超滤膜污染问题及防控清洗方法

ibutpimiruwa

【摘 要】阐述了超滤的基本技术和电厂超滤系统的构成，重点分析了超滤膜的污染机理和解决超滤膜污染的防控技术以及清洗方法，提升了水处理系统的管理水平。
【关键词】超滤；膜污染；防控技术；清洗方法
中图分类号： X791；TQ028.8 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0237-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.111
0 前述
目前，超滤技术已被广泛应用于工业、环保、生物等工程的水处理系统中，也大量应用于火力发电厂的锅炉补给水除盐系统中。超滤膜是集成膜技术的重要组成部分，一般安装于反渗透装置的前级，它能非常有效地减少反渗透膜的污堵，保障反渗透装置的安全运行，提高产水率，减少废水。但在实际应用的过程中，水处理系统的膜污染情况时有发生，如果处理不当就影响制水量，甚至影响电厂机组的安全运行。因此，掌握正确的预防、控制超滤膜污染的措施和清洗方法是电厂锅炉补给水除盐系统中非常重要的技术。
1 超滤的基本原理及系统构成
1.1 超滤的基本原理
超滤是一种将溶液进行净化和分离的膜分离技术，在压力差的驱动下超滤膜只允许溶液中的溶液、无机盐及小分子有机物透过，而将溶液中的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分子物质截留在外表面，从而达到净化和分离的目的。
1.2 超滤系统的构成
在选择使用超滤技术时，就要考虑系统的完整性和合理性，在满足产水的情况下，还能进行膜自动反洗、自动清洗，以保证产水品质和延長超滤膜的使用寿命。电厂锅炉补给水处理系统中超滤装置的主要构成及技术特点如下：
1.2.1 超滤装置本体
（1）超滤装置（包括超滤升压泵、自清洗过滤器和超滤膜组件）多采用单元制设计，一般小型火力发电厂设置2个系列单元（1用1备），较大型的供热电厂或大型火力发电厂一般都设置3个系列单元（2用1备），每列都能单独运行，也可几列同时运行；
（2）超滤膜元件的设计通量不应大于膜厂商《设计导则》中规定的最大通量值，且不大于60 L/m2.h（按净产水量计算）。膜数量根据产水量计算所得，保证超滤装置的正常运行、合理的反洗间隔和化学清洗周期，能实现全自动运行；
（3）超滤装置选用立式外压中空纤维超滤膜，膜材质采用亲水性的CA（醋酸纤维素）、PAN（聚丙烯腈）或PES（聚醚砜）等，膜孔径不大于0.1um，截留分子量为100000～150000道尔顿。
（4）采用抗化学药剂性能好的超滤膜产品，超滤膜能承受相当于pH=1-14的药液进行化学清洗，抗次氯酸钠浓度要求不低于5000ppm；
（5）当进水温度、超滤装置进出口差压等因素变化时，可通过改变超滤升压泵的频率自动调节超滤装置产水流量，保证产水流量稳定；
（6）根据超滤装置进、出口差压或累积时间对超滤装置进行反洗或化学清洗，其反洗或化学清洗可在线进行，可根据程序自动进行；
（7）超滤装置采用单元型式成套结构；超滤装置每根膜壳的产品水管上安装一段透明管，以便能有效地观测、诊断并确定系统的运行状况；
（8）每套超滤装置的产品水、浓水管设集中取样点，取样点的数量及位置能有效地诊断并确定系统的运行状况。
1.2.2 超滤反洗装置
（1）超滤反洗水泵采用卧式离心泵，机械密封，过流部分材质为SS316L或以上，反洗水泵为1用1备；
