反渗透膜元件化学清洗

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  【摘 要】 水处理系统进水中存在各种形式可导致反渗透膜表面污染的物质,如水合金属氧化物、含钙沉淀物、有机物及生物等。污垢就是指覆盖在膜表面上的各种沉积物,包括水中的结垢物。
  膜元件污染的主要原因有:预处理系统不完善、预处理运行不正常、预处理投药系统失灵、系统停机后冲洗不及时或不充分、膜面长时间累积沉淀物、进水受生物污染等等。常见污染物有:碳酸盐垢、铁/锰、硫酸盐垢、硅、悬浮物/有机物、细菌等。
  膜表面的污垢将加速系统性能的下降,当反渗透系统:标准化产水量降低10%以上或进水和浓水之间的标准化压差上升了15%或标准化透盐率增加5%以上时,需对反渗透系统进行化学清洗。清洗过程中应监测清洗温度、PH值、运行压力以及清洗液颜色的变化。
  清洗反渗透系统需要专用清洗装置,清洗水箱、清洗水泵、清洗管道、清洗仪表等均需按相关要求进行设计。清洗时,参照:配制清洗液、低流量输入清洗液、循环、浸泡、高流量水泵循环、冲洗的清洗规范步骤进行清洗。
  根据不同的污染物,选择合适的药剂进行安全有效的清洗。针对特定的污染,只有采取相应的清洗方法,才能达到好的效果,若错误地选择清洗化学药品和方法,有时会使膜系统污染加剧。
  【关键词】 反渗透;膜污染;化学清洗;清洗药剂
  绪论:水处理系统进水中存在各种形式可导致反渗透膜表面污染的物质,如水合金属氧化物、含钙沉淀物、有机物及生物等。污垢就是指覆盖在膜表面上的各种沉积物,包括水中的结垢物。
  发生膜表面的污垢将加速系统性能的下降,如减少产水流量,降低脱盐率。污垢的另一个负面现象是进水和浓水间的压差增加。
  针对特定的污染,只有采取相应的清洗方法,才能达到好的效果,若错误地选择清洗化学药品和方法,有时会使膜系统污染加剧。
  一、膜污染的主要原因
  ◇ 预处理系统不完善
  ◇ 预处理运行不正常
  ◇ 系统选材不合适(泵和管线等)
  ◇ 预处理投药系统失灵
  ◇ 系统停机后冲洗不及时或不充分
  ◇ 操作控制不当
  ◇ 膜面长时间累积沉淀物(钡和硅垢等)
  ◇ 进水组份或其它条件改变
  ◇ 进水受生物污染
  二、常见的膜污染物
  1、碳酸盐垢
  在不少的反渗透系统中,给水中溶解的碳酸钙和碳酸镁可能超过溶度积,在这种情况下,如果防止其沉积的预处理方法不当,它们就会沉积下来。碳酸盐垢主要趋向于发生在反渗透系统后面的膜元件中,因为该处溶液浓度较高。
  2、铁/锰
  如果溶解金属被残余氯氧化,或由于与空气接触被氧化,则铁和锰的沉积物会污染膜元件表面。
  3、硫酸盐垢
  一些水源的硫酸盐浓度较高,其结垢倾向可通过水质分析预测。如果沉积发生,首先影响盐浓度最高的系统最后面的膜元件。
  4、硅
  硅在反渗透给水中以颗粒硅、胶硅或溶解硅形式存在。颗粒硅通过污堵膜元件水流通道,污染反渗透系统,导致系统压差增加。胶硅浓度高时,会在膜元件表面析出。溶解硅的溶解度与水中PH和温度有关,一旦其溶解度被超出,硅垢将慢慢析出。
  5、悬浮物/有机物
  如果水源是地表水,且反渗透系统发生标准渗透水流量下降,极有可能悬浮物/有机物污染。给水SDI大于4或浊度大于1时,表明给水悬浮物有较大的污染倾向。
  6、微生物
  如果反渗透系统给水不含杀菌剂,则细菌和其它类型微生物污染可能发生。细菌数超过100个/mL认为是过量的。
  7、铁细菌
  它们是由存活于铁、不锈钢管道及其附件内壁中的细菌组成。铁细菌能在酸性环境中溶解管道或附件中的铁。严重的铁细菌可以见到棕色的粘泥,会很快引起标准系统压差的增加。
  三、清洗条件
  在正常操作过程中,反渗透元件内的膜片会受到无机盐垢、微生物、胶体颗粒和不溶性的有机物质的污染。操作过程中这些污染物沉积在膜表面,导致标准化的产水流量和系统脱盐率分别下降或同时恶化。
  当下列情况出现时,需要清洗膜元件:
  ◇ 标准化产水量降低10%以上
  ◇ 进水和浓水之间的标准化压差上升了15%
  ◇ 标准化透盐率增加5%以上
  以上的标准(基准)比较条件取自系统经过最初48小时运行时的操作性能。
  日常操作时必须测量和记录每一段压力容器间的压差(ΔP),随着元件内进水通道被堵塞,ΔP将增加。需要注意的是,如果进水温度降低,元件产水量也会下降,这是正常现象并非膜的污染所致。预处理、压力控制失常或回收率的增加将会导致产水量的下降或透盐量的增加。当观察到系统出现问题时,此时元件可能并不需要清洗,但应该首先考虑这类原因。
  四、清洗要求
  在清洗膜元件时,有关的清洗系统应用水冲洗干净,以免污染膜元件,应认真检查有关阀门是否严密。清洗过程中应监测清洗温度、PH值、运行压力以及清洗液颜色的变化。
  膜元件污染严重时,清洗液在最初几分钟可排地沟,然后再循环,应认真检查有关阀门是否严密。对多段反渗透系统进行清洗时,原则上清洗应分段进行,清洗水流方向与运行方向相同。当污染比较轻微时,可以多段一起进行清洗。
  一般情况下,清洗每一段循环时间可为1.5h,污染严重时应延长时间,清洗完毕后,应用反渗透产水冲洗反渗透装置,时间不少于20分钟。当膜污染严重时,清洗第一段的溶液不要用来清洗第二段,应重新配制清洗液。为提高清洗效果,可以让清洗液浸泡膜元件,但时间不应超过24h。
  五、反渗透清洗系统的设计   1、典型清洗系统流程
  2、清洗水箱的设计
  清洗水箱可以是聚丙烯或玻璃钢(FRP),清洗水箱应设有可移动的盖子和温度表计,提高清洗温度有利于提高清洗效率。由于低温下清洗化学动力学极低,清洗液温度不应低于15℃(59°F),此外,某些化学品如月桂酸钠(十第烷基磺酸钠)在低温下可能发生沉淀,在某些地区,清洗系统中则需要安装冷却部件,因此设计清洗系统时应考虑加热和冷却要求。确定清洗箱大小的大致方法是将空的压力容器的体积与清洗液循环管路的体积之和,例如清洗10支含6芯的8英寸元件压力容器的系统,采用下列计算:
  因此,所需配制的清洗液体积约为550加仑(2.08m3),由于清洗箱完全装满可能产生溢流,一般应考虑20%的裕度,本例应选择公称体积为700加仑(2.5m3)的耐腐蚀水箱作清洗箱。
  根据膜元件及污染程度而定
  对于一般污染情况:每支4英寸膜元件需配制8.5升清洗液;
  每支8英寸膜元件需配制34升清洗液。
  对于严重污染情况:每支4英寸膜元件需配制16升清洗液;
  每支8英寸膜元件需配制55升清洗液。
  3.清洗泵的确定
  流量:每支8英寸压力容器6-9t/h;每支4英寸压力容器1.8-2.3t/h。
  压力:跨膜压差再加上管路和滤芯的压力损失来选择,通常选择45m左右。
  水泵的材质至少是316不锈钢或非金属聚酯复合材料。
  4.相关附件
  清洗系统中应设有必要的阀门、流量计、PH计和压力表等以控制清洗效果,联结管线既可以是硬管也可以是软管。
  六、清洗步骤
  1、清洗单段系统
  采取如下六个步骤清洗膜元件:
  (1)配制清洗液
  向清洗水箱中注入RO产品水,清洗液量要满足压力容器和管路体积的需要。向清洗水箱中加入计算好的药剂量,开启清洗泵,闭路循环充分搅拌混合药液。
  (2)低流量输入清洗液
  尽量放掉RO主机内的水,以免其稀释了药液。然后以尽可能低的清洗液压力置换元件内的原水,其压力仅需达到足以补充进水至浓水的压力损失即可,即压力必须低到不会产生明显的渗透产水。低压置换操作能够最大限度的减低污垢再次沉淀到膜表面。
  (3)循环
  当原水被置换掉后,浓水管路中就应该出现清洗液,让清洗液循环回清洗水箱并保证清洗液温度恒定。
  (4)浸泡
  停止清洗泵的运行,让膜元件完全浸泡在清洗液中。有时元件浸泡大约1小时就足够了,但对于顽固的污染物,需要延长浸泡时间,如浸泡10~15小时或浸泡过夜。为了维持浸泡过程的温度,可采用很低的循环流量。
  (5)高流量水泵循环
