反滲透設備在化學水處理系統的應用

前言

反滲透水處理技術引進我國已多年，以其維護量小的優勢，在電力系統化學水處理中得到廣泛應用。但反滲透設備也有其局限性，一方面優質的反滲透膜造價高，雖然經過多年激烈的市場競爭，優質膜的價格仍然維持在1萬元/噸水左右。另一方面，反滲透膜在正常運行三年后脫鹽率、回收率(也稱產水率)指標降低，運行經濟性差，更換新的膜元件費用高、動輒幾百萬元。

我廠反滲透水處理系統自2006年9月投入使用，至今已運行7年，脫鹽率、回收率無明顯下降。期間經歷了2006--2007年供熱期反滲透設備滿負荷運行(2號熱網加熱器漏泄，為保供熱不能停運檢修，主要靠制水設備滿負荷運行補充加熱器漏泄損失)。總結原因一是通過合理設計原水預處理系統保證了反滲透入口水質，二是日常管理中嚴格監督各項水質和藥劑指標保證了反滲透膜良好的運行環境。

1 反滲透系統概述

1.1 化學水處理系統簡介

我廠化學水處理流程：

工業水 → 曝氣器 → 疊加式錳砂除鐵過濾器 → 弱酸陽離子交換器 → 除碳器 → 軟化水箱 →生水加熱器 → 保安過濾器 → 反滲透 →混床 →  除鹽水箱 →鍋爐補水。

1.2 反滲透系統簡介

我廠反滲透膜元件采用美國陶氏公司的BW30-400低壓復合膜元件，一級兩段8：4排列，每套72根膜元件，共288根。主要性能考核指標見表一，反滲透膜元件的進水要求見表二。

2 反滲透膜污堵原因分析

2.1 反滲透膜特性及工作原理

反滲透膜是基于仿生學研究的一種半透膜。半透膜是廣泛存在于自然界動植物體器官內的一種能夠透過水的膜。嚴格地說，只能透過溶劑而不能透過溶質的膜稱為理想半透膜。工業上使用的半透膜多是高分子合成的聚合物產品。當把溶劑和溶液分別置于半透膜的兩側，溶劑將自發地穿過半透膜向溶液側流動，這種自然現象叫做滲透(Osmosis)。如果上述過程中溶劑是純水，溶質是鹽分，當用理想半透膜將它們分隔開時，純水側的水會自發地通過半透膜流入鹽水側，鹽水的液位上升，當上升到兩側出現一定壓力差后，水通過膜的凈流量為零，此時該過程達到平衡，與該液位高度差對應的壓力稱為滲透壓(Osmotic  Pressure)。當在半透膜的鹽水側人為施加一個大于滲透壓的壓力時，水的流向就會逆轉，鹽水中的水將流入純水側，這種現象叫做反滲透(Reverse  Osmosis，簡稱RO)。

2.2 反滲透膜污染原因分析

膜是反滲透過程的最核心的組件。滲透和反滲透作用都是基于半透膜的通透性，一旦半透膜發生污堵，膜兩側溶劑(即純水)的流動將逐漸減弱直至停止，此時膜的產水率、脫鹽率都會顯著降低，甚至快速報廢。

導致反滲透膜性能降低的幾種膜污染有:

(1)水中懸浮物、膠體顆粒等覆蓋和堵塞膜表面及膜內。

(2)水中微生物、細菌繁殖產生的菌團和粘膜對反滲透膜造成污堵和生物降解。

(3)水中的微溶鹽在膜表面結垢造成污堵。

(4)芳香聚酰胺膜的胺基受到氯等其它氧化性物質的破壞。

(5)溫度和PH的影響：醋酸纖維素膜的酯基團在高溫及強酸、強堿下水解。

3 反滲透設備管理的關鍵技術

反滲透膜的結構和材質決定了污堵是必然發生的過程，因此，即使在嚴格遵守膜制造廠給出的各項入口水質和藥劑控制指標的前提下，各知名膜制造廠都只保證三年內的性能指標。我廠使用美國陶氏公司生產的膜元件亦是如此：在嚴格遵守陶氏公司給出的各項RO入口水質和藥劑控制指標的前提下，只保證三年內的脫鹽率和產水率。因此，要延長膜的使用壽命，三年后仍維持較高的制水經濟性，工作重點就是研究如何延緩膜污堵的發生，使之長期保持良好的通透性。

