采用城市中水作為水源的化學(xué)水處理系統(tǒng)反滲透膜壓差快速上漲原因分析及清洗對策

王彎彎 王競一 劉曉冬 李珍珠 張 旭

（河北涿州京源熱電有限責(zé)任公司，河北 保定 072750）

0 引言

華北地區(qū)水資源匱乏，而河北省作為水資源嚴(yán)重短缺的省份之一，水資源匱乏已經(jīng)制約了河北省社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地表水連年減少、地下水嚴(yán)重超采，導(dǎo)致地面沉降，環(huán)境惡化。而火力發(fā)電廠屬于用水大戶，年用水量可達(dá)上百萬噸。當(dāng)前，國家發(fā)展改革委員會關(guān)于燃煤電站項(xiàng)目規(guī)劃和建設(shè)有關(guān)要求明確指出：在北方缺水地區(qū)，新建、擴(kuò)建電廠禁止取用地下水，嚴(yán)格控制使用地表水，鼓勵(lì)利用城市污水處理廠的中水或其它廢水。從上述政策可判斷出，對中水的使用已經(jīng)上升到了法律層面，成為了一種強(qiáng)制行為。

河北涿州京源熱電有限責(zé)任公司（以下簡稱“涿州熱電”）作為新建電廠，響應(yīng)國家節(jié)水的號召，使用城市污水廠處理后的中水作為生產(chǎn)水。污水處理廠采用CASS工藝，城市污水由污水主干管自流至粗格柵井，去除漂浮物等雜質(zhì)后由泵提升至細(xì)格柵井、沉沙池去除比重較大的無機(jī)顆粒，然后由自動控制閥分別進(jìn)入CASS池的各分池，污水在CASS池經(jīng)過缺氧、厭氧和好氧過程得以生物降解，沉淀澄清后其上清液由潷水器排至接觸消毒池。經(jīng)二級生化處理后出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002中的一級標(biāo)準(zhǔn)中的A標(biāo)準(zhǔn)。污水處理廠進(jìn)出水主要水質(zhì)指標(biāo)參如表1所示。

表1 污水處理廠進(jìn)出水主要水質(zhì)指標(biāo) 單位：mg/L

反滲透膜法水處理工藝目前被公認(rèn)為水除鹽最有效的技術(shù)之一[1]，尤其在以城市中水作為化學(xué)水處理水源的火力發(fā)電廠，化學(xué)水處理工藝一般包括“預(yù)處理+預(yù)除鹽+深度除鹽”，預(yù)處理系統(tǒng)一般采用機(jī)械過濾、微濾、超濾等，預(yù)脫鹽一般采用反滲透、電滲析等。反滲透技術(shù)作為膜方法分離技術(shù)的典型代表，其應(yīng)用原理為：在進(jìn)水側(cè)施加超過滲透壓的壓力，水會逆著自然滲透的方向作反向滲透，即濃溶液側(cè)的水分子流向稀溶液側(cè)，從而將產(chǎn)水與濃水分離開來。

反滲透法能適應(yīng)各類含鹽量的原水，反滲透設(shè)備在除鹽的同時(shí)，也能將大部分細(xì)菌、膠體及大分子量的有機(jī)物去除。當(dāng)預(yù)處理工藝不完善或處理效果不良時(shí)，由于反滲透膜的特性，反滲透膜在正常運(yùn)行過程中，不可避免地會被無機(jī)鹽垢、膠體、微生物、金屬氧化物、有機(jī)物等污染，這些物質(zhì)沉積在膜表面上，將會引起反滲透裝置段間壓差大、出力或脫鹽率下降，因此，為了恢復(fù)反滲透膜的出力和除鹽性能，需要對反滲透膜進(jìn)行化學(xué)清洗，而準(zhǔn)確有效地化學(xué)清洗能較好地恢復(fù)膜的滲透性能，進(jìn)而延長膜的使用壽命[1]。反滲透運(yùn)行中常見的污染形式及清洗方法參如表2所示。

表2 反滲透運(yùn)行中常見的污染形式及清洗方法

1 涿州熱電簡介

涿州熱電一期工程設(shè)計(jì)安裝2×350MW超臨界間接空冷燃煤供熱機(jī)組。鍋爐為1242t/h超臨界鍋爐，汽輪機(jī)為350MW一次再熱、雙缸雙排汽凝汽式間接空冷機(jī)組，發(fā)電機(jī)為水氫氫冷卻汽輪發(fā)電機(jī)，靜態(tài)勵(lì)磁；同步建設(shè)脫硫、脫硝設(shè)施。

