海水淡化超濾及反滲透膜運行壽命優(yōu)化研究

何雁鳴，尹柱良

(廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，廣東 惠州 516300)

海水淡化系統(tǒng)在某電廠得到良好應(yīng)用，在解決機組生產(chǎn)用水的同時，還順應(yīng)了國家的發(fā)展戰(zhàn)略。該電廠海水淡化系統(tǒng)投運以來，累計減少使用自然界淡水超過450萬噸以上，長壽命運行帶來的增量效應(yīng)達到225萬噸以上。該電廠海水淡化系統(tǒng)長壽命運行管理為海水淡化的可持續(xù)發(fā)展提供了典范。

1 海水淡化系統(tǒng)概況

某電廠生產(chǎn)用水全部為海水淡化產(chǎn)水，采用膜法制水，系統(tǒng)包括2臺斜板沉淀池預(yù)處理系統(tǒng)、8套超濾膜系統(tǒng)、3套一級及2套二級反滲透系統(tǒng)。一級反滲透裝置產(chǎn)水用于全廠雜用水系統(tǒng)及脫硫系統(tǒng)供水，二級反滲透裝置出水主要用于鍋爐補給水系統(tǒng)供水。系統(tǒng)膜組主要參數(shù)見表1。

表1 海水淡化系統(tǒng)膜組主要參數(shù)

2 海水淡化系統(tǒng)運行狀態(tài)介紹

某電廠海水淡化系統(tǒng)自2010年5月份投入運行至今已服役近11年之久，經(jīng)過運行檢修人員精心維護及不斷的調(diào)整與試驗，取得了良好的運行效果。目前，除了2016年4月和2019年12月各換過一套一級反滲透膜外，其余膜組均未更換過，海水淡化膜系統(tǒng)的壽命相較于設(shè)計年限得到了較大幅度的延長，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2。

表2 海水淡化膜系統(tǒng)運行統(tǒng)計

3 超濾及反滲透膜壽命優(yōu)化技術(shù)方案及應(yīng)用

該電廠針對不同膜系統(tǒng)的特點，采用差異化的管理方式來延長超濾及反滲透膜系統(tǒng)壽命。

3.1 超濾膜系統(tǒng)

超濾系統(tǒng)作為反滲透系統(tǒng)的前端的預(yù)處理系統(tǒng)，其主要目的是去除水中的各膠體懸浮物、病毒細菌等物質(zhì)，為反滲透膜系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行提供保證。

該電廠超濾系統(tǒng)自2010年5月投產(chǎn)運行至2020年9月，公司委托超濾膜廠家對單支超濾膜進行了性能試驗，以檢查膜組件使用情況以及推測膜組件可使用壽命，結(jié)果如表3：

表3 超濾膜絲拉伸試驗數(shù)據(jù)

表3中拉伸度是指膜絲被拉伸至斷裂時膜絲長度的增量，拉伸強度是指膜絲被拉伸至斷裂時所施加的最大應(yīng)力，保持率是指將未使用時的膜絲物性值設(shè)定為100%的比率。上表數(shù)據(jù)為內(nèi)外膜絲在清洗前檢測結(jié)果，總的檢測數(shù)量為為不小于十次。

分析表3的數(shù)據(jù)可知，此次檢測的膜組件中，內(nèi)、外側(cè)膜絲的平均拉伸強度保持率為89.9%，平均拉伸度保持率為67.1%，拉伸強度保持率年下降率為1.1%左右、拉伸度保持率年下降率為3.3%左右，預(yù)計超濾系統(tǒng)再運行2-3年，拉伸度保持率將達到60%以下。一般情況下，膜絲的拉伸度保持率、拉伸強度保持率在60%以下建議更換膜組件，膜絲拉伸度、拉伸強度下降后會增加膜斷絲的風險，影響超濾產(chǎn)水水質(zhì)。

上述膜絲檢測報告結(jié)果肯定了該電廠超濾系統(tǒng)良好的設(shè)備管理對膜組壽命的積極影響，下面就從超濾系統(tǒng)日常運行管理、清洗優(yōu)化等幾個方面介紹該電廠超濾系統(tǒng)管理工作。

3.1.1 提高預(yù)處理沉淀池水質(zhì)，確保超濾進水水質(zhì)良好

根據(jù)設(shè)備的參數(shù)，結(jié)合該電廠所處海域的水質(zhì)特點，海水淡化各系統(tǒng)在設(shè)計時對其產(chǎn)水指標做了相應(yīng)的要求，海水淡化預(yù)處理沉淀池設(shè)計產(chǎn)水水質(zhì)要求見表4。

