反滲透保安過濾器濾芯污堵原因分析及處理方案

李朋,劉葉萌,殷明威,孫彬

(江蘇中電創(chuàng)新環(huán)境科技有限公司,江蘇 無錫 212000)

保安過濾器作為保護(hù)反滲透系統(tǒng)(RO)的裝置,既可以有效避免固體顆粒以及細(xì)菌造成反滲透系統(tǒng)的污堵,又可以防止較大顆粒在高壓泵的高壓加速下,導(dǎo)致RO膜表面破損。由于北方地區(qū)多采用黃河水作為超純水自來水原水水源,每年黃河枯水期,原水中有機(jī)物較多、電導(dǎo)率較高、膠體離子較多,極易導(dǎo)致保安過濾器濾芯污堵現(xiàn)象發(fā)生。本案例針對(duì)山東某地區(qū)半導(dǎo)體企業(yè),在超純水制備過程中出現(xiàn)的季節(jié)性保安過濾器濾芯污堵情況,進(jìn)行分析及處理,為后續(xù)該問題的處理提供了技術(shù)支持。

1 概述

山東某半導(dǎo)體行業(yè)超純水制備工藝的前段預(yù)處理系統(tǒng),采用板式換熱器(HE)+多介質(zhì)過濾器(MMF)+碳濾罐(ACF)+過濾水箱+保安過濾器(SF)+兩級(jí)反滲透(RO)的工藝。多介質(zhì)過濾器之前加入次氯酸鈉(NaClO 10%)、聚合氯化鋁(PAC 10%)、鹽酸(HCl 31%),保安過濾器之前加入阻垢劑,保安過濾器濾芯采用5 μm規(guī)格,一級(jí)RO 75%回收率,二級(jí)RO 85%回收率。板式換熱器通過熱水對(duì)原水源持續(xù)升溫,保證一定溫度工況下運(yùn)行,有助于RO系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,同時(shí)保證后端對(duì)水溫的要求。MMF過濾器除去水中懸浮固體顆粒以及有機(jī)物質(zhì)。內(nèi)部設(shè)置由大變小的濾料,排列從上往下依次為無煙煤、粗砂、細(xì)砂和鵝卵石,前段加入次氯酸鈉(NaClO 10%)用于原水殺菌,防止細(xì)菌的滋生;加入的聚合氯化鋁(PAC 10%)利用網(wǎng)捕作用使得水中膠體離子及懸浮物聚集形成礬花,有助于濾料的過濾作用;鹽酸(HCl 31%)的加入調(diào)節(jié)水體pH值為酸性條件,有利于PAC和NaCLO發(fā)揮相應(yīng)的作用。ACF過濾器內(nèi)部裝填活性炭,目的是去除水中的各種膠體、色素、異味、大量生化有機(jī)物、余氯,防止余氯進(jìn)入后續(xù)反滲透系統(tǒng),氧化反滲透膜,降低膜的使用壽命。過濾水箱起到中間緩沖作用,同時(shí)水箱中的部分水用來供給進(jìn)行ACF反洗。SF系統(tǒng)[1]在進(jìn)入到反滲透系統(tǒng)之前,進(jìn)一步的過濾作用,保護(hù)RO反滲透系統(tǒng)。RO反滲透[2]被認(rèn)為是分子級(jí)的過濾過程,這種“過濾作用”能夠從水中除去99%溶解性礦物質(zhì),95%～97%大多數(shù)不溶解性有機(jī)物和98%以上的生物和膠體物質(zhì)[3]。RO反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水進(jìn)入下一級(jí)制備系統(tǒng),其濃水進(jìn)入濃水箱,用于MMF系統(tǒng)的反洗,多余部分排入廢水處理系統(tǒng)。

