超濾膜污染問題及防控清洗方法

陳偉東

【摘 要】闡述了超濾的基本技術(shù)和電廠超濾系統(tǒng)的構(gòu)成，重點(diǎn)分析了超濾膜的污染機(jī)理和解決超濾膜污染的防控技術(shù)以及清洗方法，提升了水處理系統(tǒng)的管理水平。

【關(guān)鍵詞】超濾；膜污染；防控技術(shù)；清洗方法

中圖分類號： X791；TQ028.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0237-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.111

0 前述

目前，超濾技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、環(huán)保、生物等工程的水處理系統(tǒng)中，也大量應(yīng)用于火力發(fā)電廠的鍋爐補(bǔ)給水除鹽系統(tǒng)中。超濾膜是集成膜技術(shù)的重要組成部分，一般安裝于反滲透裝置的前級，它能非常有效地減少反滲透膜的污堵，保障反滲透裝置的安全運(yùn)行，提高產(chǎn)水率，減少廢水。但在實(shí)際應(yīng)用的過程中，水處理系統(tǒng)的膜污染情況時有發(fā)生，如果處理不當(dāng)就影響制水量，甚至影響電廠機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，掌握正確的預(yù)防、控制超濾膜污染的措施和清洗方法是電廠鍋爐補(bǔ)給水除鹽系統(tǒng)中非常重要的技術(shù)。

1 超濾的基本原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 超濾的基本原理

超濾是一種將溶液進(jìn)行凈化和分離的膜分離技術(shù)，在壓力差的驅(qū)動下超濾膜只允許溶液中的溶液、無機(jī)鹽及小分子有機(jī)物透過，而將溶液中的懸浮物、膠體、蛋白質(zhì)和微生物等大分子物質(zhì)截留在外表面，從而達(dá)到凈化和分離的目的。

1.2 超濾系統(tǒng)的構(gòu)成

在選擇使用超濾技術(shù)時，就要考慮系統(tǒng)的完整性和合理性，在滿足產(chǎn)水的情況下，還能進(jìn)行膜自動反洗、自動清洗，以保證產(chǎn)水品質(zhì)和延長超濾膜的使用壽命。電廠鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)中超濾裝置的主要構(gòu)成及技術(shù)特點(diǎn)如下：

1.2.1 超濾裝置本體

（1）超濾裝置（包括超濾升壓泵、自清洗過濾器和超濾膜組件）多采用單元制設(shè)計(jì)，一般小型火力發(fā)電廠設(shè)置2個系列單元（1用1備），較大型的供熱電廠或大型火力發(fā)電廠一般都設(shè)置3個系列單元（2用1備），每列都能單獨(dú)運(yùn)行，也可幾列同時運(yùn)行；

（2）超濾膜元件的設(shè)計(jì)通量不應(yīng)大于膜廠商《設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中規(guī)定的最大通量值，且不大于60 L/m2.h（按凈產(chǎn)水量計(jì)算）。膜數(shù)量根據(jù)產(chǎn)水量計(jì)算所得，保證超濾裝置的正常運(yùn)行、合理的反洗間隔和化學(xué)清洗周期，能實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行；

（3）超濾裝置選用立式外壓中空纖維超濾膜，膜材質(zhì)采用親水性的CA（醋酸纖維素）、PAN（聚丙烯腈）或PES（聚醚砜）等，膜孔徑不大于0.1um，截留分子量為100000～150000道爾頓。

（4）采用抗化學(xué)藥劑性能好的超濾膜產(chǎn)品，超濾膜能承受相當(dāng)于pH=1-14的藥液進(jìn)行化學(xué)清洗，抗次氯酸鈉濃度要求不低于5000ppm；

（5）當(dāng)進(jìn)水溫度、超濾裝置進(jìn)出口差壓等因素變化時，可通過改變超濾升壓泵的頻率自動調(diào)節(jié)超濾裝置產(chǎn)水流量，保證產(chǎn)水流量穩(wěn)定；

（6）根據(jù)超濾裝置進(jìn)、出口差壓或累積時間對超濾裝置進(jìn)行反洗或化學(xué)清洗，其反洗或化學(xué)清洗可在線進(jìn)行，可根據(jù)程序自動進(jìn)行；

（7）超濾裝置采用單元型式成套結(jié)構(gòu)；超濾裝置每根膜殼的產(chǎn)品水管上安裝一段透明管，以便能有效地觀測、診斷并確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀況；

（8）每套超濾裝置的產(chǎn)品水、濃水管設(shè)集中取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)的數(shù)量及位置能有效地診斷并確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

