超濾系統污染分析及清洗措施

李平，陸秋萍

（1.麥王環境技術股份有限公司，上海 200135；2.中鹽昆山有限公司，江蘇昆山 215300）

近年來，隨著水處理技術不斷發展，超濾系統在電力、化工、食品等行業的應用也越來越廣。同時隨著超濾裝置的不斷運行，跨膜壓差的升高和產水通量的下降也成為影響超濾系統安全、穩定、經濟運行的一大難點[1,2]。如何做好超濾的清洗工作，保證超濾裝置正常運行也成為行業內的一個重要課題。張紅等[3]利用草酸和維生素C 的混合清洗液清洗受鐵污染的超濾膜，清洗后膜的過濾性能得到徹底恢復，滲透率提升至250Lmh/bar，系統回收率提高至87%。針對運用于冶金廢水中的超濾膜污染，董金冀等[2]研究出更為適合的清洗方案，采用低pH 值、較高的清洗液水質、較短的浸泡時間，同時適當提高清洗液的濃度，清洗效果較好。

1 清洗運行中存在的問題

我公司化水車間采用全膜法制備脫鹽水，用于熱電車間鍋爐的補給水，水源為地表水，配備三套并聯式的超濾裝置，自動的水反洗及化學加強反洗系統，堿洗加藥包括液堿和次氯酸鈉，控制pH=12±0.2，余氯200±20ppm，酸洗加藥為鹽酸，控制pH=2±0.2，分別浸泡15min。三套超濾裝置自2016 年建成投用，運行一直比較正常，系統設定24 次常規反洗后進行1 次化學加強反洗，反洗效果均能恢復到系統通量的90%以上，運行壓差降至0.05MPa 以下，確保系統的正常投運，同時檢測超濾產水SDI15 值也一直保持在3.0 以下，完全滿足反滲透的進水要求。但是進入2017 年的第四季度，系統明顯出現異常：運行壓差逐漸升高，而產水通量卻日益減少，過濾時間從原先的50min 降至25min，系統常規反洗效果也越來越差，在減少循環周期的基礎上，化學加強反洗后的壓差基礎也逐漸升高。在采取了延長酸堿浸泡的時間至30min 后，系統勉強能自動投運，但運行時間還未到規定的循環周期，系統便檢測到壓差高限報警而自動停機，不得不進行新一輪的化學加強反洗，反洗后再正常投運。如此循環，導致單套超濾系統的產水回收率低至80%以下，嚴重削減了脫鹽水的供水量，甚至威脅到鍋爐的安全穩定的運行。

如圖1 所示，是以1# 超濾為例，顯示了在17年一整年中運行通量（Flux）和跨膜壓差（TMP）的變化曲線，其中通量已經溫度修正（25℃）。考慮到是否存在系統化學加強反洗效果不佳的情況，筆者對加藥系統進行了三次藥劑濃度的抽檢，藥劑濃度雖略有波動，但均在工藝要求的范圍之內，因此因加藥反洗藥劑濃度不夠導致超濾膜清洗不徹底、逐漸污堵的假設不成立。

2 原因分析及清洗措施

2.1 水質分析

由于來水存在一定的濁度和有機物，超濾系統在運行一段時間后，必然會出現不同程度的膜孔道污堵的情況，即宏觀表現為產水通量逐漸下降，而運行壓差不斷上升。如果污堵嚴重，則會加劇膜斷絲的風險，嚴重威脅超濾的產水水質[2]。因此，在超濾系統運行過程中，需要操作人員密切關注產水通量和跨膜壓差，發現污堵及時進行常規反洗和化學加強反洗，避免因壓差過高導致膜斷絲等不可逆的損傷。常規的有機物和無機絡合物的污染都可以通過次氯酸鈉、液堿和鹽酸的聯合用藥進行清洗完全，而此次的污染清洗效果甚微，筆者推斷地表水水源受到了嚴重的污染。冬季屬于枯水期，水源中的雜質離子濃度明顯高于其他三季，加上水源上游可能存在的未知污染源的排放，而這些污染因子，如膠體、小分子的有機物等，無法通過簡單的初級預處理去除，最終進入超濾系統，附著在超濾膜孔道內，造成嚴重的污堵。為了驗證上述推斷，筆者對超濾系統的進水水質進行了留樣分析。分析結果顯示來水中鐵錳等金屬離子的含量明顯高于正常值，特別是鐵離子的濃度達到了4mg/L（前端預處理系統未采用任何含鐵元素的絮凝劑），基于上述分析數據，基本可以確定該超濾系統為嚴重的鐵污染，需要進行有針對性的離線化學清洗。

