反滲透系統物理阻垢試驗及經濟分析

謝自彬　賈玉強　黃艷

【摘 要】由于各種反滲透化學藥劑阻垢劑在使用中受水中的硬度、堿度、鐵離子、濁度等影響各不相同，所以采用化學藥劑阻垢劑相應控制要求較高，控制或選用藥劑不當對反滲透膜的壽命影響很大。普遍使用的阻垢劑均為含磷藥劑，加入系統后均有一定的阻垢效果，但同時也帶來產生磷酸鈣、滋生有機物等問題，而且隨濃水排入河流，會造成河流水體的富營養化。所以需選擇其他的阻垢方法以取代化學藥劑阻垢劑的使用，通過實驗研究采用物理水處理技術引入到反滲透制水系統中，取代或部分取代阻垢劑等水處理化學藥劑的使用，解決反滲透制水系統的膜污染結垢問題，同時降低藥品損耗、減少對環境的污染。

【關鍵詞】反滲透；物理；阻垢

【Abstract】Due to different influence of the hardness， alkalinity， iron ions and turbidity of water to various chemical reverse osmosis scale inhibitors in use， adopting chemical scale inhibitor demands higher corresponding control， and improper control or improper selection of drugs would have a greatly bad influence on the life of reverse osmosis membrane. As commonly used scale inhibitors all contain phosphorus chemicals， when playing a part in scaling after joining the system， they create the problems such as calcium phosphate and breeding ground for organic matter， and lead to eutrophication of water bodies with dense water pouring into the river. Therefore， there is a need to choose other anti-scaling methods to replace the use of chemical scale inhibitors. Physical water treatment technology， which has been through experimental study， is introduced into the reverse osmosis water system， replacing or partly replacing the use of scale inhibitors and other water treatment chemicals and thus solving the problem of scaling and fouling of membrane in reverse osmosis water system， and reducing the loss of drugs and the pollution to the environment simultaneously.

【Key words】Reverse osmosis； Physical； Scale

0 概述

反滲透技術是目前水處理脫鹽工藝中最成熟的物理脫鹽技術之一，反滲透系統在產出純水過程中，反滲透膜濃水側表面易結垢，導致系統的產出水量減少，反滲透膜系統阻力上升，能耗加大等問題。采取的常規控制方法是在運行過程中添加阻垢劑，以減少系統中的水垢。采用化學藥劑阻垢相應控制要求較高，控制不當對反滲透膜的壽命影響很大，且阻垢劑運行成本較高。

本文通過實驗研究采用物理水處理技術引入到反滲透制水系統中，取代阻垢劑等水處理化學藥劑的使用，解決反滲透制水系統的膜污染結垢問題，有效延長反滲透制水系統連續運行時間和化學清洗周期，提高反滲透膜的使用壽命，從而保障制水系統的高效運行，降低制水成本，減少對環境的污染。

1 試驗設備及作用機理

1.1 設備組成

物理阻垢技術在循環水、熱交換器上已經得到了較廣泛的應用，對于反滲透裝置的物理阻垢方法較少，本文選用了針對反滲透阻垢的GSGⅡ型阻垢水處理器進行試驗。

該阻垢水處理器由控制柜和線圈組成。控制柜內主要是脈沖電磁場發生裝置，然后通過導線連接至線圈，線圈纏繞在高壓泵出口的反滲透進口管道外。設備安裝無需破壞原系統設備。

1.2 物理阻垢機理

該方法是在管道外加一個脈沖電磁波，通過微電腦控制將變頻、掃頻技術應用于水處理過程，防止新垢生成。垢和水流的接觸面上，存在著“溶解”、沉積、再“溶解”、再沉積的動態變化過程。一旦“溶解”和沉積的平衡被破壞，“溶解”大于沉積，垢就逐漸減少；反之沉積大于“溶解”，垢會漸漸增厚。在管道外加一個交變脈沖電磁場，而且是頻率有規律從低到高變化的脈沖電磁場，所產生的磁力線對管內水流進行垂直切割，使水自然存在的大締合體狀態（水分子由結合健相聯）的結合鍵被深度打斷，離解成活性很強的單分子水，從而改變了水的物理結構和特性，增強了水分子的極性，增大了水分子的偶極距，提高了水對Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-等離子的水合能力，減慢了這些離子的活動速度，減少了它們彼此碰撞結合的機會，同時又在眾水分子包圍之中，受水單分子的阻擋無法接近管壁，水中的Ca2+、Mg2+離子在交變脈沖電磁場的作用下，將通常150μm的晶體減小到20μm左右，這樣大小的晶體其結構變得松散，不易形成附著沉積的針狀晶體而順水帶走，起到防垢作用。

1.3 不同阻垢方法實驗室對比

在實驗室條件下，單獨使用阻垢劑、單獨使用物理水處理器、以及阻垢劑和物理水處理器聯合使用時，反滲透系統回收率隨時間的變化曲線。

從圖1可以看出，物理水處理器有一定的阻垢作用，物理水處理器與阻垢劑聯合處理較單獨使用阻垢劑或物理水處理器的效果更好，聯合處理顯著提高了反滲透系統的回收率。物理水處理器與2ppm阻垢劑聯合處理可以取得較好的阻垢效果。

