反渗透和纳滤系统的清洗

反渗透和纳滤系统的清洗1膜污染简介反渗透系统运行时，进水中含有的悬浮物质，溶解物质以及微生物繁殖等原因都会造成膜元件污染。反渗透系统的预处理应尽可能的除去这些污染物质，尽量降低膜元件污染的可能性。污染物的种类、发生原因及处理方法请参见表1。通常，造成膜污染的原因主要有以下几种：1)新装置管道中含有油类物质和焊接管道时的残留物，以及灰尘且在装膜前未清洗干净；2)预处理装置设计不合理；3)添加化学药品的量发生错误或设备发生故障；4)人为操作失误；5)停止运行时未作低压冲洗或冲洗条件控制得不正确；6)给水水源或水质发生变化。表1反渗透膜污染的种类、原因及处理方法污染物种类原因对应方法堆积物胶体和悬浮粒子等膜面上的堆积提高预处理的精度或采用UF/MF结垢由于回收率过高导致无机盐析出调整回收率，加阻垢剂生物污染微生物吸附以及繁殖定期杀菌处理有机物的吸附荷电荷性/疏水性有机物和膜之间的相互作用膜种类的选择需正确污染物的累积情况可以通过日常数据记录中的操作压力、压差上升、脱盐率变化等参数得知。膜元件受到污染时，往往通过清洗来恢复膜元件的性能。清洗的方式一般有两种，物理清洗（冲洗）和化学清洗（药品清洗）。物理清洗（冲洗）是不改变污染物的性质，用力量使污染物排除膜元件，恢复膜元件的性能。化学清洗是使用相应的化学药剂，改变污染物的组成或属性，恢复膜元件的性能。吸附性低的粒子状污染物，可以通过冲洗（物理清洗）的方式达到一定的效果，像生物污染这种对膜的吸附性强的污染物使用冲洗的方法很难达到预期效果。用冲洗的方法很难除去的污染应采用化学清洗。为了提高化学清洗的效果，清洗前，有必要通过对污染状况进行分析，确定污染的种类。在了解了污染物种类时，选择合适的清洗药剂就可以适当的恢复膜元件的性能。2物理清洗（冲洗）2.1冲洗的作用冲洗是采用低压大流量的进水冲洗膜元件，冲洗掉附着在膜表面的污染物或堆积物。图1冲洗时膜面的状态示意图2.2冲洗的要点2.2.1冲洗的流速装置运行时，颗粒污染物逐渐堆积在膜的表面。如果冲洗时的流速和制水时的流速相等或略低，则很难把污染物从膜元件中冲出来。因此，冲洗时要使用比正常运行时更高的流速。通常，单支压力容器内的冲洗流速为：1)8英寸膜元件：7.2–12m3/h；2)4英寸膜元件：1.8–2.5m3/h。2.2.2冲洗的压力正常高压运行时，污染物被压向膜表面造成污染。所以在冲洗时，如果采用同样的高压，污染物仍会被压在膜表面上，清洗的效果不会理想。因此在冲洗时，应尽可能的通过低压、高流速的方式，增加水平方向的剪切力，把污染物冲出膜元件。压力通常控制在0.3MPa以下。如果在0.3MPa以下，很难达到一定的流量时，应尽可能控制进水压力，以不出产水或少出产水为标准。一般进水压力不能大于0.4MPa。2.2.3冲洗的频率条件允许的情况下，建议经常对系统进行冲洗。增加冲洗的次数比进行一次化学清洗更有效果。一般冲洗的频率推荐以一天一次为好。根据具体的情况，用户可以自行控制冲洗的频率。表2冲洗的条件[1]膜尺寸流量，m3/h压力，MPa频度，次/日时间，分钟8英寸7.2–120.3110－154英寸1.8–2.50.3110－152.3冲洗的步骤①停止反渗透系统的运行。缓慢地降低操作压力并停止装置。如果快速停止装置，压力会急速下降，这可能会对管道、压力容器以及膜元件造成损坏。②调节阀门：-全开浓水阀门；-关闭进水阀门；-全开产水阀门（如果运行时产水阀门没有全开的情况）。如果错误地关闭产水阀门，压力容器中的后半部的膜元件可能发生产水背压，造成膜元件破损。③冲洗作业：-启动低压冲洗泵；-在缓慢打开进水泵的同时，查看浓缩水流量计的流量；-调节进水阀门，调节流量和压力达到标准值；-10–15分钟后慢慢地关闭进水阀门，停止进水泵。④恢复正常运行。按日常启动程序启动系统。2.4注意事项①进水水泵需要满足正常运行时的进水流量（进水流量=产水流量+浓缩水流量），同时必须考虑满足冲洗流量的要求。②浓缩水管路和阀门的选择也要考虑冲洗时的大流量。制水时，因为回收率高，浓缩水流量相对很小。