海水淡化工藝中超濾膜污染與清洗
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引言
淡水資源短缺一直制約社會經濟的發展，在一些沿海城市問題更為突出，隨著科學技術的發展沿海城市可以通過海水淡化技術解決淡水資源短缺的問題[1-3]。超濾膜和反滲透膜相結合的雙膜法，是海水淡化中應用最為廣泛的生產工藝[3-5]。由于超濾膜處理前端原海水，易造成膜污染。超濾膜組運行原理是一種膜分離過程，超濾膜在外界壓力作用下截留水中膠體、顆粒和分子量相對較高的物質，而水和分子量小的溶質透過膜，達到物質分離過濾的目的[6-7]。在運行過程中，膠體、溶解度較低的無機鹽、溶解性有機物等物質會吸附沉積在膜表面，造成膜組的外部堵塞，從而增大運行過程中的阻力，如果污染物沉積在膜絲的內部，將降低膜組的產水能力[8-9]。在膜法海水淡化生產中，對超濾膜進行有效的清洗維護，可有效延長膜組的使用壽命，提高產生率和產水水質[10-13]。超濾膜的清洗主要有反沖洗，酸堿加藥洗，主要去除膜表面的無機鹽，有機物，膠體等污染物[14-15]。北方某沿海城市使用雙膜法海水淡化工藝，日產10萬噸淡水，整體系統回收率為45%，超濾系統采用內壓式超濾膜元件。本研究使用海水淡化廠的超濾膜組件，進行生產性試驗，探究超濾膜組的清洗方案，優化膜法海水淡化工藝中的運營維護，為超濾膜的清洗提供有效的解決方案。
1試驗部分
1.1海水水質
原海水取自膠州灣，先由膠州灣到海水湖,再由取水泵打至工廠。
1.2超濾膜運行狀況
目前超濾系統已經運行5年，出現性能下降嚴重的問題，超濾膜組運行前后參數對比如圖1所示，滲透率由最初500降至200lmh/bar左右，進水壓力和壓差都提升許多，并且在進行酸堿洗后，性能恢復較差，系統運行狀況不容樂觀，需尋找一種更加適合的清洗方法，從而保證系統長期的運行穩定和供水品質。
1.3膜組污染狀況分析
由于湖底淤泥較多，當海水湖液位稍低時，淤泥很容易被吸入取水管道，進入超濾膜組。由于淤泥中鐵（0.2~0.3mg/l）等污染物的含量較高，增大了清洗難度。超濾膜運行方式為，海水由膜組上端進入膜組，產品水也由膜組上端出水的死端過濾，為分析超濾膜的污染狀況，對超濾膜進行解剖分析。超濾膜解剖如圖2，可以看出膜絲外表面（膜組件）附著大量污染物，已發生結垢現象，膜束外包的導流網較為干凈，但每一束膜絲的中心部分污染物附著相當嚴重。本膜組為內壓式進水方式，為了解膜絲內部污染狀況，對單根膜絲進行縱向解剖。如圖2（b）所示，膜絲內表面同樣附著大量污染物，多為紅褐色附著物，但沒有明顯堵塞中空膜芯。由于膜組性能下降，產水量下降，在生產維護中，對膜組進行了反洗和酸堿洗作業，膜組滲透率能夠恢復到400lmh/bar，但膜組的性能下降速度較快，運行12h滲透率便下降到200lmh/bar，原因可能是原海水中的鐵和硅酸鹽等無機物以及微生物對超濾膜造成了堵塞，使用酸或堿未能有效去除污染物。
1.4膜組清洗方案
1.4.1膜清洗藥品選擇
由于目前超濾系統無法長期穩定運行，膜性能下降迅速，酸堿清洗不理想，為了尋找更加合適的藥洗方案，使用不同的藥劑進行了膜絲的浸泡實驗。取同一部位的膜絲，分別取500ml藥劑溶液，將膜絲按質量等分加入藥劑溶液中進行藥物浸泡實驗。相同浸泡時間，不同藥劑對膜絲的浸泡效果如圖3所示。5min浸泡實驗發現，將膜絲加入至質量分數為10%的草酸溶液中，原澄清的溶液迅速變渾濁，膜絲經浸泡后迅速變白。5min時其他藥物的浸泡實驗無明顯變化，說明草酸溶液對膜表面的污染物有最好的去除效果。膜絲的產水通量反映了膜絲性能，在膜組的同一部位選擇污染相近的膜絲，經10%草酸浸泡清洗之后，測試其產水通量。圖4反映了膜絲在清洗前后的產水通量，經清洗后各膜絲的產水通量都有明顯的提高。
2膜組清洗分析
2.1膜組清洗
膜絲藥品浸泡實驗結果和產水通量測試分析表明，草酸對污染物的去除有最佳的效果，因此選擇草酸進行膜組藥洗。先用堿和次氯酸鈉，對膜組循環浸泡2小時，用清水沖洗膜組然后加草酸，EDTA和維C，對膜組循環2小時，然后浸泡2小時，最后用清水沖洗。
2.2膜組清洗分析
2.2.1膜清洗前后表面污染物掃描電鏡分析
為更細致了解草酸對污染物的去除情況，對清洗前后膜表面進行了掃描電鏡分析。如圖5所示，被污染的超濾膜在其表面可以明顯觀察到塊狀的污染物（圖5a），經過草酸的清洗后膜表面的污染物被去除（圖5b）。
2.2.2實際生產中膜CIP-草酸清洗效果
經實驗確定草酸對膜組有最好的清洗效果，在實際的生產中，使用草酸對膜組進行藥洗，選取三組膜組測試分析膜組在清洗前后工作時間內的滲透壓變化。由圖6可以看出，在經過草酸清洗后，膜組的滲透率可達到400lmh/bar以上，接近新膜組的運行參數，隨著超濾膜不斷過濾原海水，滲透率不斷下降，在運行13日膜組需再次進行藥洗。結語通過浸泡實驗和在實際生產中的運行清洗，草酸對超濾膜污染物有最佳的去除效果，經過清洗后，滲透率得到了很好的恢復，相應的產水量也得到保證。所以，可以確定此次草酸的化學清洗效果比以往的化學清洗更為徹底，對膜系統的性能恢復更為有效。在新膜組的運行中，使用草酸進行化學清洗維護，可以大大延長膜組的使用壽命，對今后膜法海水淡化工藝的發展提供了非常重要的生產實踐。
作者:劉長青 楊興濤 李珂 潘光建 單位:青島百發海水淡化有限公司
