反渗透膜污染原因分析及清洗技术在电厂的应用

顿小宝，郑 勃，郭云飞，杨 敏，鲁 浩

（1.西安热工研究院有限公司，陕西西安 710054； 2.华能新疆吉木萨尔发电有限公司，新疆昌吉 831000）

反渗透膜污染常见于电厂锅炉补给水处理系统。反渗透膜的污染物类型多种多样，常见的包括微生物污染、有机物污染、胶体污染和无机盐污染。微生物通过形成生物膜，使反渗透膜进水压力、运行压差增大，且繁殖迅速，增加了清洗的难度〔1〕；溶解于水中的有机物较易通过微滤或超滤系统，若未设置活性炭吸附工艺，极易进入反渗透系统，引起反渗透系统性能的下降；胶体可导致淤泥密度指数（SDI）超标，同时引起系统压差增大、产水量降低等。有机物污染、胶体污染和微生物污染的去除方法类似，可通过碱洗去除。无机盐污染是最常见的污染类型，主要受离子浓度、pH、温度、盐类组分等因素的影响，通常是由于操作不当或阻垢剂投加不正确引起，容易导致反渗透膜结垢，可通过酸洗去除。4种污染物类型在反渗透系统中具有一定的分布特征，有机物污染、胶体污染一般在第一段最为严重，微生物污染分布在各段，无机盐污染在末段最为严重。

反渗透系统常见的清洗方法包括物理清洗和化学清洗。物理清洗是利用大流量高流速的清水冲刷反渗透膜表面，将污染物带走，并缓解浓差极化现象〔2〕。物理冲洗对较为严重的膜污染效果较差，因此需要通过化学清洗以达到较为理想的清洗效果。化学清洗采用的清洗药品主要有酸性清洗剂、碱性清洗剂、生物酶清洗剂，还可以根据具体的污染情况调整药品种类，如通过将氨水加入酸性清洗液中从而避免单一酸性清洗液形成难溶性亚铁柠檬酸盐的问题；将EDTA加入碱性清洗液中从而更有效地去除硫酸盐垢、有机物和胶体。

本研究针对某电厂反渗透系统所产生的污堵，描述了污堵情况，确定了污染物类型，分析了污染原因，确定了杀菌剂清洗加碱洗的化学清洗方案。对反渗透进行了化学清洗，达到了理想的清洗效果。

1 工艺流程及污堵情况描述

1.1 锅炉补给水处理系统工艺流程

电厂锅炉补给水处理系统水源为水库水，采用生水加热、过滤、膜法预脱盐和离子交换对其进行深度除盐处理，其中包括 2套处理量 110 m3/h的反渗透装置，工艺流程见图 1。

图 1 锅炉补给水处理系统工艺流程Fig.1 Process flow of boiler feed water treatment system

系统运行初期反渗透装置保持着良好的运行状态，反渗透进水水质见表 1。

表 1 反渗透系统进水水质Table 1 Influent water quality of reverse osmosis system

投运初期，反渗透装置进水压力、跨膜压差均较为稳定。随着时间的延长和制水量的累积，反渗透系统的运行指标出现了一定下降，主要表现在反渗透进水压力稍有上涨，段间压力增长较大，进水流量有所降低，从而产水流量下降。

1.2 污堵情况描述

对膜元件进行探针测试，即将一根塑料管伸入膜组件的产水中心管内，对产水电导率的分布进行检测。结果表明， 2套反渗透膜元件内产水水质分布均匀，可以排除机械损伤或化学损伤的可能〔3〕。为了准确分析判断反渗透膜污堵情况，对膜元件进行拆卸，打开反渗透膜壳的端盖板，能够清楚地观察到反渗透膜组件端面上有深褐色胶状物，滴加氢氧化钠溶液，胶状物变碎溶解。拆卸过程中能够闻到较大的腥臭味，膜组件和膜壳内壁较为光滑。通过测定反渗透产水和浓水的细菌总数，发现细菌总数偏高，结合运行数据记录中SDI通常偏高甚至有超过标准值的记录，推断反渗透膜存在微生物污染〔4〕。取胶体物质进行酸溶解试验，发现有明显的黄色物质溶出，推断存在金属氧化物污染。考虑到反渗透膜组件的无机盐结垢一般发生在二段，将反渗透装置二段的最后一支膜拆卸并观察称重，发现无明显增重和污染物附着。因此，初步推断反渗透膜组件污堵主要由微生物腐殖质、金属氧化物和胶体污染引起，且发生在反渗透装置一段入口处。