1.2.2 超濾反洗裝置

（1）超濾反洗水泵采用臥式離心泵，機(jī)械密封，過流部分材質(zhì)為SS316L或以上，反洗水泵為1用1備；

（2）反洗水泵采用變頻控制，能滿足不同工況下反洗流量及壓力的要求；

（3）反洗管道上應(yīng)裝有保安過濾器，殼體材質(zhì)為SS316L，內(nèi)裝進(jìn)口優(yōu)質(zhì)大流量折疊式濾芯，濾芯過濾材質(zhì)為PP，過濾精度為100～150μm；進(jìn)出口設(shè)置壓差變送器，過濾器底部設(shè)排水閥，以及頂部設(shè)排氣閥等。

（4）在反洗母管上設(shè)壓力開關(guān)，反洗壓力過高時能自動停用反洗水泵。

1.2.3 超濾加藥裝置

（1）超濾加藥種類包括次氯酸鈉/堿和酸等（根據(jù)原水水質(zhì)情況和所選取的膜廠家元件計(jì)算，最終確定具體的加藥種類）；

（2）加藥裝置采用單元型式成套供貨。具有預(yù)防次氯酸鈉、堿和酸的腐蝕；

（3）各類藥品溶液箱的容積需滿足至少三天的藥品用量；

（4）每臺隔膜計(jì)量泵進(jìn)口設(shè)Y型過濾器濾網(wǎng)，出口需裝設(shè)穩(wěn)壓器、安全閥、止回閥，穩(wěn)壓器上需帶壓力表。藥品注入點(diǎn)需設(shè)有管式混合器，并需設(shè)隔離閥。加藥計(jì)量泵流量調(diào)節(jié)范圍為0～100%，精度±1%，可在就地手動調(diào)節(jié)，還能在遠(yuǎn)方自動控制調(diào)節(jié)加藥量（變頻調(diào)節(jié)）。

1.2.4 超濾化學(xué)清洗裝置

（1）單獨(dú)設(shè)置一套化學(xué)清洗裝置，能滿足超濾裝置在各種工況下的清洗要求；

（2）清洗溶液箱容積應(yīng)滿足所清洗系統(tǒng)的水容積要求，并有足夠的裕量，保證清洗過程中清洗液不會外溢；清洗裝置上還應(yīng)設(shè)有外殼SS316L材質(zhì)的電加熱器及就地溫度計(jì)，電加熱器的功率應(yīng)能在2h內(nèi)將清洗液溫度由15℃加熱到35℃；

2 超濾膜污染的形成機(jī)理

在超濾分離過程中，實(shí)際同時存在三種情況：

（1）水溶質(zhì)在膜表面及微孔孔壁上產(chǎn)生吸附；

（2）水溶質(zhì)的粒徑大小與膜孔相仿，溶質(zhì)在孔中停留，引起堵塞；

（3）水溶質(zhì)的粒徑大于膜孔，而被膜表面截留，引起孔壁阻塞。

目前，關(guān)于膜污染機(jī)理的說法不一，但通常認(rèn)為膜污染主要由濃差極化、凝膠層的形成和壓縮、吸附、孔堵4種原因引起。其中，可以肯定處理物料中粒子與膜材料的相互作用是影響膜污染最主要的因素。而濃差極化的形成與操作策略及膜組件、膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

濃差極化和膜污染是密切相關(guān)的，在超濾運(yùn)行開始后，由于濃差極化的產(chǎn)生，膜表面的溶質(zhì)濃度不斷增高，當(dāng)膜面溶質(zhì)濃度達(dá)到或超過溶質(zhì)飽和溶解度時，便有溶質(zhì)析出，當(dāng)溶質(zhì)為難溶的無機(jī)鹽時，使結(jié)晶析出形成污垢，當(dāng)溶質(zhì)是大分子聚合物或蛋白質(zhì)時，便形成凝膠層，引起膜透通量急劇下降，此種情況下運(yùn)行的膜必須馬上清洗，以恢復(fù)其性能，可見，膜污染的控制與清洗方法是水處理系統(tǒng)管理維護(hù)的重要技術(shù)。

3 超濾膜污染的防控措施及清洗方法

任何膜分離技術(shù)在應(yīng)用中，縱使選擇了較合適的膜和運(yùn)行方法，膜的污染問題也必定發(fā)生，就必須采取一定方法以去除膜面或膜孔內(nèi)的污染物，達(dá)到恢復(fù)產(chǎn)水量，延長膜壽命的目的。本文以電廠常用的中空纖維超濾組件為列，展開分析。如提高進(jìn)入超濾的水質(zhì)，選擇合適的膜組件，優(yōu)化操作條件，從而有效防控膜污染。

3.1 超濾膜污染的防控措施

3.1.1 選擇合適的膜組件

根據(jù)電廠產(chǎn)水特點(diǎn)，多選擇結(jié)構(gòu)緊湊的中空纖維超濾膜組件，其具有單位體積內(nèi)膜的填裝密度高，比表面積大，料液流動狀態(tài)好，濃差極化傾向易于控制，能耗較低，投資費(fèi)用相對較低的特點(diǎn)。中空纖維膜有單皮層和雙皮層兩種，目前單皮層好于雙皮層中空纖維膜，單皮層空纖維膜外表面孔徑比內(nèi)表面孔徑大幾個數(shù)量級，透過內(nèi)表面孔的大分子不會被外表面孔截留，因而抗污染能力強(qiáng)。