表4 預(yù)處理沉淀池產(chǎn)水指標

設(shè)備投運以來，我們通過運行調(diào)整，不斷優(yōu)化預(yù)處理沉淀池產(chǎn)水水質(zhì)，尤其是近幾年面臨著預(yù)處理沉淀池斜板已服役超過11年的情況下，運行人員仍通過以下三種主要手段，確保水質(zhì)優(yōu)良，使預(yù)處理沉淀池的水質(zhì)指標常年控制在范圍內(nèi)。

1)強化巡檢監(jiān)督，降低產(chǎn)水濁度。預(yù)處理沉淀池設(shè)計時無在線余氯檢測儀器，為了保證沉淀池次氯酸鈉加藥正常，運行人員通過定期對加藥泵排氣、每班檢測清水池余氯、每班上沉淀池檢查水質(zhì)情況等，確保水質(zhì)優(yōu)良。

2)根據(jù)季節(jié)特點動態(tài)調(diào)整殺菌劑的加藥量。海水中的微生物根據(jù)季節(jié)的不同，有不同的生長周期，運行人員根據(jù)長期的經(jīng)驗積累，每年針對不同時節(jié)，動態(tài)調(diào)整次氯酸鈉的加藥量，在保證藥效的同時，減少了藥劑的使用量。

3)嚴格執(zhí)行定期排泥等工作。由于沉淀池斜板的老化、污堵，其截留的污泥已無法正常下落，運行人員采取定期清理沉淀池、每班進行手動排泥操作，減緩了積泥的沉積，減少了出水礬花的攜帶。

預(yù)處理沉淀池良好的產(chǎn)水水質(zhì)，大大減輕了超濾系統(tǒng)的過濾負荷，為其長壽命運行提供了可靠的保證。

3.1.2 優(yōu)化超濾膜系統(tǒng)化學清洗方案，確保膜性能的恢復(fù)

超濾膜系統(tǒng)投運初期，由于膜性能較好，其性能恢復(fù)能力較強，通過設(shè)備廠家提供的常規(guī)化學清洗方法即可達到設(shè)備要求，然而隨著膜絲內(nèi)部頑固性的有機物、無機物越來越多，常規(guī)的清洗操作已無法達成膜性能的恢復(fù)，自2015年以來，我們不斷的試驗、調(diào)整清洗方案，通過優(yōu)化研究和應(yīng)用化學清洗方案，有效的延長了膜系統(tǒng)運行壽命。表5為投運初期到現(xiàn)在的超濾清洗主要控制參數(shù)變動的情況。

表5 超濾系統(tǒng)主要清洗控制參數(shù)調(diào)整

鑒于超濾膜組的老化及永久性附著物的長期累積，從2020年開始，除了采用常規(guī)清洗方法外，我們還定期采用深度清洗方法，以除去超濾外側(cè)膜絲內(nèi)表面少量的Al、Fe垢類的殘留，主要特點是酸洗過程中添加了檸檬酸，并增加了酸堿洗的浸泡時間。

對比發(fā)現(xiàn)，超濾系統(tǒng)采用深度清洗方案，超濾的周期制水量平均約可增加30%左右。

3.1.3 做好系統(tǒng)運行調(diào)整工作，確保系統(tǒng)良好運行工況

我們根據(jù)超濾膜系統(tǒng)的特性及運行經(jīng)驗，對系統(tǒng)運行參數(shù)不斷的進行優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)將系統(tǒng)運行壓力由 0.14 MPa 逐步提高至 0.16 MPa。運行壓力的提高增加了膜系統(tǒng)的流動性，有助于減緩固體物質(zhì)的沉積。

2)及時進行維護性化學清洗。針對超濾膜的要求制定了超濾膜清洗條件，對達到清洗條件的膜組及時進行清洗并對清洗質(zhì)量嚴格要求。超濾系統(tǒng)化學清洗的條件如表6所示。

表6 超濾系統(tǒng)化學清洗的條件

3)做好輔助設(shè)備的維護工作。我們定期測試超濾保安過濾器的運行情況，保證設(shè)備可靠運行。針對超濾反洗保安過濾器濾芯堵塞導致反洗水量下降的情況，制定反洗水量下限，達到條件即進行濾芯清理。

以上措施與改善沉淀池水質(zhì)、優(yōu)化超濾清洗方案等共同促成了該電廠超濾系統(tǒng)長壽命運行。

3.2 一級反滲透系統(tǒng)

反滲透系統(tǒng)是海水淡化系統(tǒng)中核心除鹽設(shè)備。該電廠一級反滲透系統(tǒng)自2010年7月投入生產(chǎn)運行，2號一級反滲透2016年4月更換一套膜組，3號一級反滲透膜組于2019年12月進行更換，1號一級反滲透膜組計劃2019年更換，因備件原因，暫未更換。該電廠一級反滲透膜組較長的使用壽命，主要得益于以下幾個方面：

