某鍋爐補給水系統二級反滲透污堵案例分析及清洗過程

中冶南方都市環保工程技術股份有限公司 陳麗娜 吳朝陽

反滲透膜技術具有脫鹽率高、自動化程度高、適用范圍廣、占地面積小等優點，廣泛應用于火電廠鍋爐補給水系統原水預脫鹽處理，能夠穩定脫除水體中70%～75%溶解性鹽，為后續離子交換樹脂或電滲析進一步深度脫鹽提供堅實的基礎。反滲透膜過濾孔徑極小，能夠截留水體中多種污染物，當水體中無機鹽垢、金屬沉淀物、有機物等污染物在膜表面發生沉積時，將影響反滲透膜運行壓差、產水水量及水質，進而影響整套鍋爐補給水系統的運行，甚至危及機組供水保障。本文通過某火電廠鍋爐補給水系統二級反滲透污堵案例分析及清洗過程，為反滲透膜運行工作中出現異常問題解決提供參考。

1 反滲透膜污堵情況

某火電廠采用經處理后的長江水作為全廠生產生活用水，對原水水質的分析，鍋爐補給水處理系統選用多介質過濾器+自清洗過濾器+超濾+一級反滲透+二級反滲透+EDI的工藝系統。介質過濾器4用1備，主要去除水中固體懸浮物等，濾料采用無煙煤及石英砂，單臺處理為120m3/h。設置3臺自清洗過濾器，過濾精度為100μm，每臺出力120t/h。設置3套超濾裝置，每套出力為119m3/h，回收率≥90%。一級反滲透裝置3套，每套出力為87m3/h，回收率為75%；二級反滲透裝置3套，每套出力為80m3/h，回收率為90%。EDI裝置回收率為90%，設置2套，單臺出力為40m3/h。

一級反滲透裝置膜元件采用蘇伊士原裝進口抗污染芳香聚酰胺復合膜AG8040F-400FR，每套108支，共計三套324支膜元件，設計通量21.7LMH，排列方式為12∶6。二級反滲透裝置膜元件采用蘇伊士原裝進口芳香聚酰胺低壓復合膜AK-440H，每套60支，共計三套180支膜元件，設計通量32.64LMH，排列方式為6∶4。

二級反滲透裝置投產調試期間，產水量為73m3/h，略低于設計值80m3/h，回收率為95%，脫鹽率為91%，基本滿足性能要求。僅運行2個月有余，產水量下降至50m3/h，針對二級反滲透裝置開展在線清洗工作。清洗后，二級反滲透裝置產水量由50m3/h上升至62m3/h，未有明顯提升，隨設備運行產水量仍逐步下降。同時二級反滲透裝置進水壓力、段間壓力、濃水壓力均有明顯上升，膜污堵現象較明顯。運行不足半年，二級反滲透裝置產水量降低至30～35m3/h，在線清洗無明顯效果。

2 污堵原因分析

2.1 外觀分析

二級反滲透膜裝置產水量由73m3/h下降至30m3/h，進水壓力由1.02MPa升高至1.21MPa，在線清洗無法恢復至設計參數。將二級反滲透一段、二段各取一只反滲透膜元件，并解剖膜元件，二級反滲透膜元件外觀及解剖圖所示。發現膜元件進水端膜片表面有較多顆粒狀污染物，呈深黑色，大小不一，數量較多。膜表面無腥臭氣味、黏性物質、白色結垢物質。初步判斷為進水雜質過多，進入二級反滲透造成過濾孔徑堵塞，未發現微生物滋生、膜表面結垢表征現象。

2.2 表面形貌及元素成分分析

為進一步確認污堵原因，通過掃描電子顯微鏡（SEM）對膜元件表面進行檢測，如圖2膜元件表面不同區域電鏡形貌圖所示，發現膜元件表面存在大量不規則顆粒異物附著，呈現黑色、深褐色，不規則分布，同時膜元件空隙處也附著著較多顆粒，占據了大半的空隙。通過對膜元件表面黑色物質進行元素檢測分析，主要成分為硅、鋁和鐵等氧化物。進一步驗證了外來雜質堵塞過濾通道，同時也存在無機鹽垢析出的可能，造成二級反滲透裝置出力降低。

2.3 紅外光譜分析（FT-IR）

分別將膜表面黑色顆粒物和膜片進行紅外光譜分析。其主要信號跟酚氧樹脂即環氧樹脂信號相似，同時還有1725cm-1和1652cm-1兩個羰基信號，分別來源于酯類和酰胺類物質。試驗表明，極少量酯類、聚合物單體（如環氧單體）和低聚物會影響膜元件通量。如果前置一級反滲透未充分沖洗干凈，其產水中少量酯類污染物對二級膜將產生通量下降影響。這些物質可能來源于聚脲-聚氨酯防水防腐涂料，該類防水防腐涂料以環氧材料為底漆，因此黑色顆粒有可能來源于防水防腐涂料。