2 應用實例分析

選某電廠2、3號反滲透進行為期半年的對比試驗，于2013年8月對2、3號反滲透同時清洗，通過調校濃排閥門，將回收率調到約75%，此時兩套反滲透設備各項參數起始狀態基本一致。運行中2號反滲透保持添加阻垢劑（2.5ppm PT0100），3號反滲透改用物理阻垢器（GSGⅡ型），停止添加阻垢劑，試驗期間于12月份再次對2、3號反滲透同時清洗，試驗期間參數對比分析如下

2.1 根據反滲透出力對比分析

通過圖2反滲透出力數據對比圖表可以看出，使用物理阻垢器的反滲透裝置出力始終高于藥物阻垢的反滲透裝置。在同等的壓力下，每小時能夠多產水3～5噸/小時，減少運行時間10%～20%，達到增加產水量的目的。

2.2 根據反滲透一段壓差對比分析

根據圖3反滲透一段壓差變化對比圖表可以看出，使用物理阻垢的反滲透裝置一段壓差始終低于藥物阻垢的反滲透裝置。說明起到了阻垢的作用，并且優于藥物阻垢。通過物理阻垢可以減少水中含鹽量，亦可起到防止微生物繁殖的作用。

2.3 根據反滲透二段壓差對比分析

根據圖4反滲透二段壓差變化對比圖表可以看出，使用物理阻垢的反滲透裝置二段壓差與藥物阻垢的反滲透裝置變化基本一致，物理阻垢能達到藥物阻垢效果。

3 效益分析

反滲透系統中采用物理水處理器取代阻垢劑阻垢，可以直接減少下面三方面的開支：阻垢劑年消耗費用R1（元/年）、反滲透膜清洗周期延長而節約的清洗費用R2（元/年）、提高產水率后節約的水費用R3（元/年），延長反滲透膜的使用壽命的節省費用R4（元/年）。將物理水處理器的年運行費用記作R5（元/年），那么反滲透系統采用物理水處理器取代阻垢劑后每年可節約的費用R為：R=R1+R2+R3+R4-R5。

其中：R1為阻垢劑年消耗費用，電廠目前使用的阻垢劑單價為43000元/噸，2010年～2013年平均每套反滲透40000元。

R2為系統采用物理水處理器后因反滲透膜清洗周期延長而節約的清洗費用?？蓪⒃で逑粗芷?個月延長至12個月以上，按12個月計算，則每年節約1次清洗次數，相應的可以節約清洗費用：1×每次反滲透膜清洗費（3000元/次）。

R3為提高回收率后每年多產水的費用，一般安裝后平均能使回收率提高5%以上，按5%計算，每天能多產水24*100*5%=120噸（每套反滲透的進水量是100t/h），按每年運行時間180天運行計算，每年可多產水量為21600噸，每噸RO水以3元計算，即64800元。

R4為有效延長反滲透膜的使用壽命而節省的費用。一般反滲透膜的使用壽命為3年，使用較好的情況下可以用5年。根據現場實際使用情況，更換周期平均為4年，使用物理阻垢可使反滲透膜的使用壽命延長至6年以上（因降低了運行壓力，減緩了膜的壓實速度，減少了化學清洗）。反滲透系統（70t/h出力）采用一級二段式，其中一段和二段共有14組膜，每組膜又由串聯的6支8寸膜組成，價格約4000元/支左右，系統的反滲透膜共計14×6=84支。假設使用物理水處理后可延長反滲透膜的使用壽命2年，則每年可節約平均購膜費用（設反滲透膜的使用壽命為4年）：4000（元/支）×84（支）÷4-4000（元/支）×84（支）÷6（年）=84000-56000=28000元/年。

R5為物理水處理器的年運行費用，主要為年消耗的電費：物理水處理器年耗電量（0.2KW×24×365=1752度/年）×廠內電價（0.3元/度）。

反滲透系統中采用物理水處理器取代阻垢劑阻垢，可以使電廠直接減少阻垢劑藥品年消耗費用，阻垢劑年消耗費用按70噸出力反滲透計算，年使用阻垢劑量約為2.5噸，阻垢劑單價為50000元/噸，阻垢劑年消耗費用為13.5萬元，需1.5年左右回收成本（物理阻垢裝置20萬元/臺）。同時還可以減少反滲透膜清洗費用、提高反滲透系統出力等。

物理水處理器的使用能帶來一定的社會效益。反滲透阻垢劑的主要成分一般為有機磷，在使用過程中，阻垢劑將隨濃水排入河流，從而造成河流水體的富營養化。物理水處理器的使用可以起到節能減排的作用。

4 結論

物理阻垢替代或部分替代傳統阻垢劑有利于提高反滲透系統的阻垢效果，且效果優于藥品阻垢，還有效增加了反滲透裝置出力，延長清洗周期，降低反滲透運行成本，同時停用阻垢劑有利于節能減排。借鑒試驗經驗，物理阻垢與阻垢劑聯合處理是一種更好的反滲透系統阻垢方式，現采用反滲透物理阻垢技術還較少，是否適合各廠實際情況，使用前需進行現場試驗。

[責任編輯：湯靜]