雙膜裝置RO 反滲透膜污染分析及控制措施

王君翰

（中國石化金陵分公司，江蘇南京 210033）

1 概述

水資源短缺問題日益嚴重，污水與廢水的深度處理回用已成為解決該問題的一項重大戰略措施，反滲透技術是污水深度回用核心技術之一[1]。與其他水處理技術相比，反滲透技術具有占地少、出水質量好、操作方便、自動化程度高以及能量消耗少等優勢，因而廣泛應用于電力、石油化工、冶金以及海水淡化等領域。隨著反滲透技術應用領域的不斷擴大，所處理的水質越來越差，膜污染問題日益嚴重、復雜，近年來許多學者做了大量有關反滲透膜污染與控制的理論與試驗方面的研究。莘仲明[2]等對反滲透系統膜污染現狀及解決方法進行了概括與總結；姜曉鋒[3]對電鍍廢水回用的膜工藝以及污染控制進行了優化；毛維東[4]通過繪制反滲透指數曲線對礦井水反滲透處理膜污染狀況進行了預判。該文在上述研究的基礎上，針對雙膜裝置RO 反滲透系統運行過程中存在的一段壓差升高過快、運行周期明顯縮短、化學清洗頻繁等問題，通過對反滲透運行數據及故障現象進行分析，提出了一種特殊殺菌維護方案。

2 雙膜工藝與工藝指標

2.1 雙膜工藝

中國石化金陵分公司于2014 年12 月底建成投產500 t/h煉油污水深度處理回用雙膜裝置，將經過MBR 和氣浮裝置預處理后的生產廢水和清凈下水按一定比例混合后作為雙膜裝置的原料水，經過雙膜裝置的深度過濾和脫鹽處理后產出合格的RO水。雙膜裝置主要由多介質預處理及UF超濾膜、RO反滲透膜組成，設計脫鹽率大于95%，系統總回收率大于60%，其中RO 反滲透回收率大于70%，滿負荷運行時每年預計回收污水438萬t左右，工藝流程如圖1所示。

雙超濾產水箱的出水經過中間增壓泵一次加壓后，配合連續性投加還原劑（≥35%亞硫酸氫鈉）和高效阻垢劑，以降低水中余氯和防止結垢，再間斷性投加非氧化殺菌劑以殺死和控制水中的細菌、微生物、病毒等。反滲透進水通過RO 保安過濾器進行預過濾截留，以保證反滲透進水水質，高壓泵二次加壓后送入RO 反滲透處理，以去除水中的無機鹽、有機物、微粒以及細菌等多種污染物。最終RO 產水進入產水箱中儲存，作為除鹽水系統的部分原料水使用。RO 裝置運行中會連續地產生高含鹽濃水和間斷地產生清洗廢水，這部分高含鹽廢水進入RO 濃水箱后儲存起來并通過濃水泵送至凈水工區12#生化池處理。

圖1 雙膜工藝流程

2.2 工藝指標

雙膜裝置中多介質過濾器、自清洗過濾器以及超濾的回收率分別大于95%、99.5%與90%，其中RO 反滲透采用一級二段式，回收率為70%～75%，具體的水質指標和操作指標詳見表1、表2。

表1 雙膜裝置各部分主要水質指標

3 膜污染狀況與污染原因分析

系統中反滲透膜結構如圖2 所示，反滲透膜組件均采用陶氏卷式BW30FR400 抗污染復合膜，膜材料為芳香族聚酰胺復合材料，單根膜脫鹽率達99.5%。每套配置228根BW30FH-400型的膜組件，分別安裝在38支FPR膜殼內，其中一段25支膜殼，二段13支膜殼，每支膜殼內含6根膜組件，反滲透的設計回收率為70%～75%。

3.1 反滲透膜污染狀況

反滲透膜常因系統進水中存在的水合金屬氧化物、含鈣沉淀物、有機物及微生物等難溶鹽物質，使得膜表面結垢污染，降低反滲透膜的通量，從而造成系統運行壓力增加和產水水質下降[2]。R0001B套反滲透運行過程中發現，在產水率、脫鹽率等數據未見明顯變化的情況下，B 套反滲透運行一段時間后常出現一段壓差增長較快的現象。現場拆開B套反滲透膜一段部分膜殼前后端板后發現，膜元件均受到污染，其中第1 支膜元件污染最為嚴重，重量高達20 kg以上（新膜約在13.5 kg），現場膜元件污染情況如圖3所示。

表2 雙膜裝置主要操作指標

圖2 反滲透膜結構

圖3 膜污染狀況

3.2 膜污染原因分析

反滲透膜污染主要包括有機物、膠體及顆粒的污染、系統結垢的污染以及細菌與微生物的污染，下面從系統進水水質和膜元件污染物燃燒兩個方面來分析B套反滲透膜污染的原因。

3.2.1 系統進水水質分析

現場對超濾、反滲透進水取樣分析，結果詳見表3。

表3 系統進水水質分析

1）由表3 計算可得反滲透加藥后進水LSI 值為-0.455，屬于腐蝕性水質。經反滲透濃縮后（按回收率75%計算）LSI 值仍為1.08，屬于結垢性水質，但LSI值未超過1.8，說明該水質碳酸鹽結垢很好控制。