3.1.2 提高原水品質(zhì)

原水在進(jìn)入超濾前應(yīng)進(jìn)行足夠時間的混合、絮凝、沉淀等預(yù)處理，以提高原水品質(zhì)，減少污染物進(jìn)入超濾膜。在采用超濾用水的試驗(yàn)中，還發(fā)現(xiàn)在超濾前使用混凝可以提高滲透通量和延緩膜通量降低；在使用高錳酸鹽和氯預(yù)處理對控制藻類污染的研究中發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合使用高錳酸鹽和氯可以減少超濾膜污染的速率。

3.1.3 優(yōu)化操作條件

在膜運(yùn)行過程中采取一定的操作策略，如在中空纖維超濾膜制水中采用連續(xù)切向空氣流，在膜表面產(chǎn)生氣/液兩相流，可產(chǎn)生高剪切力和流體不穩(wěn)定性，以阻止顆粒物在膜表面上沉積，即使在很低氣速下超濾通量也明顯提高空氣噴射使濾膠層膨松。而使通量增加，極限氣速下通量可增加150%，對氟聚物膜表面做垂直作用電場試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)膜通量大大提高，在高pH值下，通量甚至超過純水，隨著場強(qiáng)的增加透過量也增加；此外，利用超聲波照射膜組件可提高膜的透過性能。

3.2 膜污染的清洗方法

膜污染的清洗方法包括物理清洗法和化學(xué)清洗法。物理清洗方法中最為常用的是水力沖洗法，化學(xué)清洗法是指加入了藥物輔助清洗的方法，包括加殺菌劑等。在選擇清洗方法前，要弄清楚污染物的性質(zhì)，采取有效的清洗方法。通常系統(tǒng)會設(shè)置合理的清洗方法，多用物理法沖洗，只有在物理法沖洗達(dá)不到理想效果時，才用化學(xué)清洗法。當(dāng)正常出力下，產(chǎn)水量減少，還會選擇人工干擾清洗。

3.2.1 物理清洗

物理清洗方法中最常用的是水力沖洗法，包括反沖和正沖，清洗介質(zhì)為水和氣。水力沖洗一般是用超濾水箱中的水對膜進(jìn)行短時間的反洗。實(shí)踐證明反沖洗法能把膜表面被微粒堵塞的微孔沖開，并能有效地破壞凝膠層的結(jié)構(gòu)，對恢復(fù)膜的透水量比等壓沖洗法有效。超聲波清洗工藝也是物理清洗法的一種，其采用降解、水洗和超聲波降解下水洗三種不同的清洗方法，是一種有效的新方法。

3.2.2 化學(xué)清洗

化學(xué)清洗需根據(jù)污染物、污染類型和程度以及膜本身的特性選擇有效、低廉、無毒副作用的清洗液配方，按標(biāo)準(zhǔn)量配比。當(dāng)使用超出說明書的化學(xué)清洗劑是，一定要征求品牌商家的意見，以防產(chǎn)生毒副作用。化學(xué)清洗可采用NaOH、NaOCI和檸檬酸作為清洗劑，其中采用酸性清洗劑對去除Ca、Mg、Fe等的金屬離子及其無機(jī)鹽膠層、氫氧化物較為有效。NaOH的堿性水溶液則對去除蛋白質(zhì)、油脂的污染有良好的效果；NaOH和NaOCI的混合液比單獨(dú)使用有效。氧化物的清洗劑、疊氮酸鈉等對去除有機(jī)物質(zhì)的污染有顯著效果。當(dāng)自動清洗不明顯時，還可以設(shè)置人工干擾清洗：

（1）用清水反沖洗整個超濾系統(tǒng)。根據(jù)超濾廠商提供的水溫要求采用能承受的最高溫度；

（2）選用合適的清洗劑，在超濾加藥裝置中按配比濃度要求配比清洗水溶液，對整個系統(tǒng)進(jìn)行反沖洗；

（3）用清水反沖洗，去除清洗液；

（4）完整性測試，即校核膜的透膜壓差，如未達(dá)到預(yù)期要求，可重復(fù)第二、第三步驟的清洗過程。

4 結(jié)束語

超濾裝置在水處理系統(tǒng)中具有特殊的優(yōu)越性，得到日益廣泛的應(yīng)用，但如果管理不善，好技術(shù)不落實(shí)或落實(shí)不到位，那將直接影響整個鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并直接影響到電廠的安全生產(chǎn)，所以只有用好技術(shù)，做好管理，及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的變化并調(diào)整設(shè)備運(yùn)行工況，就可以避免出現(xiàn)嚴(yán)重的問題，才能確保水處理系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運(yùn)行。

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