3.2.1 做好前級水處理工作，減輕系統(tǒng)運行壓力

超濾系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)水是保證一級反滲透良好運行的重要因素。上文已闡述超濾系統(tǒng)的運行管理內(nèi)容，正是由于運行維護到位，才使得超過正常服役期限的超濾系統(tǒng)仍保持良好的產(chǎn)水水質(zhì)，為一級反滲透良好運行奠定基礎(chǔ)。

3.2.2 做好一級反滲透膜化學清洗工作，保持系統(tǒng)良好出力

針對一級反滲透膜組對溫度的敏感性，該電廠于2015年開始制定不同季節(jié)溫度下一級反滲透的清洗條件，如表7。當達到清洗條件時，及時清洗并對清洗效果嚴格驗收。減緩垢類永久沉積是延長一級反滲透膜組壽命的重要手段。

表7 一級反滲透系統(tǒng)化學清洗的條件

3.2.3 做好加藥調(diào)整工作，維持膜系統(tǒng)良好的化學工況

根據(jù)一級反滲透膜的特性，該電廠一級反滲透入口連續(xù)添加還原劑和阻垢劑，以維持一級反滲透膜良好的化學工況。

1)該電廠一級反滲透膜為芳香聚酰胺復(fù)合膜，具有在氧化性工況下分解的特性，為此我們在一級反滲透入口設(shè)置了還原劑加藥點，藥品種類為亞硫酸氫鈉。一級反滲透入口母管安裝1臺ORP監(jiān)測儀，用于在線監(jiān)測還原劑加藥情況，另外，每個班還需手工化驗一次一級反滲透入口母管水源的余氯，確保進入一級反滲透的水質(zhì)余氯小于 0.1 mg/L。

2)阻垢劑主要成分為有機化合物，其作用原理是增大易產(chǎn)生結(jié)垢化學物質(zhì)在海水中的溶解性，例如碳酸鈣及硫酸鈣等物質(zhì)的結(jié)垢析出，從而阻塞膜通道，特別是碳酸鈣或硫酸鋇(barium sulfate)和硫酸鍶(Strontium sulfate)結(jié)晶。同時它也可以對細小的膠體顆粒起到分散作用，防止堵塞膜孔。該電廠阻垢劑的加藥量嚴格按照設(shè)備的要求進行添加，加藥濃度控制在3-5 ppm。

3)還原劑計量泵和阻垢劑計量泵運行信號作為一級反滲透運行的必要條件，保證加藥的可靠性。

4)根據(jù)運行經(jīng)驗，阻垢劑溶液長期存放會生成絮狀沉積物，該物質(zhì)會附著在一級反滲透保安過濾器濾芯及反滲透膜表面，降低系統(tǒng)水通量，為此該電廠制定了嚴格的系統(tǒng)切換與清洗工作，大幅減少了此類現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 二級反滲透

鑒于前級系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，該電廠二級反滲透系統(tǒng)一直維持在較高的運行水平。表8為二級反滲透最近2次海水淡化定期查定的平均數(shù)值。

表8 二級反滲透系統(tǒng)定期查定報表

二級反滲透系統(tǒng)本身不添加維護性藥品，運行的重點工作集中在參數(shù)的控制和化學清洗的執(zhí)行方面，二級反滲透系統(tǒng)的長壽命運行正是基于以上兩點實現(xiàn)的。

4 結(jié)束語

除了各系統(tǒng)的化學清洗外，該電廠還采用在線殺菌的方式，實現(xiàn)海水淡化的清潔維護。具體方法為每月用專用非氧化性殺菌劑投加在超濾產(chǎn)水箱內(nèi)，控制藥品質(zhì)量分數(shù)為 100×10-6左右，維持海淡系統(tǒng)運行1小時以上。此種方法可以對一、二級反滲透系統(tǒng)實施全過程沖擊性殺菌，可有效殺滅反滲透進水的細菌，減輕一級反滲透保安過濾器、一級反滲透膜裝置及二級反滲透系統(tǒng)的微生物污染。

海水淡化作為節(jié)約及再生水資源的一條重要途徑，其系統(tǒng)具有水質(zhì)水量穩(wěn)定、基本不受氣候影響等特點，可在一定程度上解決部分地區(qū)水資源短缺等問題。該電廠海水淡化系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，不斷優(yōu)化研究運行調(diào)整、化學清洗方案，通過實施應(yīng)用，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，設(shè)備壽命與設(shè)計比較得到大幅度延長，明顯提高了設(shè)備的可靠性和具有很好的經(jīng)濟效益。通過幾項關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新研究與應(yīng)用，形成了規(guī)范的海水淡化膜系統(tǒng)壽命管理，該電廠海水淡化系統(tǒng)的運行壽命大大超過了設(shè)備設(shè)計壽命，也比同類型膜用戶的使用壽命有了較大幅度的提升，具有較高的推廣價值。