超濾膜污堵原因分析及防治措施

馬知敬，宋英豪，張占梅，劉秀娟

1.神華國能集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 831400

2.重慶遠(yuǎn)達(dá)水務(wù)有限公司，重慶 400060

3.重慶交通大學(xué)海河學(xué)院，重慶 400074

超濾是指在外界推動(dòng)力(壓力)作用下截留水中膠體顆粒和分子量相對(duì)較高的物質(zhì)，而水、無機(jī)鹽及小分子物質(zhì)透過膜的分離過程。隨著膜法水處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，超濾在電廠鍋爐補(bǔ)給水處理中應(yīng)用越來越廣泛［1-3］。

神華國能集團(tuán)有限公司新疆米東熱電廠采用亞臨界循環(huán)流化床燃煤發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為2 ×300 MW。該工程配套鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)為雙介質(zhì)過濾器→保安過濾器→超濾裝置→精密過濾器→反滲透裝置→離子交換系統(tǒng)。該系統(tǒng)8 組超濾裝置采用科氏V1072 -35 -PMC 超濾膜，結(jié)構(gòu)為內(nèi)壓式中空纖維膜組件，運(yùn)行方式為單通錯(cuò)流過濾。

1 超濾裝置運(yùn)行情況

米東熱電廠鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)水源采用當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S中水。在以往運(yùn)行期間，夏季水源全部使用中水，使用設(shè)計(jì)運(yùn)行工況基本可達(dá)到運(yùn)行要求。冬季，機(jī)組供熱期熱網(wǎng)補(bǔ)充淡水量增加，使得包括反滲透在內(nèi)的預(yù)脫鹽系統(tǒng)處理水量增大，運(yùn)行期間超濾膜污堵現(xiàn)象嚴(yán)重，跨膜壓差迅速達(dá)到設(shè)定值0.1 MPa，進(jìn)水流量只能維持在約40 m3/h，這是因?yàn)槟の鄱聲?huì)引起過濾阻力不斷增加，造成膜過濾通量嚴(yán)重衰減，產(chǎn)水不足，致使鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)運(yùn)行困難，嚴(yán)重影響機(jī)組正常運(yùn)行及供熱安全［4］。因此根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，為滿足系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的要求，確定冬季該水源能否作為鍋爐補(bǔ)給水源。

以冬季米東熱電廠超濾設(shè)備的運(yùn)行情況為研究對(duì)象，通過對(duì)城市中水水質(zhì)特性分析及超濾加強(qiáng)反洗后的污堵物的能譜分析，判斷并確定超濾膜污堵的原因，提出防治措施，以保障鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)采用城市中水運(yùn)行時(shí)，超濾裝置能夠滿足制水要求。

2 超濾膜污堵原因

2.1 城市中水水質(zhì)

超濾膜的污染與進(jìn)水水質(zhì)有直接的關(guān)系［5-6］，超濾膜污染物因進(jìn)水水質(zhì)的不同而各異，但大致可分為膠體污染、有機(jī)物污染、微生物污染［7］，因此嚴(yán)格控制進(jìn)水水質(zhì)是超濾膜穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。米東熱電廠鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)水源采用當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S中水，污水廠的主體處理工藝為硝化生物濾池+反硝化生物濾池，進(jìn)水通過污水提升泵提升進(jìn)入硝化、反硝化生物濾池，經(jīng)過沉淀池和UV 消毒池，出水進(jìn)入清水池。中水水質(zhì)見表1。

表1 中水水質(zhì)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)Table 1 The water quality of reclaimed water and designed influent quality of the system

通過鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)進(jìn)水中水水質(zhì)和設(shè)計(jì)水質(zhì)對(duì)比(表1)，發(fā)現(xiàn)中水水質(zhì)明顯劣于設(shè)計(jì)水質(zhì)，其中，CODCr、BOD5、氨氮3 個(gè)指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，懸浮物、濁度、硬度輕微超標(biāo)。水質(zhì)超標(biāo)的主要原因:1)污水處理廠投入運(yùn)行時(shí)間較短，設(shè)備運(yùn)行沒有達(dá)到最佳狀態(tài)，出水水質(zhì)不穩(wěn)定;2)北方冬季氣溫較低，污水廠設(shè)備低溫進(jìn)水對(duì)CODCr、氨氮等的去除率大大降低，導(dǎo)致污水廠出水水質(zhì)不理想。

通過水質(zhì)對(duì)比，分析認(rèn)為造成超濾膜污堵的主要原因:1)城市中水進(jìn)入鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)，通過生水加熱器使水溫升高(穩(wěn)定在(26 ±4)℃)，提供了適宜微生物生長的溫度環(huán)境;2)超濾實(shí)際進(jìn)水CODCr、BOD5、氨氮指標(biāo)超標(biāo)，加重污堵，同時(shí)為微生物的繁殖和生長提供了有利的營養(yǎng)條件，易造成微生物大量滋生，微生物被截留在超濾膜表面形成生物黏泥，造成二次污染。

