一種非氧化殺菌劑在超濾和反滲透中的投加應用

張 猛，火志明

(陜西長青能源化工有限公司，陜西寶雞 721405)

1 概述

陜西長青能源化工有限公司年產60萬t/a甲醇項目配置了脫鹽水系統，設計最大處理水量為560 m3/h。該系統包含預處理、除鹽、冷凝液處理，其中除鹽環節以超濾+反滲透工藝為主。該系統在超濾進水前連續投加氧化殺菌劑次氯酸鈉，在反滲透進水前連續投加阻垢劑和還原劑，間斷性投加非氧化殺菌劑。投產以來系統運行穩定，但是隨著反滲透膜性能衰減、微生物滋生以及產水阻力增大，需要增加氧化殺菌劑加藥量，但后續反滲透進水余氯不能得到有效控制，膜元件容易被氧化。但是，次氯酸鈉加藥量過小，超濾出水余氯不能保證較好的殺菌效果，造成微生物滋生。觀察數據后發現，脫鹽水反滲透會產生存在生物黏泥污染，長時間運行導致反滲透一段污染物累積，一段壓差增加較快，導致污染加劇[1]。此時，需要對反滲透膜進行化學清洗來保證反滲透正常運行，故有必要改造反滲透裝置的加藥工藝。

2 工藝流程

來自原水箱的新鮮水由原水泵送至換熱器,然后進入自清洗過濾器過濾去除水中的懸浮物，經過超濾裝置進一步降低水中的COD和濁度，使進水品質滿足反滲透要求，再由反滲透裝置除去水中的大部分鹽分,以及除碳器除去CO2后，進入中間水箱；由中間水泵送入混合離子交換器進一步去除水中剩余的陰陽離子，合格的脫鹽水進入脫鹽水箱；由脫鹽水泵送往鍋爐和各工藝裝置[2]。脫鹽水工藝流程見圖1。

圖1 脫鹽水工藝流程

3 工作機理

3.1 超濾和反滲透的工作機理

超濾是一種與膜孔徑大小相關的篩分過程，以膜兩側的壓力差為驅動力，以超濾膜為過濾介質。超濾膜的典型孔徑為0.005～0.100 μm，截留分子量為1 000～500 000 Dal左右，對原水中有機污染物、膠體污染物、懸浮污染物、細菌和大多數病毒具有非常好的截流效果。在一定壓力下，當原水流過超濾膜表面時，其表面密布的許多細小微孔只允許水及小分子物質通過而成為透過液，原水中體積大于超濾膜孔徑的物質則被截留在膜的進液側而成為濃縮液，從而實現原液的凈化、分離和濃縮[3]。

反滲透(RO)技術是利用壓力表差為動力的膜分離過濾技術，RO膜孔徑小至納米級，在一定的壓力下，水分子可以通過RO膜，而原水中的無機鹽、重金屬離子、有機物、膠體、細菌、病毒等雜質無法通過RO膜，從而嚴格區分純水和濃縮水[4]。投加殺菌劑的目的是抑制水中微生物及細菌的生長，避免污染超濾膜及RO膜。投加還原劑的目的是為了還原殺菌后剩余的自由氯、臭氧等物質，使其不具備氧化能力，避免膜自身材料被氧化。

3.2 氧化殺菌劑和非氧化殺菌劑的殺菌機理

氧化殺菌劑能很快地擴散到帶負電的細菌表面，穿透細菌的細胞壁進入細菌內部，以強氧化作用破壞細菌賴以生存的酶系統，將核酸氧化，從而阻止細菌吸收葡萄糖，停止其新陳代謝，以達到殺菌的目的。

非氧化殺菌劑是通過改變微生物上個別基團來抑制生物活性以達到殺菌的目的。非氧化殺菌劑具有高效、廣譜、低毒、藥效快而持久、滲透力強、使用方便等優點。非氧化殺菌劑能使微生物的酶系統失去活性，破壞細胞壁、細胞膜或其它特殊部位，使細胞失去活性。非氧化殺菌劑可彌補氧化殺菌劑的不足[5]。

