海水淡化反渗透膜化学清洗技术浅析

杨胜全

(广东惠州平海发电厂有限公司，广州惠州 516300)

反渗透膜分离技术作为一种新型的高效分离、浓缩、提纯及净化技术，近年来发展十分迅速，目前已广范应用于纯水制备、海水除盐等领域［1-3］。反渗透膜是反渗透系统中的关键元件。在实际应用过程中，由于进水中杂质的带入，膜元件会遭受不同程度的污染［4］，导致系统进、出口压差增大，产水量减少，脱盐率下降，影响反渗透系统的正常高效运行。因此，在发生上述现象后，需对反渗透膜组元件进行有效清洗，最大限度地恢复被污染膜的性能，使反渗透系统能持久、安全、稳定、经济地运行［5，6］。可以说，膜清洗工艺决定着海水淡化反渗透设备的运行效率，必须予以足够重视。本文首先讨论了海水淡化反渗透膜化学清洗的必要性，之后详细分析了反渗透膜清洗条件、清洗方案、清洗效果评价及注意事项等清洗工艺，最后介绍了惠州平海电厂的反渗透系统清洗过程，拟为沿海电厂反渗透设备的化学清洗提供借鉴参考。

1 反渗透膜分离技术

反渗透实际上是一种“逆渗透”过程，即在浓溶液一侧施加一个大于渗透压的压力时，溶剂将从浓溶液向稀溶液一侧流动［7］。反渗透装置就是利用这一原理，以高压泵将待处理水(如海水)增压，借助半透膜的选择性来去除水中盐类杂质，从而获得高质量的纯水。

广东惠州平海发电厂用反渗透海水淡化技术来制取全厂生产用水。淡化系统包括:海水预处理混凝澄清池、超滤系统、反渗透系统以及所有必需的辅助系统等，主要工艺流程如图1所示。

图1 海水淡化系统流程图Fig．1 Seawater Desalination System

为尽可能地减少膜表面杂质沉积、降低膜污染以及保护膜材质不被氧化，反渗透对进水有着严格的要求。主要控制指标如表1所示。

表1 水质控制标准Tab．1 Water Quality Control Standards

2 海水淡化反渗透膜清洗

为保证反渗透膜系统安全稳定运行，需在进水中加入一定浓度剂量的阻垢剂和还原剂药品，以缓解反渗透膜的结垢堵塞和氧化损坏［8］。尽管如此，随着运行周期加长及高含盐海水的冲刷，膜表面依然会逐渐堵塞、结垢，表现为膜端压差升高、产水流量下降、产水含盐量逐渐升高。水中杂质在反渗透组件中的沉积位置如图2所示［9］。

图2 反渗透膜中污染物分布Fig．2 Distribution of Pollutants in the Reverse Osmosis Membrane

2．1 清洗条件

在发生上述现象时，为了反渗透系统安全运行和恢复反渗透膜脱盐性能，需要对反渗透膜进行必要的化学清洗。

当反渗透系统(或装置)出现以下症状时，需要进行化学清洗或物理冲洗:

(1)在正常给水压力下，产水量较正常值下降10%～15%;

(2)为维持正常的产水量，经温度校正后的给水压力增加10%～15%;

(3)产水水质降低10% ～15%，透盐率增加10%～15%;

(4)系统各段之间压差明显增加。

2．2 物理冲洗

物理冲洗(清洗)是不改变污染物性质，以机械性的冲刷清除膜元件中的污染物，从而一定程度上恢复膜元件性能;即通过低压力、高流速的进水冲刷膜元件，将短时间内在膜表面附着的污染物清洗掉［10］，其作用机理如图3所示。

图3 膜物理冲洗示意图Fig．3 Schematic Diagram of Membrane Physical Flush

影响物理冲洗效果的因素主要有:

(1)冲洗流速

装置运行时，附着性强的颗粒状污染物逐渐堆积在膜表面。若冲洗流速与运行流速相等或更低，则很难把这些污染物从膜元件中冲洗出来。因此，冲洗时应使用比正常运行时更高的流速(一般可考虑为正常运行流速的1．2倍)。

(2)冲洗压力

反渗透装置运行时，压力直接垂直作用于膜面，使进水透过膜面得到产水，同时污染物也被压向膜面。所以在冲洗时，如果采用同样的高压，则污染物被积压在膜表面，冲洗的效果就会降低。因此，冲洗时尽可能地通过低压、高流速的方式，增加水平方向的剪断力把污染物冲出膜元件。冲洗压力一般建议控制在3．5 bar以下。如果在3．5 bar以下，很难达到流量要求时，应尽可能控制进水压力，以不出产水为标准。