圖1 預(yù)處理工藝流程圖

從當(dāng)年4月運(yùn)行開始,當(dāng)年10月出現(xiàn)以下現(xiàn)象:第一,MMF過濾器內(nèi)部填料(石英砂、無煙煤、鵝卵石)出現(xiàn)亂層現(xiàn)象,反洗時(shí)上層水質(zhì)渾濁,呈現(xiàn)黃色;MMF出水淤泥密度指數(shù)值[4](SDI)無法測出,測試過程中斷流;第二,保安過濾器濾芯污堵嚴(yán)重,更換頻繁。常規(guī)項(xiàng)目3個(gè)月更換一次,本系統(tǒng)兩天更換一次,壓差很快達(dá)到0.08 MPa;拆除濾芯觀察發(fā)現(xiàn)污堵的濾芯表面有大量黏狀物生成,呈現(xiàn)淡黃色,有腥臭味且黏滑;第三,過濾水箱水面上層長期存在泡沫物質(zhì),并且排空后發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有一層黏滑的白色黏狀物附著。

2 污堵原因分析

針對(duì)上述現(xiàn)象綜合分析。由于當(dāng)?shù)靥幱诳菟?原水水質(zhì)較差,水中膠體離子穿透MMF和ACF系統(tǒng)進(jìn)入后續(xù)反滲透系統(tǒng)。原水為黃河水,10月份為枯水期,水質(zhì)較差,存在大量膠體物質(zhì)。MMF內(nèi)部濾料出現(xiàn)亂層現(xiàn)象,導(dǎo)致過濾效果不好,無法截留膠體物質(zhì);導(dǎo)致出水含有較多細(xì)小膠體及顆粒物質(zhì),SDI測試過程中堵塞膜孔,導(dǎo)致斷流,無法測出SDI值。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試反饋, 使用的藥劑PAC(工業(yè)級(jí)聚合氯化鋁)長時(shí)間未更換,現(xiàn)已失效,且投加量較少,與水中膠體物質(zhì)反應(yīng)時(shí)間短,導(dǎo)致無法與膠體形成絮凝作用,截留原水中膠體及懸浮物[5]。

MMF和ACF系統(tǒng)對(duì)水中有機(jī)物(TOC)去除率有限,枯水期原水有機(jī)物偏高,在過濾水箱中富集,為微生物細(xì)菌生長創(chuàng)造了溫床,導(dǎo)致細(xì)菌大量繁殖。原水水質(zhì)TOC較高,前段加次鈉具有殺菌效果,所以MMF出水沒有菌落產(chǎn)生,但MMF過濾效果差,導(dǎo)致大量有機(jī)物進(jìn)入ACF系統(tǒng),ACF系統(tǒng)中活性炭對(duì)TOC吸附去除效果有限。采用M9e儀器對(duì)過濾水箱出水測試TOC仍高達(dá)2.9～3.0 mg/kg,為細(xì)菌繁殖提供了營養(yǎng)物質(zhì)。項(xiàng)目反饋系統(tǒng)前期用水量少,碳濾產(chǎn)水在過濾水箱內(nèi)部停留時(shí)間過長滋生頑固細(xì)菌,長期黏附罐體內(nèi)壁,后續(xù)長時(shí)間未被有效地徹底清除。

RO系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水進(jìn)入RO濃水箱,該股濃水將RO系統(tǒng)進(jìn)水進(jìn)行了4倍的濃縮,即進(jìn)水的TOC等物質(zhì)進(jìn)行了濃縮。然后該股濃水一部分用于MMF系統(tǒng)反洗使用,多余部分排入廢水系統(tǒng)處理。導(dǎo)致大量含細(xì)菌及膠體物質(zhì)再次進(jìn)入MMF系統(tǒng),形成惡性循環(huán)。在系統(tǒng)內(nèi)部富集。同時(shí)過濾水箱的過濾水大部分進(jìn)入后續(xù)RO系統(tǒng),但是還有一部分供給ACF反洗使用,同樣導(dǎo)致大量含細(xì)菌及膠體物質(zhì)再次進(jìn)入ACF系統(tǒng),形成惡性循環(huán)[6]。