2）反滲透進水中二氧化硅含量并不高，符合小于15 mg/L的要求，系統結硅垢的可能性也比較小。

3）反滲透進水中鐵離子含量為0.12 mg/L，超出鐵離子小于0.05 mg/L的要求，系統存在輕微鐵污染的可能。

4）反滲透進水水質中鋁離子為0.07 mg/L，相對偏高，系統存在鋁污染風險。

5）反滲透進水與超濾進水中的磷、鋁、鐵的含量相比有所下降，在水質中有磷存在的情況下，有助于超濾對鐵和鋁的去除，改善反滲透系統鐵、鋁污染。

6）反滲透進水COD偏高，容易引起系統有機物及微生物污染。

綜上所述，B套反滲透系統最容易受到有機物、微生物污染及鐵、鋁污染。

3.2.2 膜元件污染物燃燒分析

從一段膜殼內污染較重的膜元件端面取污染物進行灼燒損失分析。將膜面上殘留的污染物在105℃下干燥后加熱至550℃以破壞污染物中的有機物，稱量加熱前后的污染物重量，以確定有機污染物的百分比。然后再將溫度加熱至950℃，分解碳酸鹽，稱量加熱前后的污染物重量，以確定碳酸鹽垢污染物百分比。

灼燒損失分析結果表明：B 套反滲透系統污染物在550℃灼燒時失重比例占總污染物的89.57%，說明該污染物中有近90%物質為有機物、微生物。在950℃灼燒時失重比例占總污染物的0.88%，說明該污染物中碳酸鹽垢類物質很少。最終剩余未能灼燒分解的無機污染物所占比例為9.55%。

4 特殊殺菌維護方案

通過分析現場膜元件拆裝情況、系統進水水質以及污染物灼燒情況可以得出：B 套反滲透主要污染物為有機物及微生物，所占比例約為89.57%；碳酸鹽垢為0.88%；剩余污染物應為鐵、鋁、磷無機污染物，所占比例約為9.55%。結合表4 雙膜反滲透常見故障現象、起因以及維護措施，現提出一種特殊殺菌維護方案。

4.1 特殊殺菌維護

反滲透運行至7 d左右為微生物滋生高峰期，故初期每天停機進行循環殺菌，每次1 h 左右，非氧化殺菌劑濃度先嘗試500μg/g，并同步控制加藥泵脈沖式加藥殺菌。待污染情況得到控制后，根據實際情況適當延長殺菌周期。初期預計為運行10 d之后改為每周循環殺菌2～3次，工區配合維保單位對B套反滲透進行特殊殺菌方案試驗清洗。

圖4、5 分別為B 套反滲透特殊殺菌維護前后一段、二段壓差的變化趨勢。由圖4、5可知，經特殊殺菌維護后，B 套反滲透運行狀況較好，運行周期明顯延長，由14 d延長到35 d，特殊維護后運行前期壓差沒有明顯增大趨勢，對微生物的控制較為理想。雙膜裝置產水率控制在70%～75%，經計算，特殊殺菌維護后產水率基本維持在71%～72%，效果理想。

表4 雙膜反滲透常見故障現象、起因以及維護措施[5]

圖4 B套反滲透特殊殺菌維護前一段、二段壓差變化

工區也配合維保單位對A套反滲透進行特殊殺菌維護，圖6、7分別為A套反滲透特殊殺菌維護前后一段、二段壓差的變化趨勢。由圖6、7可知，特殊殺菌維護后A套反滲透運行壓差維持較好，運行周期從原來的16 d延長至29 d左右，膜污染狀況也得到了較大的改善。

為了更有效延長反滲透系統運行周期，在特殊維護方式不變的情況下，調整非氧化殺菌劑濃度，由500 μg/g提升至1 000 μg/g左右，并停止加藥泵脈沖式加藥殺菌。圖8 為A 套調整后一段、二段壓差的變化趨勢。由圖8 可知，特殊維護期間，A 套反滲透運行狀況良好，運行周期進一步延長至68 d，一段與二段壓差長時間內都較為穩定。

圖5 B套反滲透特殊殺菌維護后一段、二段壓差變化

圖6 A套反滲透特殊殺菌維護前一段、二段壓差變化

圖7 A套反滲透特殊殺菌維護后一段、二段壓差變化

圖8 A套反滲透2019年2月15日至4月26日一段、二段壓差變化

4.2 前移高效阻垢劑投加點

為了進一步保證反滲透系統運行穩定，利用鋁、鐵離子（陽離子）與阻垢劑（陰離子）不兼容特點，將阻垢劑投加點移至超濾系統前，在前端進行反應，通過在超濾出水端增設回流管線，使得自清洗過濾器回流至原水箱，再通過超濾系統將鋁和鐵離子過濾出系統。

5 結論

隨著我國工業的不斷發展，工業污水廢水量與日俱增，反滲透水處理的應用越來越廣泛[6]。針對在雙膜反滲透裝置運行過程中出現的運行周期明顯縮短、化學清洗頻繁等問題，結合裝置自身特點、來水水質、污染情況以及操作方式，提出了一種特殊殺菌維護方案。通過對反滲透系統殺菌藥劑性能的優化、改變非氧化性殺菌劑常規投加方式等措施，有效控制了反滲透膜污染狀況，延長了反滲透膜運行周期，減少了系統化學清洗頻次，提高了膜的使用壽命，為系統的正常運行積累了寶貴經驗。