1.3 污堵原因分析

锅炉补给水处理系统水源为水库水，水中有机物、微生物含量较高，冬季来水有低温低浊的特点，预处理设备处理效果下降。来水水质波动较大，虽然投加杀菌剂，但对余氯监测不到位，杀菌效果不理想。工艺流程中无活性炭吸附，对有机物的处理效果一般。电厂输水管网为碳钢材质，易产生金属氧化物污染。

2 清洗方案及清洗效果

2.1 清洗方案

根据膜污染的特点，结合厂家清洗建议，综合考虑经济性和安全性，决定采用杀菌剂清洗+碱洗的化学清洗方案，以去除微生物污染和胶体污堵，金属氧化物污染可在下个清洗周期采用酸洗的方式去除。化学清洗前先进行反渗透冲洗。

反渗透冲洗：利用冲洗水泵对反渗透系统进行冲洗，将反渗透内部的存水全部置换，冲洗完成后进入化学清洗步骤：杀菌剂清洗和碱洗。

反渗透清洗流程见图 2。

图 2 反渗透清洗流程Fig.2 Cleaning flow of reverse osmosis

杀菌剂清洗：采用PWT公司生产的非氧化性杀菌剂（BioGuard ACS）对反渗透系统进行循环清洗。在清洗箱内配制质量浓度为 1500 mg/L的杀菌剂清洗液，在清洗泵与清洗箱间循环使药液充分混合。打开反渗透二段清洗回水阀、反渗透一段清洗进水阀，关闭清洗泵再循环阀，对反渗透一段、二段进行串联清洗。控制清洗流量为额定流量 110 m3/h，清洗泵出口压力<0.3 MPa，清洗温度为常温，清洗时间为 2～3 h。清洗完成后，利用冲洗水泵将反渗透系统中的清洗液冲洗干净。

碱洗：利用碱洗药品（Lavaso7）对反渗透进行循环清洗，配制质量分数为 2%的碱洗液，循环充分混合后进行串联清洗。控制清洗液流量、出口压力不变，温度调整至33～35℃，循环清洗4～6 h。清洗完成后利用冲洗水泵将清洗液冲洗干净。

清洗过程中必须控制好以下要点：应以高流速、低压力的方式进行清洗，流速控制在正常流速的 1.2倍以内，进水压力控制在<0.4 MPa〔5〕。清洗液的流动方向与正常运行时应一致，避免反渗透膜出现“望远镜现象”〔6〕。

2.2 清洗效果

按照上述清洗方案，对该电厂锅炉补给水处理系统# 1、# 2两套反渗透装置进行了化学清洗，反渗透清洗记录及清洗前后的运行数据见表 2和表3。

表 2 反渗透清洗记录Table 2 Reverse osmosis cleaning record

表3 清洗前后反渗透运行数据Table 3 Reverse osmosis operation data before and after cleaning

由表3的# 1反渗透清洗数据可以看出，清洗前，反渗透进水流量最高仅82.1 m3/h，较设计值 110 m3/h下降了约 25%，产水流量同样较设计值82.5 m3/h下降明显。在较高进水流量工况下运行时，一段压差高达0.2 MPa，较标准值0.1 MPa上升了 100%；即使运行在较低流量工况下（69.0 m3/h），压差也达到0.15 MPa，可见一段污堵较为严重；而二段压差基本保持在0.03～0.04 MPa，属正常范围。清洗后一段压差恢复至0.08～0.11 MPa，进水流量和产水流量同样恢复明显，分别平均提高约 26%和 27.5%。# 2反渗透清洗数据同样符合以上规律。清洗过程中清洗液颜色呈褐绿色，印证了反渗透膜组件存在微生物污染和胶体污染。

3 结论

通过探针试验和化学测试的方法，确定了膜元件污染物的类型为微生物污染、金属氧化物和胶体污染。并对运行工况进行了分析，得出了包括水源污染物含量高、水质波动大导致杀菌效果不理想、污染物处理效果一般等在内的污堵原因。

采用了非氧化性杀菌剂清洗和碱洗相结合的化学清洗方案对反渗透进行清洗，清洗后一段压差下降至清洗前的50%，进水和产水流量分别提高约 26%和 27.5%，清洗效果显著。该电厂反渗透膜的污堵情况具有一定的代表性，本研究过程中污染物的分析方法、清洗方案的设计对类似系统污堵问题的解决具有一定的指导意义。