圖1 1# 超濾Flux 和TMP

2.2 現場試驗

為了進一步確定超濾膜的污染類型以及污染的嚴重程度，決定拆開部分膜元件的端蓋，對污染情況進行觀察及清洗試驗。根據經驗告知：超濾膜整個斷面呈黃褐色附著，受污染的程度較為嚴重，且該污染的形態跟鐵錳等有色金屬的污染狀況極為相似，但還需要現場做小試確定。一般金屬離子結垢選用鹽酸、檸檬酸、草酸等酸性清洗液，根據現場的判斷，我們選取任意三個端蓋，分別倒入預先配制好的pH=2 的鹽酸、檸檬酸和草酸溶液，10min 的浸泡時間后，經鹽酸和檸檬酸浸泡后的端蓋，黃褐色污染物雖有所溶解，但清洗效果不是很理想，只有經草酸浸泡后的端蓋，污染物基本全部溶解，清洗液也變成了黃褐色的廢液。

2.3 清洗措施

通過上述小試，確定了該超濾系統為嚴重的鐵污染，同時也確定了清洗的藥劑和清洗方法。考慮到草酸殘留會與水中的鈣離子形成草酸鈣，重新附著在膜孔道內，引起結構污染。因此，筆者在配制的清洗液中同時加入了0.25%的維生素C，而草酸的配制濃度確定為1%。由于污染嚴重，清洗人員將清洗液充滿膜元件后，并未直接進行藥劑循環，而是給予了10min 的浸泡時間，使草酸充分溶解膜絲表面和端蓋內的鐵污染，然后舍棄該部分清洗液，重新配制新的藥劑，1h 循環，1h 浸泡，循環量為150t/h，清洗溫度在25～30℃，重復三次后，用超濾產水將設備內的藥劑沖凈，即可開機自動投運。

2.4 清洗后運行狀況

1）壓差與通量的恢復：在進行了為期一周的清洗工作后，三套超濾才正常投用，如圖2 所示，是三套超濾清洗前后的TMP 和Flux 的對比圖，清洗后超濾裝置的運行性能基本得到了恢復。為了了解后續的運行狀況，筆者進行了為期六個月的追蹤調查，仍然以1# 超濾為例，在這六個月的時間內，該設備的Flux 和TMP 均維持在較好的狀態，其中通量已經溫度修正（25℃）。如圖3 所示，修正后的Flux 在155t/h 以上，TMP 降至0.05MPa以下，設備長期運行穩定。

2）回收率的提高：由于膜性能的恢復，在清洗措施后，筆者將過濾時間從25min 逐漸恢復到45min，超濾系統的整體回收率也從當初的不到80%提升至95%以上，如表1 所示，超過設計的90%的回收率。

圖2 三套超濾清洗前后Flux 和TMP 對比

圖3 1# 超濾清洗前后Flux 和TMP

表1 三套超濾清洗前后回收率的對比

3 結語

經過此次的超濾污染及應對措施，筆者學習到了超濾運行的諸多性能和經驗：超濾來水水質的穩定決定了超濾能否長期穩定地運行；化學加強反洗藥劑濃度須滿足工藝要求，才能確保反洗后超濾膜的運行性能盡快恢復；一旦超濾膜遭受污染，應及時采取適當的清洗措施，盡快恢復膜的過濾性能，避免造成不可逆的損傷；此次清洗結果證明，適當的清洗手段能夠徹底恢復超濾膜的過濾性能，說明該超濾膜具有良好的可恢復性；在超濾系統運行狀況良好的前提下，可通過延長過濾時間、適當加大產水通量、增加CEB 的循環周期等措施，進一步提高超濾系統的產水回收率。