3.1 合理設計原水預處理系統，保證RO入口水質

首先，合理的原水預處理系統設計是保證RO進水水質的基本技術條件。由表三工業水源的水質分析報告可見，懸浮物、膠體顆粒、微溶鹽等易導致膜污堵的各項指標均在正常范圍內，因此，原水預處理系統按照常規設計多介質過濾器，無曝氣和除鐵工藝。我們將水質分析報告結合實際經驗進行了深入分析，來水中鐵鋁氧化物雖然不高，但其中鐵離子占比較高、約占90%，Fe2+、Fe3+離子形成膠體基團，易引起RO膜的污堵，而且鐵鋁等膠體也對RO膜有不利影響，于是我們提出更改設計，建議改用曝氣+除鐵工藝，得到設計單位的認可，將原設計的預處理系統多介質過濾器修改為曝氣+除鐵過濾工藝。

曝氣+除鐵過濾工藝技術成熟、設備簡單、造價不高、運行費用低廉、維護簡便，可以保證以低廉的成本提高RO系統的使用壽命，從而降低整體制水成本。此外，在預處理階段曝氣+除鐵工藝也利于延長RO后續混床除鹽系統陰離子交換樹脂的使用壽命(高鐵離子引起陰離子交換樹脂不可逆的污染)。

表三 水質全分析報告單

3.2 嚴格規范日常監督指標管理

有了科學合理的預處理系統設計做技術保障，RO各項入口水指標是否能夠幾年如一日地嚴格達到設計值，規范的日常管理手段必不可少。

一方面我們通過對水處理值班員投產前培訓和投產后定期培訓不斷提升員工的理論水平和職業素養，增加責任心。

另一方面管理人員對未實現在線儀表實時監測的SDI和鐵離子等指標隨時取樣抽查復檢，以督促值班員關注這些指標，通過管理手段強化反滲透進水水質控制。

經過幾年的管理實踐，我們培養了一支技術素質過硬、責任心強的人員隊伍。

3.3 藥劑質量控制

為防止污堵和結垢，RO膜對來水水質和藥劑品質都有一定的要求，劣質的藥劑本身就會對RO膜造成污染，電廠通常對RO系統使用的各種藥劑不具備檢測能力。我廠目前使用的工業水源，RO不需要加氧化劑和還原劑、只使用阻垢劑。

目前國內阻垢劑市場魚龍混雜，在經濟利益的驅動下，一些技術能力較差的小公司甚至村鎮企業都號稱生產阻垢劑，選擇質優價廉的阻垢劑也是延長RO膜使用壽命、降低制水成本的關鍵環節。

在調試期間，我們明確由RO設備廠家提供阻垢劑以便規范嚴格地考核RO設備的性能，避免因阻垢劑問題給RO設備性能考核帶來說不清的糾紛。經調試所組織性能考核試驗，RO設備各項指標均達到性能試驗要求。經測算，調試期間反滲透制水成本中阻垢劑成本約為0.9元/噸水。

投產后，我們使用了美國某化學公司的阻垢劑，該公司的阻垢劑為美國生產、上海分裝。該公司中國上海公司將我廠水樣送至其亞洲中心實驗室檢測，確定配方及加藥濃度，經測算，使用該公司阻垢劑后，在制水成本中阻垢劑成本由0.9元/噸水降至0.2元/噸水。

3.4 長期制水經濟性控制

脫鹽率和產水率是考核RO設備運行經濟性的最主要指標。在保證脫鹽率的前提下制水回收率的高低，是衡量RO運行經濟性的綜合標準。表四和表五是我廠RO設備運行五年和七年后的脫鹽率和產水率數據，  2011年9月21日--30日十天脫鹽率為96.38-98.34%，產水率為72.3-77.45%，2013年9月21日--30日十天脫鹽率為96.27-98.42%，產水率為72.0-77.89%，扣除表計波動誤差，可見，RO設備運行七年后脫鹽率和產水率無明顯降低。

表四

表五

表六

4 結論

由于工業水預處理系統設計合理、日常監督管理嚴格，我廠RO設備自2006年9月正式投入運行，至今已運行十一年，脫鹽率和產水率無明顯降低，仍然保持較高的制水經濟性。

作者簡介

俞冰，環境工程專業工程碩士，高級工程師，從事電廠環保、化學專業20余年。