(3)冲洗频率

条件允许的情况下，建议经常对系统进行物理冲洗。增加冲洗的次数比延长1次清洗的时间更为有效。一般冲洗频率为1天1次以上。

2．3 化学清洗

当膜运行较长时间后，污染物在反渗透膜表面大量沉积;此时，物理冲洗很难恢复膜性能，则需要采用化学清洗操作。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，使其排出膜元件，从而恢复膜元件的性能［6，11］。

2．3．1 药品的选择与使用

选择适宜的化学清洗药剂及合理的清洗方案涉及许多因素。首先要与设备制造商、反渗透膜元件厂商或反渗透特用化学药剂及服务人员取得联系。确定主要的污染物，选择合适的化学清洗药剂。特殊情况下可针对具体情况，从反渗透装置取出已发生污染的单支膜元件进行测试和清洗试验，以确定合适的化学药剂和清洗方案。

为达到最佳的清洗效果，可使用多种化学清洗药剂进行组合清洗。典型程序是先进行低pH清洗，去除矿物质污染物，然后再进行高pH清洗，去除有机物。有些情形下，是先进行高pH清洗，去除油类或有机污染物，再进行低pH清洗。有些清洗溶液中加入了洗涤剂以帮助去除生物和有机碎片垢物，同时可用其他药剂如EDTA(乙二氨四乙酸)等螯合剂来辅助去除胶体、有机物、微生物及硫酸盐垢［12］。需要慎重考虑的是，如果选择了不适当的化学清洗方法和药剂，反渗透膜的污染情况可能会更加恶化。

2．3．2 清洗用水的水质

清洗用水用于溶解酸和碱等药品，建议使用含盐量较低的反渗透系统的产水;如果没有反渗透系统产水时，所使用的水必须是不含硬度、游离氯及铁离子的离子交换水或蒸馏水。

2．3．3 化学清洗过程

结合同类电厂海水反渗透设备清洗经验，可将反渗透膜化学清洗过程归纳如下:

(1)用泵将干净、无游离氯的反渗透产品水(或相应水源)从清洗水箱打入压力容器中并排放几分钟;或用反渗透冲洗水泵对反渗透系统进行低压冲洗3～5 min。

(2)在反渗透清洗水箱中配制指定的清洗溶液。配制用水必须是去除硬度、不含过渡金属和余氯的反渗透产品水或去离子水，清洗液的温度和pH应调到所要求的值。

(3)将清洗液在压力容器中循环清洗一定时间(30～60 min)。在初始阶段，清洗液返回至反渗透清洗水箱之前，应将最初的回流液排放掉，以免系统内滞留的水稀释清洗溶液。在化学药剂与反渗透装置接触后，装置内的污染物在化学反应的作用下会被大量冲出，为了避免污染清洗液，这些清洗液也应该被排放掉，直至清洗液颜色转淡再进入循环清洗。

(4)停反渗透清洗水泵，让膜元件完全浸泡在清洗液中。为了维持浸泡温度，也可采用很低的循环流量。另外，也可根据需要交替采用循环清洗和浸泡程序。浸泡时间可根据制造商的建议选择1～8 h。在整个清洗过程中要谨慎地保持合适的温度和pH。

(5)清洗完成以后，排净清洗水箱并进行膜组系统冲洗，然后向清洗水箱中充满干净的产品水以备下一步冲洗;该过程需时5～15 min。

(6)在冲洗反渗透系统后，在产品水排放阀打开状态下运行反渗透系统，直到产品水清洁、无泡沫或无清洗剂;该过程通常需15～30 min。

2．4 清洗效果评估

反渗透系统清洗效果评价是以初期投运时参数为依据的。以清洗前后相同回收率、温度、进水pH及原水水质条件下的系统运行参数，作为清洗调试后的评价指标条件。

(1)反渗透膜通量(单位时间内单位膜面积上的流体量)的恢复，即相同的回收率、相同水温、相同进水pH值及原水水质条件时，清洗前后反渗透系统产水流量恢复情况。

(2)反渗透膜的污染阻力的减少，主要表征为反渗透系统运行时进水压力与浓水压力的差值(膜组运行压差)是否减小并恢复至系统清洗调试后的规定指标。

(3)反渗透脱盐率，主要表征为反渗透产水电导率是否降低并恢复至系统清洗调试后的规定指标。

3 平海电厂反渗透膜化学清洗技术改进

3．1 化学清洗优化建议

(1)为提高反渗透膜清洗质量，保证海水淡化反渗透系统的安全、稳定、经济运行，本厂首先通过对原水(海水)水质分析以及对反渗透保安过滤器截留杂质的检查分析，并与设备制造商、反渗透膜元件厂商、反渗透专业化学清洗厂家咨询协商，确定了专用的反渗透膜化学清洗非氧化性杀菌药剂;清洗方案选定为“酸洗循环→碱洗循环→专用非氧化性杀菌剂清洗循环→酸洗循环→清水冲洗”，最终可使得清洗周期延长、清洗质量大大提高。