（2）反洗水泵采用变频控制，能满足不同工况下反洗流量及压力的要求；
（3）反洗管道上应装有保安过滤器，壳体材质为SS316L，内装进口优质大流量折叠式滤芯，滤芯过滤材质为PP，过滤精度为100～150μm；进出口设置压差变送器，过滤器底部设排水阀，以及顶部设排气阀等。
（4）在反洗母管上设压力开关，反洗压力过高时能自动停用反洗水泵。
1.2.3 超滤加药装置
（1）超滤加药种类包括次氯酸钠/碱和酸等（根据原水水质情况和所选取的膜厂家元件计算，最终确定具体的加药种类）；
（2）加药装置采用单元型式成套供货。具有预防次氯酸钠、碱和酸的腐蚀；
（3）各类药品溶液箱的容积需满足至少三天的药品用量；
（4）每台隔膜计量泵进口设Y型过滤器滤网，出口需装设稳压器、安全阀、止回阀，稳压器上需带压力表。药品注入点需设有管式混合器，并需设隔离阀。加药计量泵流量调节范围为0～100%，精度±1%，可在就地手动调节，还能在远方自动控制调节加药量（变频调节）。
1.2.4 超滤化学清洗装置
（1）单独设置一套化学清洗装置，能满足超滤装置在各种工况下的清洗要求；
（2）清洗溶液箱容积应满足所清洗系统的水容积要求，并有足够的裕量，保证清洗过程中清洗液不会外溢；清洗装置上还应设有外壳SS316L材质的电加热器及就地温度计，电加热器的功率应能在2h内将清洗液温度由15℃加热到35℃；
2 超滤膜污染的形成机理
在超滤分离过程中，实际同时存在三种情况：
（1）水溶质在膜表面及微孔孔壁上产生吸附；
（2）水溶质的粒径大小与膜孔相仿，溶质在孔中停留，引起堵塞；
（3）水溶质的粒径大于膜孔，而被膜表面截留，引起孔壁阻塞。
目前，关于膜污染机理的说法不一，但通常认为膜污染主要由浓差极化、凝胶层的形成和压缩、吸附、孔堵4种原因引起。其中，可以肯定处理物料中粒子与膜材料的相互作用是影响膜污染最主要的因素。而浓差极化的形成与操作策略及膜组件、膜系统的结构设计密切相关。
浓差极化和膜污染是密切相关的，在超滤运行开始后，由于浓差极化的产生，膜表面的溶质浓度不断增高，当膜面溶质浓度达到或超过溶质饱和溶解度时，便有溶质析出，当溶质为难溶的无机盐时，使结晶析出形成污垢，当溶质是大分子聚合物或蛋白质时，便形成凝胶层，引起膜透通量急剧下降，此种情况下运行的膜必须马上清洗，以恢复其性能，可见，膜污染的控制与清洗方法是水处理系统管理维护的重要技术。
3 超滤膜污染的防控措施及清洗方法
任何膜分离技术在应用中，纵使选择了较合适的膜和运行方法，膜的污染问题也必定发生，就必须采取一定方法以去除膜面或膜孔内的污染物，达到恢复产水量，延长膜寿命的目的。本文以电厂常用的中空纤维超滤组件为列，展开分析。如提高进入超滤的水质，选择合适的膜组件，优化操作条件，从而有效防控膜污染。
3.1 超滤膜污染的防控措施
3.1.1 选择合适的膜组件
根据电厂产水特点，多选择结构紧凑的中空纤维超滤膜组件，其具有单位体积内膜的填装密度高，比表面积大，料液流动状态好，浓差极化倾向易于控制，能耗较低，投资费用相对较低的特点。中空纤维膜有单皮层和双皮层两种，目前单皮层好于双皮层中空纤维膜，单皮层空纤维膜外表面孔径比内表面孔径大几个数量级，透过内表面孔的大分子不会被外表面孔截留，因而抗污染能力强。
3.1.2 提高原水品质