涿州熱電以涿州市東污水處理廠城市中水作為生產(chǎn)用水水源，以涿州市西污水處理廠城市中水作為生產(chǎn)備用水源，通過先進(jìn)的水務(wù)管理技術(shù)以及脫硫廢水零排放系統(tǒng)的成功投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)廢水全部回用，是我國北方地區(qū)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)全廠廢水零排放的燃煤電廠。

涿州熱電依據(jù)“水量、水質(zhì)平衡”及“梯級使用、清污分流”的原則，優(yōu)化了水資源的利用，實(shí)現(xiàn)了全廠智能用水管理，使發(fā)電綜合水耗達(dá)到了較優(yōu)的水平，為城市發(fā)展留下了寶貴的水空間。

化學(xué)水處理系統(tǒng)原水采用城市中水及本廠工業(yè)廢水處理水，比例約為3:2，鍋爐水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)出力為80m3/h，由預(yù)處理、預(yù)脫鹽、除鹽系統(tǒng)組成。預(yù)處理設(shè)備有多介質(zhì)過濾器、自清洗過濾器、超濾，主要作用是除去水中的膠體和懸浮物，滿足反滲透入口水要求。預(yù)脫鹽系統(tǒng)設(shè)備有保安過濾器、反滲透裝置，主要作用是除去水中大部分陰陽離子，其產(chǎn)水一部分進(jìn)入除鹽系統(tǒng)，另一部分作為熱網(wǎng)補(bǔ)充水。除鹽系統(tǒng)有陽床、除碳器、陰床、混床，主要作用是除去淡水中的陰陽離子，滿足鍋爐補(bǔ)充水水質(zhì)要求。

水處理系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 水處理系統(tǒng)工藝流程圖

2 反滲透運(yùn)行現(xiàn)狀

化學(xué)水處理系統(tǒng)共安裝3×60t/h反滲透裝置，使用BW30FR-400/34i抗污染型苦咸水淡化反滲透膜元件，采用一級兩段式（12:5），自2017年6月投運(yùn)以來已運(yùn)行三年半時(shí)間，期間反滲透除鹽率、回收率及壓差上漲情況均正常，除鹽率＞97%、回收率75%，正常運(yùn)行情況下一段壓差為80～150kPa，極限值為300kPa，每季度進(jìn)行一次化學(xué)清洗（酸洗+堿洗+酸洗）。酸洗時(shí)，配置鹽酸清洗液，pH控制在2～3之間，為保證清洗流量及清洗效果，一段、二段膜件分開進(jìn)行化學(xué)清洗，按循環(huán)清洗一、二段各1小時(shí)、浸泡2小時(shí)進(jìn)行3～4個(gè)循環(huán)過程（可根據(jù)膜件污堵情況調(diào)整循環(huán)浸泡次數(shù)），清洗過程中檢測清洗液的pH，根據(jù)pH及時(shí)補(bǔ)充或更換藥液，清洗結(jié)束后將膜件沖洗至中性；堿洗時(shí)，配置堿清洗液，pH控制在11～12之間，循環(huán)浸泡過程與酸洗相同，清洗結(jié)束后將膜件沖洗至中性且出水電導(dǎo)率合格；堿洗結(jié)束后再次進(jìn)行酸洗，起到收縮膜孔的作用，保證反滲透膜件投運(yùn)時(shí)的脫鹽率。清洗結(jié)束后一段壓差由150kPa降至80kPa左右，二段壓差沒有明顯變化。清洗前后壓差上漲情況基本一致，運(yùn)行較為穩(wěn)定。清洗前后反滲透一段壓差變化情況參如圖2所示。