為了驗(yàn)證上述理論分析,采取了分析電鏡掃描觀察濾芯表面和能譜測試黏狀物組成成分的方法,進(jìn)一步分析論證。其中,圖2為濾芯黏狀物500 μm下電鏡掃描,明顯發(fā)現(xiàn)有物質(zhì)黏附孔壁;對(duì)自來水原水、過濾水箱、保安過濾器濾芯上部及下部取樣,進(jìn)行元素能譜分析,結(jié)果見表1,其中主要元素為C、O、Ca、Mg。根據(jù)結(jié)果可以表明污堵物質(zhì)主要成分組成,其中C和O的占比最大,證明其主要物質(zhì)為有機(jī)物,而大量的有機(jī)物極易為細(xì)菌的生長提供溫床,可以側(cè)面反應(yīng)黏狀物中含有有機(jī)物及細(xì)菌。其次Ca和Mg元素在污堵物質(zhì)也占有一定比例,也反映了膠體離子的存在,分析為黃河水枯水期膠體粒子的主要組成。

表1 污染物能譜分析 單位:%

圖2 濾芯SEM圖

同時(shí),也采取了其他驗(yàn)證措施,具體操作方法為對(duì)自來水原水、碳濾罐出水、過濾水箱出水及內(nèi)壁膠體進(jìn)行菌落培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。如圖3(a)所示,發(fā)現(xiàn)自來水及碳濾罐出水無菌落,過濾水箱出水及內(nèi)壁黏狀物分析有大量細(xì)菌產(chǎn)生。分析原因是在MMF前端有加次氯酸鈉,對(duì)細(xì)菌有殺滅作用,但是經(jīng)過MMF和ACF系統(tǒng)之后,次氯酸鈉的殺菌效果已經(jīng)大大減小,而且ACF系統(tǒng)內(nèi)部的活性炭會(huì)對(duì)次氯酸鈉產(chǎn)生吸附作用,目的也是為了保護(hù)后端的RO系統(tǒng),防止次氯酸鈉對(duì)RO系統(tǒng)的膜產(chǎn)生氧化,影響膜的使用壽命[7]。如圖3(b)所示,過濾水箱內(nèi)壁黏狀物放置一星期后,變?yōu)楹谏镔|(zhì),采用次鈉浸泡,黑色物質(zhì)消失,留下淡黃色膠狀物,同時(shí)產(chǎn)生大量氣泡。分析原因?yàn)楹谏镔|(zhì)為膠體表面覆蓋細(xì)菌微生物,由于長時(shí)間與空氣接觸,部分細(xì)菌未得到營養(yǎng)物質(zhì),從而變黑色。采用次氯酸鈉浸泡后表面的細(xì)菌及部分有機(jī)物被氧化,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡,剩余的膠體物質(zhì)主要成分為鈣鎂離子等無機(jī)物,所以不會(huì)與次氯酸鈉產(chǎn)生反應(yīng)。

圖3 自來水、碳濾罐、過濾水箱細(xì)菌測試

綜上分析如下:污堵黏狀物為鈣鎂離子為主形成的膠體以及細(xì)菌菌落[8]。兩者共同作用導(dǎo)致保安過濾器濾芯污堵,更換頻繁。

3 處理方案

3.1 針對(duì)膠體問題的處理方案

MMF系統(tǒng)前期運(yùn)行出現(xiàn)亂層現(xiàn)場,導(dǎo)致填料的過濾性能大大減小[9]。首先采取更換填料,重新填入新采購的鵝卵石、石英砂、無煙煤。按照常規(guī)調(diào)試步驟進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。后續(xù)運(yùn)行通過調(diào)整閥門開度等方式,使進(jìn)水過程中降低流速(8 m/h),同時(shí)延長反洗時(shí)間至3～4 d(常規(guī)反洗需每天進(jìn)行一次),觀察MMF進(jìn)水與產(chǎn)水的壓差達(dá)到0.05 MPa,這樣有利于在MMF填料層形成濾膜,同時(shí)延長了PAC與原水中膠體的接觸反應(yīng)時(shí)間,使得膠體離子聚集,形成較大的礬花,增加填料物質(zhì)的過濾效果[10]。