冲洗作业时，要求低压高流量，几乎所有的进水都从浓水管路排除，所以设计浓水管路和阀门时不仅要考虑制水时的流量也要考虑符合冲洗时的流量需要。如果仅仅考虑制水时的流量来设计管路和阀门，则在冲洗时浓水管路以及浓水阀门处的压降升高，有可能达不到要求的流量或超过冲洗要求压力。当然，也可以考虑另外设置冲洗专用管路。③选定流量计时要考虑到可以读取冲洗时的最大流量。④对于多段反渗透系统，如图2所示，为了能够更有效的冲洗膜元件，系统的设计有必要按可以分段冲洗进行设计。-如果进行全段冲洗，前段的冲洗水和污染物会一起流入后一段中，容易造成后段的堵塞。-段数的增加同时也意味着冲洗水流经的膜元件数量增加。为了能够达到流量要求，需要加大进水压力。由可能会超过冲洗压力的允许值，导致膜表面的压力升高，降低冲洗的效果。-进行第一段冲洗时，全开第一段冲洗浓水排水管路的阀门，关闭第一段浓水和第二段进水间阀门、第二段和第三段的进水冲洗阀门。-进行第二段冲洗时，全开第二段冲洗浓水排水管路的阀门，关闭第一段，第三段的进水冲洗阀门，关闭第一段浓水和第二段进水间阀门，关闭第二段浓水和第三段进水间阀门。-进行第三段冲洗时，全开第三段冲洗浓水排水管路的阀门，关闭第一段，第三段的进水冲洗阀门，关闭第二段浓水和第三段进水间阀门。图2可分段冲洗系统3化学清洗3.1化学清洗的标准发生以下情况时，物理冲洗已经不能使反渗透膜的性能恢复，这时就需要进行化学清洗。①标准化条件下的产水量下降10–15%；②进水和浓水之间的系统压差升高到初始值的1.5倍；③产水水质下降10-15%。3.2化学清洗的频率当膜元件发生了轻度污染时，就应及时清洗膜元件。重度污染会因化学药剂不易深入渗透至污染层，且污染物也不易被冲出膜外等因素而影响清洗效果。如果膜元件的性能降低至正常值的30-50%，很难清洗恢复到膜系统初始性能。膜的清洗周期根据现场实际污染情况而定。正常的清洗周期是每3-12个月一次。如果在1个月内清洗一次以上，需要改善预处理例如追加投资或重新设计膜系统；如果清洗周期在1-3个月一次，应侧重于调整和优化现有系统的运行参数。即使系统长期没有发生污染，为了能够更好的保证系统正常运行，一般可考虑每6个月进行1次化学清洗。当预处理工艺中采用了无机絮凝剂，经常会有反应不完全的无机盐没有形成可过滤掉的絮凝体。用户应确保没有过量的絮凝剂进入到膜系统中。过量的絮凝剂能通过SDI测试装置测定出来，例如SDI膜片上的铁为3μg/片，任何时候不应超过5μg/片。除了采用浊度和SDI测定之外，颗粒计数器也可以精确衡量RO/NF进水是否合格。粒径大于2μm的颗粒物应100个/ml。3.3清洗药剂的选择不同污染物应采用不同的清洗药剂。污染发生时通常不是只有一种污染物，因此常规化学清洗需要包括高pH值清洗和低pH值清洗两大步骤。可以使用的常规化学清洗药剂请参见表4。选用哪个清洗剂进行化学清洗，可以按以下方法判断：-按反渗透进水水质判断；-进行全系统膜元件清洗之前，可以从系统中取出一、两支膜元件，通过进行清洗试验，选择最佳的清洗药品。一般来说，应先采用高pH清洗液清洗油类和微生物污染，然后采用低pH清洗液清洗无机垢类或金属氧化物污染。有时也先酸洗后碱洗，或者只采用一种药剂清洗，例如地下水源的铁污染，采用简单的低pH清洗即可。有时清洗液中加入洗涤剂以便去除微生物和有机污染物；有些加入螯合剂如EDTA，以便更好地去除胶体、有机物、微生物和硫酸盐垢。如果选择清洗剂不当，或清洗顺序不当，可能会使污染恶化。3.4污染物的种类及其影响污染物的种类以及发生污染时系统运行的变化列在表3中。