4 系統存在的問題

目前投加的殺菌劑多為含氯型氧化殺菌劑。為了達到良好的殺菌效果，RO前管道和設備水中余氯質量濃度需達到0.20～0.50 mg/L。高濃度的余氯會氧化RO膜，造成脫鹽率急速下降，永久性損壞RO膜。為了防止RO膜被氧化，通常的做法是在反滲透前投加還原劑NaHSO3溶液，控制進水余氯質量濃度小于0.05 mg/L，確保RO膜不被氧化。實際生產過程中，投加還原劑NaHSO3的質量大約是理論計算值的3倍多[6]。

自投產以來,運行數據監測表明，反滲透藥劑消耗量明顯變大，運行期間一段壓差上升較快，化學清洗頻次增高。頻繁化學清洗不但增加勞務成本和化學清洗藥劑的費用，還會影響設備使用壽命，導致生產運行成本增高。因沒有備用設備，化學清洗期間若遇到系統工況異常，則無法滿足后系統用水量。

5 原因分析

檢測RO進水水質，污染指數(SDI)<1.5、濁度<0.2 NTU、總鐵質量濃度<0.07 mg/L，均正常。但是，COD高達5.00 mg/L，而其控制指標要求小于1.50 mg/L，說明進水中有機物含量偏大。有機物是生物細菌所需的營養物質[7]。為了保證超濾和RO氧化殺菌效果，同時保證RO膜不被氧化，此時還原劑NaHSO3的投加量遠大于正常投加量，導致水中硫化物濃度高。同時，RO前管道和保安過濾器濾芯內處于封閉環境，是理想的厭氧環境。豐富的營養物質、硫化物，再加上理想的厭氧環境，給硫細菌等厭氧菌滋生提供了條件，導致RO膜產生生物污染。

6 解決方案

6.1 改造前,非氧化殺菌劑加藥工藝系統

改造前，該系統在超濾進水前連續投加氧化殺菌劑次氯酸鈉，在RO進水前連續投加阻垢劑和還原劑，間斷性投加非氧化殺菌劑。改造前，非氧化殺菌劑加藥工藝系統見圖2。

1—超濾裝置；2—RO裝置；3—前端管線；4—非氧化殺菌劑投加管線；5—非氧化殺菌劑投加裝置；6—新鮮水源管線；7—后端管線；8—次氯酸鈉投加裝置；9—NaHSO3投加管線；10—次氯酸鈉投加管線；11—NaHSO3投加裝置。

6.2 改造后，非氧化殺菌劑加藥工藝系統

改造后，該系統停止加藥，同時停止RO進水前間斷性投加非氧化殺菌劑，而采用在超濾前連續投加非氧化殺菌劑來實現殺菌目的。改造后，非氧化殺菌劑加藥工藝系統見圖3。

1—超濾裝置；2—RO裝置；3—前端管線；4—非氧化殺菌劑投加管線；5—非氧化殺菌劑投加裝置；6—新鮮水源管線；7—后端管線。

7 系統改造前后對比

改造前后加藥質量對比見表1。

表1 改造前后單月加藥質量對比 t

由表1可知：2017年6月至2019年6月，脫鹽水次氯酸鈉年均消耗量為55.440 t，NaHSO3年均消耗量為21.520 t，非氧化殺菌劑年均消耗量為8.580 t。2020年5月，改變脫鹽水系統加藥方式后，NaHSO3和次氯酸鈉的用量為0 t，非氧化殺菌劑年均消耗量為9.636 t。由此可見：通過改變脫鹽水系統加藥方式，優化了脫鹽水反滲透運行工況，減少了藥劑的消耗。與改造前相比，次氯酸鈉年消耗量減少了55.440 t，NaHSO3年消耗量減少了21.520 t，非氧化殺菌劑年消耗量增加了1.056 t。

同時，改造前藥劑消耗量明顯變大，化學清洗頻次(每月1次)大幅度增高，設備使用壽命大幅縮短。改變脫鹽水加藥方式后，化學清洗頻次保持在半年1次，至今設備運行正常。

改造后,節約藥劑費用為97 590元/a(NaHSO3價格為1 900元/t，次氯酸鈉價格為1 300元/t，非氧化殺菌劑價格為14 500元/t)，化學清洗費用節約10 000元/a(化學清洗費用為1 000元/次)，故直接經濟效益為107 590元/a，同時,延長了設備的使用壽命。

8 結語

通過改造超濾和反滲透運行加藥工藝裝置系統，顯著減少了運行成本及大量人力投入，能滿足實際生產需要，并產生可觀的經濟效益。