  高流量循环30~60分钟。高流量能冲洗掉被清洗液清洗下来的污染物。在高流量条件下,将会出现过高压降的问题,单元件最大允许的压降为1bar(15psi),对多元件压力容器最大允许压降为3.5bar(50psi),以先超出为限。
  (6)冲洗
  预处理的合格产水可以用于冲洗系统内的清洗液,除非存在腐蚀问题(例如,静止的海水将腐蚀不锈钢管道)。为了防止沉淀,最低冲洗温度为20oC。
  附注在酸洗过程中,应随时检查清洗液pH值变化,当在溶解无机盐类沉淀消耗掉酸时,如果pH的增加超过0.5个pH值单低,就应该向清洗箱内补充酸,酸性清洗液的总循环时间不应超过20分钟,超过这一时间后,清洗液可能会被清洗下来的无机盐所饱和,而污染物就会再次沉积在膜表面,此时应用合格预处理产水将膜系统及清洗系统内的第一遍清洗液排放掉,重新配置清洗液进行第第遍酸性清洗操作。如果系统必须停机24小时以上,则应将元件保存在1%(重量比)的亚硫酸氢钠水溶液中。在对大型系统清洗之前,建议从待清洗的系统内取出一支膜元件,进行单元件清洗效果试验评估。
  2、清洗多段系统
  在多段系统的冲洗和浸泡步骤中,可以对整个系统的所有段同时进行,但是对于高流量的循环必须分段进行,以保证循环流量对第一段不会太低而对最后一段不会太高,这可以通过一台泵每次分别清洗各段或针对每段流量要求设置不同的清洗泵来实现。
  七、清洗药剂选择
  酸性和碱性清洗剂是标准的清洗药品,酸性清洗剂用于清除包括铁污染在内的无机污染物,而碱性清洗剂用于清洗包括微生物在内的有机污染物。由于使用硫酸会引起硫酸钙沉淀的危险,不应选作清洗剂。最好采用膜系统的产水配制清洗液,当然在很多情况下也可以使用经过预处理的合格预处理出水来配制清洗液。原水可能缓冲容量很大,需要消耗更多的酸或碱才能达到规定的pH值,酸性清洗的pH约为2左右,碱性清洗的pH约为12左右。
  八、清洗安全注意事项
  1、使用任何清洗化学品时,必须遵循获得认可的安全操作规程。
  2、当准备清洗液时,应确保在进入元件循环之前,所有的清洗化学品得到很好的溶解和混合。
  3、在清洗化学药品与膜元件循环之后,应采用高品质的不含余氯等氧化剂的水对膜元件进行冲洗(最低温度>20℃),推荐用膜系统的产水,如果对管道没有腐蚀问题时,可用经脱氯的饮用水和经预处理的给水。在恢复到正常操作压力和流量前,必须注意开始要在低流量和压力下冲洗大量的清洗液。此外,在清洗过程中清洗液也会进入产水侧,因此,产水必须排放10分钟以上或直至系统正常启动运行后产水清澈为止。
  4.在清洗液循环期间,pH2~10时温度不应超过50℃,pH1~11时温度不应超过35℃,pH1~12时温度不应超过30℃。
  5.对于直径大于6英寸的元件,清洗液流动方向与正常运行方向必须相同,以防止元件产生“望远镜”现象,因为压力容器内的止推环仅安装在压力容器的浓水端。
  九、结论
  虽然反渗透系统的预处理工艺设计,已经最大可能地去除原水中带来的污染物质,但并不能全部去除,所以反渗透系统污染现象很普遍。幸运的是大多数污染物质通过定期的化学清洗可以被去除。只要预处理工作正常,不存在难以控制的原因,如原水水质改变或无法避免的微生物污染发生,清洗频率可以尽量低。有时候操作失误也会导致膜元件的污染,如回收率太高或加药系统不正常等。
  膜元件被污染产水量会下降,脱盐率会下降,进口与浓水之间的压力差会升高。膜元件清洗可以使用一些酸碱药剂或专用清洗药剂进行清洗。
  许多污染,特别是粘泥类,随时间累积量增加并被压缩且增厚,这样清洗起来就会非常困难。因此清洗周期尽量不要间隔太长。
  参考文献:
  [1][美]Zahid.Amjad《反渗透-膜技术水化学和工业应用》,化学工业出版社,1999年9月;
  [2]肖作善,《热力发电厂水处理》中国电力出版社,1996年;
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