圖2 1號反滲透清洗前后（酸洗、堿洗、酸洗） 壓差變化圖

自2020年12月23日以來，化學(xué)1號、3號反滲透一段壓差上漲過快，1號反滲透一段壓差14h內(nèi)由136kPa漲至170kPa，3號反滲透一段壓差14h內(nèi)由113kPa漲至183kPa，一段壓差上漲趨勢如圖3所示。2號反滲透常規(guī)化學(xué)清洗后投入運(yùn)行，60h內(nèi)壓差由95kPa漲至148kPa，一段壓差上漲趨勢如圖4所示。至此，3套反滲透系統(tǒng)均被迫停運(yùn)，開始逐一進(jìn)行常規(guī)化學(xué)清洗，清洗后一段壓差歷史比較表如表3所示，由表3可看出，常規(guī)化學(xué)清洗效果較差，導(dǎo)致制水系統(tǒng)難以正常運(yùn)行。

圖3 1號、3號反滲透一段壓差異常上漲變化圖

圖4 2號反滲透常規(guī)化學(xué)清洗后一段壓差異常上漲變化圖

3 膜污染原因分析

3.1 膠體污染

水中溶解的金屬離子如鐵、鋁等，被氧化后形成膠體顆粒，會沉積在膜表面，使膜發(fā)生污堵[2]?；瘜W(xué)制水的原水中會包含PAC絮體以及因藥劑過量產(chǎn)生的副產(chǎn)物，可能會導(dǎo)致反滲透膜被膠體污染。通過分析化驗(yàn)反滲透入口的鐵含量和鋁含量分別為6μg/L和5μg/L（標(biāo)準(zhǔn)＜50μg/L），SDI15在1.5～2.5范圍內(nèi)波動（標(biāo)準(zhǔn)＜3），排除膠體污染的因素。

3.2 有機(jī)物污染

有機(jī)物對膜污染主要是有機(jī)物與膜形成氫鍵吸附于膜面，使膜通量下降[3]。經(jīng)過對中水來水、反滲透進(jìn)水進(jìn)行水質(zhì)排查，確定中水COD異常變化是造成反滲透污堵的主要原因之一[4]，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 中水和反滲透進(jìn)水COD分析

3.3 微生物污染

微生物對膜污染首先是有機(jī)物在膜面吸附，改變膜的表面形態(tài)，隨后微生物被吸附到膜面并在膜面生長，最后微生物代謝產(chǎn)生胞外聚合物，在膜面形成生物膜，導(dǎo)致膜污染。通過現(xiàn)場排查，一是來水雖加次氯酸鈉殺菌消毒，但多介質(zhì)過濾器進(jìn)水余氯在0.1mg/L以下，沒有起到有效的殺菌作用，造成微生物在系統(tǒng)內(nèi)滋生；二是反滲透入口加還原劑過量至5ppm，導(dǎo)致反滲透膜中厭氧菌滋生，堵塞反滲透膜[5]；三是拆開反滲透保安過濾器濾芯及反滲透膜件，發(fā)現(xiàn)外壁均存在大量黏滑物質(zhì)，判斷微生物污染是導(dǎo)致反滲透膜污堵的主要原因之一[6]。

經(jīng)過以上分析可以得知，反滲透污堵的主要原因?yàn)榉礉B透膜的有機(jī)物污染和微生物污染。導(dǎo)致反滲透膜發(fā)生有機(jī)物污染和微生物污染的原因有三種：一是原水COD突增，為微生物提供了較適宜的生存環(huán)境，造成微生物滋生，污染反滲透膜；二是原水中加入次氯酸鈉殺菌劑藥量不足，微生物去除效果較差，造成微生物滋生，堵塞反滲透膜；三是反滲透入口還原劑加藥過量，使得反滲透膜滋生厭氧菌，造成膜污染。

4 清洗對策

根據(jù)對反滲透膜污染原因及分析，制定出非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗的化學(xué)清洗方案。

4.1 非氧化性殺菌劑清洗

（1）常溫下配制質(zhì)量濃度100～200ppm的2881非氧化性殺菌劑（2，2-二溴-3-次氮基丙酰胺）；

（2）開啟水箱再循環(huán)門及清洗水泵，水箱內(nèi)部打循環(huán)，保證殺菌劑充分混合均勻，混合均勻后，檢測藥液余氯，保證膜的安全、防止誤用藥；

（3）打入一段膜件開始循環(huán)，流量=一段膜殼數(shù)量×3～4m3/h，即36～48m3/h，循環(huán)1h，循環(huán)結(jié)束后，浸泡2h；