原水在进入超滤前应进行足够时间的混合、絮凝、沉淀等预处理，以提高原水品质，减少污染物进入超滤膜。在采用超滤用水的试验中，还发现在超滤前使用混凝可以提高渗透通量和延缓膜通量降低；在使用高锰酸盐和氯预处理对控制藻类污染的研究中发现，联合使用高锰酸盐和氯可以减少超滤膜污染的速率。
3.1.3 优化操作条件
在膜运行过程中采取一定的操作策略，如在中空纤维超滤膜制水中采用连续切向空气流，在膜表面产生气/液两相流，可产生高剪切力和流体不稳定性，以阻止颗粒物在膜表面上沉积，即使在很低气速下超滤通量也明显提高空气喷射使滤胶层膨松。而使通量增加，极限气速下通量可增加150%，对氟聚物膜表面做垂直作用电场试验时，发现膜通量大大提高，在高pH值下，通量甚至超过纯水，随着场强的增加透过量也增加；此外，利用超声波照射膜组件可提高膜的透过性能。
3.2 膜污染的清洗方法
膜污染的清洗方法包括物理清洗法和化学清洗法。物理清洗方法中最为常用的是水力冲洗法，化学清洗法是指加入了药物辅助清洗的方法，包括加杀菌剂等。在选择清洗方法前，要弄清楚污染物的性质，采取有效的清洗方法。通常系统会设置合理的清洗方法，多用物理法冲洗，只有在物理法冲洗达不到理想效果时，才用化学清洗法。当正常出力下，产水量减少，还会选择人工干扰清洗。
3.2.1 物理清洗
物理清洗方法中最常用的是水力冲洗法，包括反冲和正冲，清洗介质为水和气。水力冲洗一般是用超滤水箱中的水对膜进行短时间的反洗。实践证明反冲洗法能把膜表面被微粒堵塞的微孔冲开，并能有效地破坏凝胶层的结构，对恢复膜的透水量比等压冲洗法有效。超声波清洗工艺也是物理清洗法的一种，其采用降解、水洗和超声波降解下水洗三种不同的清洗方法，是一种有效的新方法。
3.2.2 化学清洗
化学清洗需根据污染物、污染类型和程度以及膜本身的特性选择有效、低廉、无毒副作用的清洗液配方，按标准量配比。当使用超出说明书的化学清洗剂是，一定要征求品牌商家的意见，以防产生毒副作用。化学清洗可采用NaOH、NaOCI和柠檬酸作为清洗剂，其中采用酸性清洗剂对去除Ca、Mg、Fe等的金属离子及其无机盐胶层、氢氧化物较为有效。NaOH的碱性水溶液则对去除蛋白质、油脂的污染有良好的效果；NaOH和NaOCI的混合液比单独使用有效。氧化物的清洗剂、叠氮酸钠等对去除有机物质的污染有显著效果。当自动清洗不明显时，还可以设置人工干扰清洗：
（1）用清水反冲洗整个超滤系统。根据超滤厂商提供的水温要求采用能承受的最高温度；
（2）选用合适的清洗剂，在超滤加药装置中按配比浓度要求配比清洗水溶液，对整个系统进行反冲洗；
（3）用清水反冲洗，去除清洗液；
（4）完整性测试，即校核膜的透膜压差，如未达到预期要求，可重复第二、第三步骤的清洗过程。
4 结束语
超滤装置在水处理系统中具有特殊的优越性，得到日益广泛的应用，但如果管理不善，好技術不落实或落实不到位，那将直接影响整个锅炉补给水处理系统的正常运行，并直接影响到电厂的安全生产，所以只有用好技术，做好管理，及时发现运行参数的变化并调整设备运行工况，就可以避免出现严重的问题，才能确保水处理系统长期稳定地运行。
【参考文献】
[1]P.希利斯.膜技术在水和废水处理中的应用[M]北京：化学工业出版社，2003.9，107-128.
[2]李书国.超滤膜的污染原因及清洗方法[J].工艺技术1999.2，28-30；
[3]王鼎臣.水处理技术及工程实例[M].北京：化学工业出版社，2007.10，112-123；
[4]周正立.反渗透水处理应用技术及膜水处理剂[M].北京：化学工业出版社，2005.6.