表3污染的种类和系统显示现象故障类型可能发生的位置系统压降进水压力透盐率金属氧化物污染(如Fe、Mn、Cu、Ni、Zn等)首段，前端膜迅速增加迅速增加迅速增加胶体污染(有机和/或无机混合物)首段，前端膜逐渐增加逐渐增加轻微增加无机盐结垢(如Ca、Mg、Ba、Sr)末段，末端膜中度增加轻微增加明显增加聚合硅垢末段，末端膜正常到增加增加正常到增加生物污染任何位置/通常前端膜明显增加明显增加正常到增加有机物污染(溶解性天然有机物)所有段逐渐增加增加降低阻垢剂污染末段最严重正常到增加增加正常到增加膜氧化（如Cl2、O3、KMnO4）首段最严重正常到降低降低增加膜水解(超出pH使用范围)所有段正常到降低降低增加膜面磨损(活性炭粉等)首段最严重正常到降低降低增加O型圈泄漏(内连接管或适配器)无规则/通常进水端适配器正常到降低正常到降低增加膜元件泄漏（运行或备用时的产水背压）末段最严重正常到降低正常到降低增加膜元件泄漏（清洗或冲洗时产水阀关闭）靠近产水阀膜元件增加（有污染且压降高时）增加（有污染且压降高时）增加3.5美国海德能公司推荐的常规清洗液介绍①溶液1:2.0%（W）柠檬酸（C6H8O7）的低pH清洗液。对于去除无机盐垢（如碳酸钙垢、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶垢等），金属氧化物或氢氧化物（铁、锰、铜、镍、锌等），及无机胶体十分有效。市售柠檬酸为粉末固体。②溶液2:2.0（W）%STPP（三聚磷酸钠Na5P3O10）和0.8%（W）的Na-EDTA混合的高pH（pH值为10）洗液。它专用于去除硫酸钙垢和轻微至中等程度的天然有机污染物。STPP具有无机螯合剂和洗涤剂的功用。Na-EDTA是一个具有螯合性的有机螯合清洗剂，可有效去除二价和三价阳离子和金属离子。市售STPP和Na-EDTA均为粉末固体。③溶液3:2.0（W）%STPP（三聚磷酸钠Na5P3O10）和0.25%（W）的Na-DDBS[十二烷基苯磺酸钠，C6H5（CH2）12-SO3Na]混合的pH值为10的溶液。该清洗液用于去除重度的天然有机物（NOM）污染。STPP具有无机螯合剂和洗涤剂的功用，Na-DDBS则为阴离子洗涤剂。④溶液4:0.5%（W）盐酸低pH清洗液（pH为2.5），主要用于去除无机物垢（如碳酸钙垢、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶垢等），金属氧化物/氢氧化物（铁、锰、铜、镍、铝等），及无机胶体。这种清洗液比溶液1要强烈，盐酸是强酸溶液，配制时需遵守相关注意事项。⑤溶液5:1.0%（W）连二亚硫酸钠（Na2S2O4）低pH清洗液（pH=4-6）。它用于去除金属氧化物和氢氧化物，且可一定程度地去除硫酸钙、硫酸钡和硫酸锶垢。连二亚硫酸钠是强还原剂，本溶液有强烈气味需合适通风环境。连二亚硫酸钠为粉末固体。⑥溶液6:0.1%氢氧化钠和0.03%（W）SDS（十二烷基硫酸钠）高pH混合液（pH为11.5）。它用于去除天然有机污染物、无机/有机胶体混合污染物和微生物（菌素、藻类、霉菌、真菌）污染。SDS是会产生一些泡沫的阴离子表面活性剂型的洗涤剂。请注意采用此清洗液时不能超过表8.5中的最高pH值与温度极限。⑦溶液7:0.1%（W）氢氧化钠高pH清洗液（pH为11.5）。用于去除聚合硅垢，这是一种较为强烈的碱性洗液。请注意采用此清洗液时不能超过表5中的最高pH值与温度极限。配制药剂时请遵守相关药液的注意事项，做好必要的防护措施。表4污染物质和推荐的清洗溶液污染物常规化学清洗增强化学清洗碳酸钙垢14硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶垢24金属氧化物、金属氢氧化物15无机胶体污染14无机有机混合胶体污染26聚合硅垢无7生物污染2或36天然有机污染物2或36药品清洗时pH值的范围受到清洗液水温的限制。表5给出了在不同温度下清洗不同膜元件时的pH值的限定范围。超出这一范围可能会造成膜元件不可恢复的损坏。表5清洗液pH值和清洗水温的关系1膜型号清洗液pH值30℃35℃45℃ESNA1–K1、ESNA1-LF、ESNA1-LF22–122–11.53–10YQS-8040、LFC3-LDESPA1、ESPA4、SWC62–122–11.52–10ESPA2、ESPA2MAX2–122–11.52–10.8ESPAB、CPA3-LD、SWC4+、SWC4B、SWC5、SWC5-L