2.4 水箱防腐檢查

根據掃描電子顯微鏡（SEM）及紅外光譜分析（FT-IR）檢測分析結果，推測污染源極有可能來自前端水箱。結合鍋爐補給水系統投運不到3月，檢修發現超濾產水箱內部出現多處成片腐蝕區域，因發現及時未對保安過濾器及一級反滲透膜裝置產生明顯的影響。根據《發電廠保溫油漆設計規程（DL/T 5072-2019）》對水箱所做防腐設計應能可靠運行5年以上，水箱防腐層破損易造成反滲透系統進水二次污染，從超濾水箱的內防腐層現狀推測其余鋼制防腐水箱內壁可能也存在涂層破損現象。對一級反滲透產水箱進行內部防腐涂層完整性進行檢查，發現產水箱內部多區域有明顯腐蝕、防腐涂層脫落的現象，水箱底部有大量金屬污染物及不明污染物。因此，確認二級反滲透膜元件表面金屬污染物來源一級反滲透產水箱脫落的金屬氧化物，含有微量環氧樹脂、聚氨酯類有機物來源一級反滲透產水箱防水防腐涂層。

2.5 成因分析及處理

根據相關研究表明，除鹽水生產系統水箱防腐涂層在運行初期會釋放一定量的有機物，星成霞等[1]對除鹽水箱防腐防水涂層溶解物對水質的影響研究中發現，在初始溶解階段為快速增長期（1～2周），溶解出的有機物大于10μg/(cm2·d)，對除鹽水的水質有顯著的影響。達到溶出平衡期（7～8周）時，溶解出的有機物逐漸趨于平衡，不再增加。

結合本項目中一級反滲透產水箱涂層脫落、金屬腐蝕對二級反滲透膜裝置產生的較大影響，推測水箱防水防腐涂層存在一定的質量問題，加劇了涂層涂料中有機物的釋放。對此，考慮保證生產的需求，優先對水箱內鼓泡、起皮、滲銹、針孔等多種缺陷進行處理及噴涂修補[2]。對水箱進行多次滿水浸泡、換水及沖洗等操作加速有機物溶解，直至檢測排水中TOC含量（總有機碳指標）達到100μg/L即可。另外，須對二級反滲透膜元件進行離線再生清洗工作。

3 膜元件清洗方案及清洗效果

通過多種檢測及分析，發現造成二級反滲透膜裝置元件污堵的原因是：水箱防水防腐涂層釋放的微量環氧樹脂、聚氨酯類有機物，同時膜表面還存在硅、鋁和鐵的氧化物等無機物污染物。單一的酸洗或者堿洗不能達到預期的效果，經反復討論確定采用“浸泡+堿洗+酸洗+堿洗”的清洗方案，對二級反滲透膜裝置進行離線清洗工作。

3.1 清洗工藝參數

浸泡。采用乙醇水溶液對膜元件進行浸泡，考慮50%濃度乙醇對反滲透膜元件的性能產生不確定性的影響[3]，乙醇濃度選擇30%；堿洗：用除鹽水配置1%EDTA四鈉鹽，加NaOH調pH值至11.5，加入十二烷基磺酸鈉0.01%，針對一些難溶性的膠體硅、有機物附著、硫酸鹽等雜質污堵，水溫控制30℃；酸洗：采用鹽酸，控制pH值在2～3，水溫控制30℃。

3.2 清洗步驟

水沖洗。水沖洗有兩個過程，其一是清洗前，采用反滲透產水進行沖洗，能夠有效清除膜表面的污垢、雜質。其二是清洗后，采用反滲透產水進行沖洗，沖洗化學清洗的藥劑；浸泡。向清洗水箱注入除鹽水，配置30%濃度乙醇溶液，啟動清洗泵，連續循環，清洗液由無色透明變為黑褐色，則更換清洗液，重新配置30%濃度乙醇溶液，知道循環清洗液顏色無變化，停止循環。關閉產水閥門，將膜元件加壓到1.0MPa，控制進水端與濃水端壓差不大于0.07MPa，避免濃水端出現產水背壓，引起膜片損壞。