其次,現(xiàn)場的PAC藥品長時(shí)間未更換,藥效過期。采購新的PAC到場,人工排空并清洗PAC化學(xué)品儲(chǔ)罐,更換新的PAC藥品,重新標(biāo)定調(diào)整加藥量,根據(jù)計(jì)算調(diào)整10%的PAC投加量為0.43 mg/kg。PAC的投加量經(jīng)小試試驗(yàn)確認(rèn),如果投加量過少,達(dá)不到網(wǎng)捕絮凝的作用,對(duì)水中膠體離子去除效果差;如果投加量過多,引入多余的鋁離子,影響MMF系統(tǒng)出水水質(zhì),容易使出水SDI值無法測出,進(jìn)而影響后續(xù)水質(zhì)。

3.2 針對(duì)生菌問題的處理方案

MMF系統(tǒng)進(jìn)水管加入次鈉,保證進(jìn)出水可檢測出余氯,確保MMF罐體殺菌到位。首先,滿足系統(tǒng)后端供水的前提下,過濾水箱排空后人工洗刷內(nèi)壁,清除內(nèi)部黏附的膠狀物。

其次,采用沖擊式投加非氧化性殺菌劑(200 mg/kg-殺菌劑Ficide 603),間隔2 d,連續(xù)進(jìn)行三次,共持續(xù)9 d,期間檢測過濾水箱菌落生成情況;具體操作如下:第一,施工準(zhǔn)備階段:過濾水箱后續(xù)系統(tǒng)補(bǔ)滿、工機(jī)具準(zhǔn)備、導(dǎo)水帶就位、非氧化劑殺菌劑運(yùn)至罐頂。第二,過濾水箱罐體進(jìn)水階段:開始進(jìn)水時(shí)水箱液位在1/3處;過濾水箱(直徑3.8 m)進(jìn)水,同時(shí)投加非氧化性殺菌劑,至罐體最高水位3.8 m,預(yù)計(jì)40 min(補(bǔ)水量43 m3,原水泵流量60 m3/h)。投加非氧化劑殺菌劑200 mg/kg,投加量8.6 kg。進(jìn)水的同時(shí)持續(xù)加入非氧化性殺菌劑,同時(shí)罐體內(nèi)部CDA曝氣。第三,浸泡1 h。第四,過濾水箱至一級(jí)RO管路進(jìn)水清洗階段:通過控制進(jìn)水閥門,讓RO供水泵進(jìn)水至高壓泵前端,等到管子中滿水之后,關(guān)閉RO供水泵,打開進(jìn)水閥門泄壓30 s,然后再次關(guān)閉,從RO供水泵出口壓力表下接入壓縮空氣。觀察壓力表,控制進(jìn)氣壓力小于2 kg。通氣一段時(shí)間后,啟動(dòng)RO供水泵,將水完全排入事故池。重復(fù)步驟三到五次完成管道清洗。切換出水閥門控制RO正常產(chǎn)水。

最后,在碳濾罐出水管道設(shè)置加藥點(diǎn),連續(xù)投加非氧化殺菌劑(10 mg/kg-殺菌劑Ficide 920)。ACF出水口新增加藥點(diǎn),人工轉(zhuǎn)絲口。加藥按照10 mg/kg考慮,水量約360 m3/d,加藥量3.6 kg/d,加藥泵流量設(shè)置75 mL/h。修改程序,加藥泵與ACF產(chǎn)水閥門聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。另需注意該位置需投加非氧化性殺菌劑,因氧化性物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致后端RO膜受損,影響使用壽命。沖擊性投加的非氧化性殺菌劑與連續(xù)性投加的非氧化性殺菌劑不同,前者主要是針對(duì)水箱中頑固的菌落的殺菌,藥性較強(qiáng),需重新干凈,再進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)。后者主要是針對(duì)水中少量細(xì)菌,不影響后續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 運(yùn)行效果分析

