完全抑制了微生物的生長。

3.4 反滲透化學清洗方案優化

在線化學清洗管道是反滲透恢復產水量降低段間壓差最簡潔有效的辦法。然而，化學清洗頻繁既增加化學清洗費用，且每次化學清洗對反滲透膜也有一定的損傷，清洗次數增多直接影響整套反滲透膜使用壽命。

由于反滲透一段進口電導較低，進口有機物及機械雜質較多，易受有機物污染和機械雜質堵塞。污染物集中在一段的第一二支膜內，需通過堿洗恢復；二段進水電導高，有機物雜質少，易受結垢污染，垢主要集中在二段的最后兩支膜內，需通過酸洗恢復。

然而，我車間使用的在線化學清洗設計執行清洗一段時從一段進口處進，一段出口處出；清洗二段時二段進口處進，二段出口處出。清洗一段時，附著在一段的第一二支膜支撐層及膜表面的有機物及更換濾芯時帶入的少量機械雜質清洗下來后，污染物必須從第一二支膜穿過整段六支膜才能帶出系統。

在堿洗時，有機污染物溶解后需通過整段膜后排出，但部分不溶有機物和機械雜質需要清洗出系統非常困難，長期高壓運行后造成機械雜質和不溶性有機物磨損支撐層和膜表面，且無法根治去除，極大地影響了一段反滲透膜使用壽命和化學清洗效果。若采用離線體外清洗，不僅工作量大，費用也昂貴。

如果反滲透一段采用逆向化學清洗，即可解決一段不溶性污染物和機械雜質富集損傷膜等問題。另外，逆向清洗也可以作為反滲透日常維護沖洗手段。陶氏卷式膜與膜之間的濃水側靠橡膠密封圈密封，連接短件也靠密封圈密封。采用逆向清洗控制壓力在0.3 MPa以下是完全可行的，不會破壞膜及密封效果。化學清洗時，清洗液從一段出口進入，逆向從污染少的膜組件進入，逐漸進入污染物多的膜，這樣很順利地將一段雜質及微生物清洗掉，尤其是不溶性有機物和機械雜質。

3.5 二級反滲透進水有機物偏高的解決方案

我車間一級反滲透產水后為除去溶解在水中的二氧化碳氣體，在進水箱前設置有除碳器。原理是將產水通過填料層噴灑成水膜，風機空氣自下而上通過填料層，將溶解在水中的二氧化碳帶走。然而，除碳器靠近公司干道，汽車的揚塵及空氣中微生物很容易溶解在水中，使得產生二次污染。如何達到既除去二氧化碳又不造成二次污染是解決二級反滲透進水微生物偏高的有效途徑。

二氧化碳溶于水后以不穩定的碳酸方式存在。如果向水中添加少量的堿，將水質調整為弱堿性，則溶解在水中的二氧化碳完全以碳酸根的方式存在，則反滲透很容易去除。反應方程式如下：

在運行過程中將四套二級反滲透泵與四套堿液加藥泵聯鎖，調整加藥量，將二級反滲透進水pH設置在8.0～8.5之間，便可很好地解決該問題。停運除碳風機，并對一級反滲透產水箱進行密封，便于抑制微生物的生長。

4 改進后的運行效果

4.1 水 溫

改造后，夏季溫度較高時切換為用循環水對蒸汽冷凝液換熱。冬季進水溫度5～9 ℃時，工藝補水全部改用換熱器對冷凝液換熱，出水溫度可達20～25 ℃，完全滿足反滲透進水要求。春秋季節進水溫度15～20 ℃，采用調整旁路蝶閥的開度來實現部分換熱，在保證冷凝液出水溫度的同時也控制好工藝補水溫度。通過此次技術改進，我公司反滲透進水溫度低的問題得以完全解決。與此同時，反滲透常年穩定補水溫度，更有利于反滲透裝置的保養和運行。現除鹽水站補水溫度已經能穩定在21～26 ℃，一級反滲透總的產水量得到了有效保證，解決了秋冬季供水緊張的問題。運行情況見表2。與此同時，循環冷卻水使用量的減少，使循環水蒸發量、補水量及循環泵電耗下降。

表2 單套反滲透改進后不同月份運行情況對比

注：數據采集高壓泵頻率43 Hz，回收率75%。

從以上數據可看出，通過技改，一級反滲透A組全年運行水溫穩定，產水量及產水水質變化較小，優化了反滲透的運行。技改后運行兩年，對板式換熱器拆開檢查，在板片之間除冷水側有輕微的沉積垢外，其他并無明顯結垢和腐蝕。這是因為，本公司補水是經原水凈化后濁度小于3 NTU的水，水庫水常年為弱堿性，電導恒定較低，氯離子及三價鐵離子等腐蝕離子極低，對板式換熱器304材質無多大影響。經濟效益和反滲透運行效果非常明顯。

4.2 保安過濾器改造后的運行情況

保安過濾器濾芯內部增加T型絲繞管后，強化了濾芯受壓能力，同時也避免了有機物及機械雜質通過保安過濾器滲入反滲透裝置，攔截能力得到了保證。改造后，濾芯表面攔截有機物增多時，保安過濾器同樣表現出進出口壓差增加，由于有了內部絲繞管的支撐，原來壓差達到0.1 MPa就需要更換濾芯，現在可以調整至0.15 MPa以上，延長了濾芯的使用壽命。濾芯更換時間延長，特別是夏秋季，非常明顯。經濟效益及運行效果非常明顯。

4.3 管道運行改善情況

通過采取措施徹底殺菌，絕大部分附著在管壁及設備內部的微生物被殺滅掉，同時每天兩小時沖擊式非氧化殺菌有效抑制住了夏秋季管道微生物的生長，在外界氣溫低的冬春季，可以停止或者幾天投加一次非氧化性殺菌劑，減少藥劑的使用量。運行后夏季更換濾芯時，保安過濾器及管道內無明顯微生物生長痕跡，微生物得到有效控制。

4.4 反滲透化學清洗改造后的清洗效果

通過改進，采用一段進口逆向清洗方式，很容易將進口污堵的有機物及帶入系統的不溶性有機物及機械雜質清洗出來，縮短了在線清洗的時間，減少了化學清洗對膜的損傷時間。另外，日常維護中對一段定期的逆向沖洗，延長了反滲透清洗后的使用時間，以前每年三次化學清洗，現降至一到二次。節省化學清洗的費用和減少頻繁清洗對膜的損傷，效果極其明顯。

4.5 二級反滲透運行情況

通過停運除碳器，增加加堿程序，二級反滲透保安過濾器更換次數明顯減少。以往三月更換一次，通過加堿及濾芯支撐的改造，目前可半年更換一次。雖然加堿增加了一定的藥劑消耗，但消耗量較小，相比運行除碳風機的電耗基本能抵消運行費用。并且，濾芯更換頻率降低后，節約了濾芯的費用，也獲得一定的經濟效益。

5 結 論

通過一系列的技術改造，逐步解決了水質隨季節變化而周期變化以及運行過程中出現的各類問題。反滲透系統穩定經濟高效運行，取得了良好的運行效果和經濟效益。

參考文獻：

[1]聶義民，彭愛華，王先橋.超濾及反滲透水處理技術的應用[J].工業水處理，2006，26(1)：83～86.

[2]李玉磊，霍書浩，丁業，等.鍋爐補給水處理系統的擴建方案和優化設計[J].廣州化工，2009，37(4)：56～57.