堿洗。向清洗水箱注入除鹽水，加熱水體溫度至30℃，配置堿清洗液，啟動清洗泵，執行分段清洗，清洗流量控制每個膜管6～9m3/h，進系統壓力控制不大于0.4MPa。執行一個周期循環30min浸泡30min，每段清洗3～5個周期。每隔15min檢測清洗水箱pH值，pH值低于11.5，則投加NaOH，調質至11.5。

酸洗。清洗水箱注入除鹽水，加熱水體溫度至30℃，配置酸清洗液，啟動清洗泵，執行分段清洗，清洗流量控制每個膜管6～9m3/h，進系統壓力控制不大于0.4MPa。每隔15min檢測清洗水箱pH值，pH值大于2，則投加HCl，調質至2。連續監測2～3次pH值沒有變化，則認為酸沒有消耗，酸洗步驟即可以結束。

堿洗。酸洗后，用除鹽水沖洗至pH值中性，再進行一次堿洗，清洗步驟及工藝同上述堿洗步驟；水沖洗。清洗步驟結束后，用除鹽水沖洗整個反滲透膜系統，包括清洗水箱、管道，pH值達到中性即可。

3.3 清洗效果

3.3.1 膜透過量及重量變化

分別抽取3套二級反滲透一段、二段不同填裝位置的膜元件共計12只，測試清洗前、后膜元件本體膜透過量及重量變化。根據測試結果，清洗前膜透過量平均值為17.7LMH，清洗后膜透過量平均值為27.3LMH，提升幅度為53.77%，但與設計值平均運行膜透過量32.6LMH有一定差距，仍有提升空間。清洗后膜元件平均重量較清洗前降低1.93kg，清洗后膜元件平均重量M2為14.25kg，新膜元件重量M0為14.0kg，即M2/M0=0.9825＞0.98，即認定為離線清洗較為徹底。

3.3.2 運行參數變化

整理記錄二級反滲透膜裝置清洗前后的運行參數，對比系統設計運行參數值。由結果可知，清洗前實際運行參數相較設計值相差較遠，二級反滲透膜裝置污堵嚴重，回收率低、脫鹽率低，遠不能滿足生產要求。經清洗后，實際運行參數基本接近設計值，清洗后正常運行1個月未發生進水壓力升高、產水率降低等現象。進水溫度為25℃，清洗前為21℃，清洗后為20℃。進水流量設計參數為88m3/h，清洗前為43.7m3/h，清洗后為80.2m3/h。進水電導率設計參數為40μs/cm，清洗前為38.4μs/cm，清洗后為39.7μs/cm。進水壓力設計參數為1.25MPa，清洗前為1.26MPa，清洗后為1.12MPa。段間壓力清洗前0.906MPa，清洗后為0.984MPa。產水流量設計參數為80m3/h，清洗前35.5m3/h，清洗后為71.3m3/h。產水電導率設計值為4μs/cm，清洗前為6.2μs/cm，清洗后為3.9μs/cm。回收率設計參數為90%，清洗前為81.23%，清洗后為88.9%。脫鹽率設計值為90%，清洗前為83.85%，清洗后為90%。

4 結語

鍋爐補給水系統膜裝置日常運行凈化水體的同時，也不可避免受到多種雜質的污染，造成反滲透膜裝置運行壓力升高、產水量降低、水質變化等不良后果。對受污染的膜元件進行全面的分析診斷是十分必要的，發現污染物類型能夠有利于快速解決問題。

首先，通過外觀觀察，根據判斷粘性及氣味，判斷是否為微生物或有機物孳生；根據結垢顆粒顏色、大小及均勻性，判斷是否為碳酸垢、硅垢或者其他非常規物質；其次，對膜元件進行解剖，觀察膜元件是否存在物理損傷或化學氧化，進一步觀察污染物分布情況，有助于確定污染類型。再者，通過灼燒失量實驗確定有機物、無機物的比例，通過X射線衍射光譜確定污染物元素種類以及含量，通過紅外光譜確定污染物物種的表征；最后，結合系統相關運行參數，確定污染的起因和對應的解決方法，做出及時的運行調整。

本項目中二級反滲透膜裝置投運不到2個月即污堵嚴重，性能指標惡化嚴重，在線清洗無法恢復運行通量。針對污堵膜元件開展各類分析化驗及檢查，發現前端一級反滲透產水箱存在防水防腐材脫落并釋放有機物的問題，金屬氧化物及有機物污堵膜元件的同時，存在無機硅垢的析出，最終導致系統難以運行。開展具有針對性的清洗工藝“浸泡+堿洗+酸洗+堿洗”，恢復膜透過量53.77%，清洗后膜元件平均重量較清洗前降低1.93kg，膜裝置運行參數接近原設計值，有效地解決膜裝置污堵的情況。