(2)清洗时对循环时间及pH调节进行反复试验和严格控制。在清洗过程中，污染物会消耗清洗药品，pH会因此发生变化，同时药品的清洗效力会降低。因此，化学清洗时需随时监测pH的变化，及时调节pH。一般测定pH偏离设定0．5以上时，即再进行化学药品添加。在进行非氧化性杀菌剂清洗循环时通过加酸调节维持弱酸pH条件，以帮助去除严重的生物和有机碎片垢物。

(3)为达到最佳的清洗效果，控制清洗液温度在35℃左右，当污染物难以去除时，延长循环和浸泡时间会起到很好的作用。采用多种清洗液进行组合清洗会更为有效，因为污染物可能由各种不同类型的物质组成。这就需要采用不同的清洗液和/或延长清洗循环以增强清洗效果。

(4)在清洗循环过程中，清洗循环时间和清洗流量也必须控制，在每一个循环过程中，采用“循环5 min+浸泡30 min”的方式持续循环3～4 h，循环清洗液流量维持在450～520 m3/h，即单支膜的清洗进口流量为5．5 ～9．1 m3/h。

(5)物理清洗与化学清洗是系统清洗最常用的两种方法，而通过清洗恢复膜元件性能才是清洗的真正目的，因此在清洗过程中不应该将物理与化学手段硬性划分，而是应该将两种方法有机结合起来。在严重堵塞时，需要通过一些物理手段来强化化学清洗效果。

3．2 反渗透装置的日常维护保养

(1)反渗透装置短期停机(不超出三天)时，每天必须用干净、无游离氯的反渗透产品水冲洗反渗透系统30 min以上并使膜组内充满干净水。

(2)当由复合膜组成的反渗透系统拟暂停利用达一周以上时，系统应以1%的NaHSO3溶液持续浸泡，以避免细菌在膜面繁衍。

(3)正常运行期间做好反渗透前处理运行监督及调整工作，保证海水预处理出水指标合格，反渗透进水水质:SDI＜3;NTU ＜0．2。

(4)做好设备系统操作及设备养护工作，控制反渗透进口ORP＜450 mV，注意运行监视反渗透进口加药情况，保证反渗透进口阻垢剂、还原剂加药正常，加药量适当。

4 结果与讨论

反渗透膜的化学清洗是反渗透系统运行维护中的一个重要环节，其清洗效果直接影响反渗透膜的使用性能及使用寿命。正常的化学清洗周期为3～6个月一次，如果在一个月以内清洗一次以上，则需要对反渗透化学清洗方案进行进一步的优化和改善，同时也需要特别注意反渗透预处理的运行监督调整，如果没有做好预处理工作，膜系统的安全、稳定、经济运行也将难以实现。

［1］苑祥伟，于军亭，张克峰，等．青岛市海水利用的现状分析与对策措施［J］．净水技术，2011，30(6):1-4．

［2］彭冠宇，孙雯．反渗透海水淡化技术研究进展［J］．广州化工，2012，40(5):13-16．

［3］ Prihasto N，Liu Q F，Kim S H，Pre-treatment strategies for seawater desalination by reverse osmosis system［J］．Desalination，2009，249(1):308-316．

［4］Li M H，Optimal plant operation of brackish water reverse osmosis(BWRO)desalination［J］．Desalination，2012，293(2):61-68．

［5］王仁雷，何彩燕，王海平，等．火力发电厂反渗透水处理系统的化学清洗［J］．给水排水，2009，34(11):63-65．

［6］安娜，姬朝青，许振良．电厂反渗透系统膜污染防治与膜清洗的研究［J］．净水技术，2009，28(3):23-26．

［7］雷小佳．现代膜分离技术的研究进展［J］．广州化工，2012，40(8):51-52．

［8］许建学，杨宝红，姜琪，等．运河水用于反渗透进水的试验研究［J］．热力发电，2004，32(12):60-63．

［9］周柏青．全膜水处理技术［M］．北京:中国电力出版社，2006．

［10］郑文胜．珠江电厂反渗透膜压差高的原因分析及处理对策［J］．广东电力，2009，22(1):93-97．

［11］沈琳琳．反渗透膜的化学清洗［J］．河北电力技术，2010，29(2):34-36．

［12］曹占平，张景丽．反渗透膜有机物污染及微生物清洗的研究［J］．水处理技术，2008，34(2):60-66．