2.2 超濾膜污堵物

2.2.1 物理性質(zhì)

試驗(yàn)期間，取超濾裝置加強(qiáng)反洗的清洗水樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水樣中含有橙黃色透明絮狀物，將水樣在105 ℃下脫水分離得到固體污堵物粉末，污堵物粉末呈黃褐色，有臭味。水樣及污堵物外觀如圖1 所示。

圖1 超濾加強(qiáng)反洗水樣及污堵物外觀Fig.1 The appearance of the water sample and the fouling matter from the CEB

2.2.2 灼燒減重試驗(yàn)

取4 組超濾加強(qiáng)反洗水樣脫水分離后的污堵物在馬弗爐中升溫至600 ℃，恒溫6 ～8 h，對(duì)污堵物進(jìn)行灼燒減重，污堵物中有機(jī)質(zhì)比例見表2。由表2可見，有機(jī)質(zhì)占總污堵物的39.29% ～41.73%，污堵物成分中有機(jī)質(zhì)比例較高，初步判斷造成膜污堵的主要原因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)污堵。

表2 超濾加強(qiáng)反洗污堵物灼燒減重結(jié)果Table 2 The results of loss on ignition about the fouling matter from the CEB

2.2.3 能譜分析

取超濾加強(qiáng)反洗污堵物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖2，各元素質(zhì)量比見表3。

圖2 超濾加強(qiáng)反洗污堵物能譜Fig.2 The energy spectrum diagram of the fouling matter

表3 超濾加強(qiáng)反洗污堵物中各元素所占質(zhì)量比Table 3 Mass ratio of element in the fouling matter

由圖2 和表3 可以看出，超濾加強(qiáng)反洗污堵物中主要成分為C、O 元素，約占70%，說明污堵物中有機(jī)物所占比例最高。來水中CODCr超標(biāo)為主要原因之一，另外，水源中營養(yǎng)物質(zhì)較為豐富，微生物被超濾膜截留，在營養(yǎng)豐富的環(huán)境下迅速繁殖，形成生物黏泥，同時(shí)與被截留下來的懸浮顆粒物、大分子聚合物等結(jié)合形成凝膠混合體，不斷累積形成透水性較差的厚污堵層，甚至造成中空纖維內(nèi)腔完全堵塞［8-9］。

污堵物中的次要成分為Ca、Fe 元素，表明污堵物中除有機(jī)物外，還含有小部分鈣鐵離子形成的膠體化合物。Ca 元素所占比例為12.36%，反映出中水水質(zhì)硬度較高，推斷污堵物為CaCO3，其成因?yàn)槟け砻嫖廴荆罅磕た妆桓采w，使進(jìn)水中的Ca2+和長時(shí)間相互作用，在膜表面污染層上結(jié)垢，形成了以CaCO3晶體為主的污染層。Fe 元素所占比例為6.59%，F(xiàn)e 元素偏多是污堵物呈黃褐色的重要原因。鐵是水中常見的物質(zhì)，管道或水箱出現(xiàn)腐蝕是造成膠體鐵形成的原因，水溶性Fe2+被氧化成不溶性Fe3+，以Fe3+化合物或Fe(OH)3膠體的形式存在，這些沉淀物會(huì)逐漸在超濾膜表面附著，堵塞產(chǎn)水通道［10］。

3 防治措施

3.1 運(yùn)行工況調(diào)整

通過對(duì)水源水質(zhì)和污堵物的分析，得出水源水質(zhì)超標(biāo)是超濾膜污堵的根本原因，水源水質(zhì)不同，采用的運(yùn)行工況也就不同，冬季污水廠受低溫影響，出水水質(zhì)劣于夏季。因此，有必要對(duì)鍋爐補(bǔ)給水的運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整，以改善冬季水質(zhì)變差造成無法達(dá)到運(yùn)行要求的情況。

作為精密過濾裝置的超濾膜元件，在截留水中膠體、大分子有機(jī)物、微生物、懸浮顆粒以及金屬氧化物后，濾膜會(huì)受到污染。為保證膜產(chǎn)水量不變，膜過濾壓力會(huì)不斷增加，因此運(yùn)行一段時(shí)間后需要從過濾相反方向?qū)δみM(jìn)行清洗(反洗)，使沉積在膜內(nèi)表面的固體懸浮物被清洗排出，使膜的性能得以恢復(fù)［11］。雖然水反洗能夠去除膜表面的污垢，但由于有機(jī)物、微生物及膠態(tài)物質(zhì)黏附在膜表面，且各種污染物之間相互作用復(fù)雜，經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，僅通過水反洗無法將這部分物質(zhì)有效去除，單純水力清洗產(chǎn)水量得不到有效恢復(fù)。因此，需要更有效的辦法(如化學(xué)加強(qiáng)反洗)對(duì)沉積在膜表面的物質(zhì)進(jìn)行徹底清除［12-13］。

