海水淡化超濾及反滲透膜運行壽命優化研究

何雁鳴，尹柱良

(廣東惠州平海發電廠有限公司，廣東 惠州 516300)

海水淡化系統在某電廠得到良好應用，在解決機組生產用水的同時，還順應了國家的發展戰略。該電廠海水淡化系統投運以來，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達到225萬噸以上。該電廠海水淡化系統長壽命運行管理為海水淡化的可持續發展提供了典范。

1 海水淡化系統概況

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

表1 海水淡化系統膜組主要參數

2 海水淡化系統運行狀態介紹

某電廠海水淡化系統自2010年5月份投入運行至今已服役近11年之久，經過運行檢修人員精心維護及不斷的調整與試驗，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，海水淡化膜系統的壽命相較于設計年限得到了較大幅度的延長，相關數據如表2。

表2 海水淡化膜系統運行統計

3 超濾及反滲透膜壽命優化技術方案及應用

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

3.1 超濾膜系統

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

該電廠超濾系統自2010年5月投產運行至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，結果如表3：

表3 超濾膜絲拉伸試驗數據

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力，保持率是指將未使用時的膜絲物性值設定為100%的比率。上表數據為內外膜絲在清洗前檢測結果，總的檢測數量為為不小于十次。

分析表3的數據可知，此次檢測的膜組件中，內、外側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，預計超濾系統再運行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，影響超濾產水水質。

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

3.1.1 提高預處理沉淀池水質，確保超濾進水水質良好

根據設備的參數，結合該電廠所處海域的水質特點，海水淡化各系統在設計時對其產水指標做了相應的要求，海水淡化預處理沉淀池設計產水水質要求見表4。

表4 預處理沉淀池產水指標

設備投運以來，我們通過運行調整，不斷優化預處理沉淀池產水水質，尤其是近幾年面臨著預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，確保水質優良，使預處理沉淀池的水質指標常年控制在范圍內。

1)強化巡檢監督，降低產水濁度。預處理沉淀池設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情況等，確保水質優良。

2)根據季節特點動態調整殺菌劑的加藥量。海水中的微生物根據季節的不同，有不同的生長周期，運行人員根據長期的經驗積累，每年針對不同時節，動態調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。

預處理沉淀池良好的產水水質，大大減輕了超濾系統的過濾負荷，為其長壽命運行提供了可靠的保證。

3.1.2 優化超濾膜系統化學清洗方案，確保膜性能的恢復

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

表5 超濾系統主要清洗控制參數調整

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，以除去超濾外側膜絲內表面少量的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。

對比發現，超濾系統采用深度清洗方案，超濾的周期制水量平均約可增加30%左右。

3.1.3 做好系統運行調整工作，確保系統良好運行工況

我們根據超濾膜系統的特性及運行經驗，對系統運行參數不斷的進行優化，主要體現在以下幾個方面。

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

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量嚴格要求。超濾系統化學清洗的條件如表6所示。

表6 超濾系統化學清洗的條件

3)做好輔助設備的維護工作。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、優化超濾清洗方案等共同促成了該電廠超濾系統長壽命運行。

3.2 一級反滲透系統

反滲透系統是海水淡化系統中核心除鹽設備。該電廠一級反滲透系統自2010年7月投入生產運行，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，減輕系統運行壓力

超濾系統的優質產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的運行管理內容，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仍保持良好的產水水質，為一級反滲透良好運行奠定基礎。

3.2.2 做好一級反滲透膜化學清洗工作，保持系統良好出力

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 一級反滲透系統化學清洗的條件

3.2.3 做好加藥調整工作，維持膜系統良好的化學工況

根據一級反滲透膜的特性，該電廠一級反滲透入口連續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監測儀，用于在線監測還原劑加藥情況，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生結垢化學物質在海水中的溶解性，例如碳酸鈣及硫酸鈣等物質的結垢析出，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)根據運行經驗，阻垢劑溶液長期存放會生成絮狀沉積物，該物質會附著在一級反滲透保安過濾器濾芯及反滲透膜表面，降低系統水通量，為此該電廠制定了嚴格的系統切換與清洗工作，大幅減少了此類現象的發生。

3.3 二級反滲透

鑒于前級系統運行的穩定性和可靠性，該電廠二級反滲透系統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值。

表8 二級反滲透系統定期查定報表

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

4 結束語

除了各系統的化學清洗外，該電廠還采用在線殺菌的方式，實現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水箱內，控制藥品質量分數為 100×10-6左右，維持海淡系統運行1小時以上。此種方法可以對一、二級反滲透系統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的微生物污染。

海水淡化作為節約及再生水資源的一條重要途徑，其系統具有水質水量穩定、基本不受氣候影響等特點，可在一定程度上解決部分地區水資源短缺等問題。該電廠海水淡化系統自投產以來，不斷優化研究運行調整、化學清洗方案，通過實施應用，產水水質穩定，設備壽命與設計比較得到大幅度延長，明顯提高了設備的可靠性和具有很好的經濟效益。通過幾項關鍵技術的創新研究與應用，形成了規范的海水淡化膜系統壽命管理，該電廠海水淡化系統的運行壽命大大超過了設備設計壽命，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。