（4）一段浸泡過程中，二段開始循環(huán)，流量15～20m3/h，循環(huán)1h，浸泡2h；

（5）循環(huán)浸泡過程中，每半小時(shí)取清洗液觀察是否渾濁，若藥劑明顯變臟，換藥后繼續(xù)清洗；

（6）一段、二段循環(huán)浸泡3個(gè)循環(huán)，放凈膜殼中藥劑，開始沖洗，沖洗至出水呈中性。

4.2 氫氧化鈉+EDTA四鈉清洗

（1）配制0.1%NaOH+1.0%EDTA四鈉，pH11～12，溫度約35℃；

（2）開啟水箱再循環(huán)門及清洗水泵，水箱內(nèi)部打循環(huán)，保證藥劑充分混合均勻；

（3）打入一段膜件開始循環(huán)，流量=一段膜殼數(shù)量×3～4m3/h，即36～48m3/h，循環(huán)1h，循環(huán)結(jié)束后，浸泡2h；

（4）一段浸泡過程中，二段開始循環(huán)，流量15～20m3/h，循環(huán)1h，浸泡2h；

（5）循環(huán)浸泡過程中，每半小時(shí)取清洗液檢測pH，若pH明顯下降，換藥后繼續(xù)清洗；

（6）一段、二段循環(huán)浸泡3個(gè)循環(huán)，放凈膜殼中藥劑，開始沖洗，沖洗至出水呈中性。

4.3 鹽酸清洗

（1）配制0.2%～0.5%鹽酸，pH2～2.5，常溫；

（2）開啟水箱再循環(huán)門及清洗水泵，水箱內(nèi)部打循環(huán)，保證藥劑充分混合均勻；

（3）打入一段膜件開始循環(huán)，流量=一段膜殼數(shù)量×3～4m3/h，即36～48m3/h，循環(huán)1h，循環(huán)結(jié)束后，浸泡2h；

（4）一段浸泡過程中，二段開始循環(huán)，流量15～20m3/h，循環(huán)1h，浸泡2h；

（5）循環(huán)浸泡過程中，每半小時(shí)取清洗液檢測pH，若pH明顯上漲，換藥后繼續(xù)清洗；

（6）一段、二段循環(huán)浸泡3個(gè)循環(huán)，放凈膜殼中藥劑，開始沖洗，沖洗至出水呈中性且產(chǎn)水電導(dǎo)率合格。

5 清洗效果

3套反滲透采用酸洗、堿洗、酸洗及非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗后一段壓差如表5所示。一段壓差上漲情況如圖5～圖7所示，從表5及圖5～圖7中可看出，非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗后一段壓差較酸洗、堿洗、酸洗降低20%，且一段壓差上漲較緩，使得反滲透性能得以恢復(fù)。

圖5 1號反滲透酸洗、堿洗、酸洗后壓差變化及非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗清洗后壓差變化圖

圖7 3號反滲透酸洗、堿洗、酸洗后壓差變化及非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗清洗后壓差變化圖

表5 1#～3#反滲透膜清洗前后一段壓差對比表

圖6 2號反滲透酸洗、堿洗、酸洗后壓差變化及非氧化性殺菌劑、堿洗+EDTA、酸洗清洗后壓差變化圖

6 結(jié)語

涿州熱電水處理反滲透膜污堵主要是由于來水水源水質(zhì)異常，造成反滲透膜有機(jī)物和微生物污堵，通過化學(xué)清洗有效地解決了反滲透膜的污堵問題。針對中水水質(zhì)波動問題需做出以下控制措施：一是當(dāng)中水水質(zhì)異常波動時(shí)，通過調(diào)整中水及工業(yè)廢水處理水用水比例，保證進(jìn)水水質(zhì)；二是為防止反滲透膜件發(fā)生微生物污染，需調(diào)整多介質(zhì)過濾器進(jìn)水有效氯濃度在0.3～0.5mg/L，抑制微生物的生長繁殖[7]；三是為防止反滲透膜件厭氧菌滋生，反滲透入口還原劑加藥量根據(jù)余氯及ORP及時(shí)調(diào)整。四是根據(jù)反滲透膜的運(yùn)行情況定期采用非氧化性殺菌劑（2，2-二溴-3-次氮基丙酰胺）、氫氧化鈉+EDTA四鈉、鹽酸的清洗方案清洗反滲透膜。