超濾運(yùn)行中需要保證的關(guān)鍵指標(biāo)是膜通量和膜過濾壓力。膜污堵導(dǎo)致膜過濾壓力升高的主要原因有以下2 點(diǎn):1)水反洗和化學(xué)加強(qiáng)反洗強(qiáng)度達(dá)不到要求，如2 次反洗之間的時(shí)間間隔較長，反洗各階段的時(shí)間較短;2)對(duì)加藥泵的加藥量及加藥與否未能有效監(jiān)督，堿或次氯酸鈉的加藥濃度過低，達(dá)不到加強(qiáng)清洗效果，導(dǎo)致附著在膜表面的微生物不能有效清除［14］。

在鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)夏季運(yùn)行工況的基礎(chǔ)上，增加超濾裝置的反洗頻率，水反洗頻率由原來的每次60 min 調(diào)整為30 min，化學(xué)加強(qiáng)反洗周期由45 個(gè)調(diào)整為30 個(gè)，化學(xué)清洗時(shí)間調(diào)整為跨膜壓差達(dá)到0.12 MPa，并加強(qiáng)對(duì)加藥系統(tǒng)的監(jiān)管［15］，具體調(diào)整方案見表4。

表4 超濾運(yùn)行工況調(diào)整方案Table 4 The adjustment scheme of ultrafiltration’s operating conditions

3.2 超濾裝置運(yùn)行情況

調(diào)整運(yùn)行工況后，電廠鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)使用中水連續(xù)運(yùn)行9 d，期間對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，記錄超濾運(yùn)行的流量和壓力參數(shù)，分析其變化趨勢，判斷超濾裝置的運(yùn)行狀況。

3.2.1 超濾裝置運(yùn)行流量變化

超濾裝置進(jìn)水流量變化如圖3 所示。試驗(yàn)期間，進(jìn)水流量波動(dòng)明顯，但總體趨勢穩(wěn)定，從開始運(yùn)行階段，進(jìn)水流量達(dá)到65 m3/h 后，便穩(wěn)定在40 ～55 m3/h 之間，滿足運(yùn)行要求。

圖3 超濾進(jìn)水流量變化Fig.3 Variation of ultrafiltration’s water inflow

3.2.2 超濾裝置運(yùn)行壓力變化

超濾裝置運(yùn)行壓力變化如圖4 所示。試驗(yàn)期間，超濾裝置運(yùn)行進(jìn)水壓力穩(wěn)定在0.11 ～0.16 MPa，跨膜壓差基本維持在0.04 ～0.08 MPa，總體趨勢平穩(wěn)，沒有達(dá)到調(diào)整后的化學(xué)清洗設(shè)定壓差0.12 MPa，系統(tǒng)運(yùn)行正常，未出現(xiàn)膜污堵現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)膜污堵趨勢。結(jié)果表明，通過調(diào)整運(yùn)行工況，可以達(dá)到超濾裝置的運(yùn)行要求。

圖4 超濾運(yùn)行壓力變化Fig.4 Variation of ultrafiltration’s operating pressure

4 結(jié)論

(1)水源水質(zhì)超標(biāo)是造成冬季超濾膜污堵的根本原因。在冬季水溫較低的條件下，污水處理廠對(duì)CODCr、氨氮等指標(biāo)的去除率降低，出水水質(zhì)明顯劣于電廠鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)水質(zhì)，其中CODCr、BOD5、氨氮3 個(gè)指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，懸浮物、濁度、硬度有輕微超標(biāo)。

(2)通過能譜分析證實(shí)造成超濾膜污堵的主要原因是有機(jī)物指標(biāo)超標(biāo)，以及系統(tǒng)運(yùn)行中營養(yǎng)物超標(biāo)導(dǎo)致微生物滋生造成的二次污染，次要原因是鈣鐵離子形成的膠體化合物引起的無機(jī)物污染。

(3)調(diào)整運(yùn)行工況，將超濾裝置水反洗頻率由60 min 調(diào)整到30 min，化學(xué)加強(qiáng)反洗周期由45 個(gè)調(diào)整為30 個(gè)，化學(xué)清洗時(shí)間由壓差達(dá)到0.1 MPa 調(diào)整為達(dá)到0.12 MPa。通過上述工況調(diào)整，可有效減緩超濾膜污堵現(xiàn)象，達(dá)到電廠運(yùn)行要求。

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