4.1 MMF系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

經(jīng)過上述調(diào)整方案后。第一次:MMF系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行6 020 min后,壓差達(dá)到0.048 MPa,進(jìn)行反洗可以明顯看到黃色膠狀物被洗出,MMF過濾效果變好。同時(shí)檢測出水SDI值,發(fā)現(xiàn)可以測出且符合常規(guī)要求,SDI值維持在5以下。第二次:MMF系統(tǒng)運(yùn)行4 000 min后,壓差達(dá)到0.05 MPa,后續(xù)反洗按照壓差設(shè)置,達(dá)到壓差進(jìn)行反洗。經(jīng)過與第一次觀察對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在更短的時(shí)間內(nèi)可以截留更多的膠體物質(zhì),達(dá)到反洗設(shè)定的壓差值。并且持續(xù)檢測MMF出水及RO系統(tǒng)進(jìn)水SDI值,MMF出水維持在5以下,RO進(jìn)水維持在3以下,符合常規(guī)系統(tǒng)SDI值,數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 MMF產(chǎn)水和RO進(jìn)水SDI值

4.2 保安過濾器濾芯運(yùn)行效果分析

如圖5所示,對(duì)保安過濾器濾芯的更換進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)第一次為濾芯累計(jì)過水流量只有900 m3左右,便出現(xiàn)了壓差較大(0.1 MPa)濾芯污堵的情況;然后在第二次為沖擊性投加殺菌劑后濾芯過水流量可提高到1 400 m3左右,可以發(fā)現(xiàn)效果明顯提高,然后繼續(xù)觀察第三次、第四次沖擊性投加后效果可以持續(xù)保持;從第五次開始改為連續(xù)性投加殺菌劑后濾芯過水流量達(dá)到4 000 m3左右;第六次為連續(xù)性投加殺菌劑后濾芯過水流量達(dá)到12 000 m3左右。經(jīng)過四次沖擊性投加非氧殺菌劑和兩次連續(xù)性投加非氧殺菌劑的觀察結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)濾芯的污堵情況得到明顯的改善,并且濾芯黏狀物明顯減少,沒有腥臭味。保安過濾器濾芯污堵情況得到明顯改善,逐步趨于正常狀態(tài)。

圖5 保安過濾器濾芯更換情況

同時(shí)對(duì)細(xì)菌菌落進(jìn)行觀察。沖擊性投加非氧殺菌劑后細(xì)菌菌落數(shù)明顯減少,三次沖擊性投加后過濾水箱菌落數(shù)趨于穩(wěn)定。如圖6所示:第一次,沖擊式投加殺菌劑后細(xì)菌明顯減少,但后續(xù)兩天菌落再次快速繁殖至400個(gè)左右;第二次,菌落繁殖至200個(gè)左右;第三次,菌落繁殖至150個(gè)左右。經(jīng)過三次沖擊性投加后,細(xì)菌菌落維持在一個(gè)較低水平(10個(gè)左右)。證明經(jīng)過三次沖擊性投加非氧殺菌劑后,細(xì)菌的繁殖生長被有效控制,但由于長時(shí)間的累積,細(xì)菌未被徹底殺滅,還需要較長時(shí)間的連續(xù)性投加殺菌劑,進(jìn)行調(diào)理。后續(xù)經(jīng)過連續(xù)性投加殺菌劑,細(xì)菌繁殖得到有效控制,檢測發(fā)現(xiàn)菌落數(shù)一直維持在較低水平。證明水箱生菌情況被控制。

圖6 過濾水箱細(xì)菌生長情況

5 結(jié)論

保安過濾器濾芯污堵原因?yàn)殁}鎂離子為主形成的膠體以及細(xì)菌菌落形成的黏狀物污堵。采取優(yōu)化調(diào)整MMF系統(tǒng)包括更換填料、降低流速(8 m/h)、延長反洗時(shí)間至一定壓差(0.05 MPa)的操作方法,可以提高過濾效果。重新更換PAC藥劑,調(diào)整加藥量(10%,0.43 mg/kg),可有效捕捉截留水中膠體離子。ACF系統(tǒng)產(chǎn)水管道增加非氧化性殺菌劑(10 mg/kg-殺菌劑Ficide 920)可有效抑制生菌。過濾水箱采用沖擊性投加殺菌劑(200 mg/kg-殺菌劑Ficide 603)可以殺滅長期滯留在罐內(nèi)的大量頑固菌落。采取以上方法可以有效解決保安過濾器濾芯污堵情況,為后續(xù)半導(dǎo)體行業(yè)超純水系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)提供技術(shù)參考。