超滤膜污堵原因分析及防治措施

马知敬，宋英豪，张占梅，刘秀娟

1.神华国能集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 831400

2.重庆远达水务有限公司，重庆 400060

3.重庆交通大学海河学院，重庆 400074

超滤是指在外界推动力(压力)作用下截留水中胶体颗粒和分子量相对较高的物质，而水、无机盐及小分子物质透过膜的分离过程。随着膜法水处理技术的不断进步，超滤在电厂锅炉补给水处理中应用越来越广泛［1-3］。

神华国能集团有限公司新疆米东热电厂采用亚临界循环流化床燃煤发电机组，装机容量为2 ×300 MW。该工程配套锅炉补给水系统为双介质过滤器→保安过滤器→超滤装置→精密过滤器→反渗透装置→离子交换系统。该系统8 组超滤装置采用科氏V1072 -35 -PMC 超滤膜，结构为内压式中空纤维膜组件，运行方式为单通错流过滤。

1 超滤装置运行情况

米东热电厂锅炉补给水系统水源采用当地污水处理厂中水。在以往运行期间，夏季水源全部使用中水，使用设计运行工况基本可达到运行要求。冬季，机组供热期热网补充淡水量增加，使得包括反渗透在内的预脱盐系统处理水量增大，运行期间超滤膜污堵现象严重，跨膜压差迅速达到设定值0.1 MPa，进水流量只能维持在约40 m3/h，这是因为膜污堵会引起过滤阻力不断增加，造成膜过滤通量严重衰减，产水不足，致使锅炉补给水系统运行困难，严重影响机组正常运行及供热安全［4］。因此根据实际生产情况，为满足系统安全、稳定、高效运行的要求，确定冬季该水源能否作为锅炉补给水源。

以冬季米东热电厂超滤设备的运行情况为研究对象，通过对城市中水水质特性分析及超滤加强反洗后的污堵物的能谱分析，判断并确定超滤膜污堵的原因，提出防治措施，以保障锅炉补给水系统采用城市中水运行时，超滤装置能够满足制水要求。

2 超滤膜污堵原因

2.1 城市中水水质

超滤膜的污染与进水水质有直接的关系［5-6］，超滤膜污染物因进水水质的不同而各异，但大致可分为胶体污染、有机物污染、微生物污染［7］，因此严格控制进水水质是超滤膜稳定运行的关键。米东热电厂锅炉补给水系统水源采用当地污水处理厂中水，污水厂的主体处理工艺为硝化生物滤池+反硝化生物滤池，进水通过污水提升泵提升进入硝化、反硝化生物滤池，经过沉淀池和UV 消毒池，出水进入清水池。中水水质见表1。

表1 中水水质及系统设计进水水质Table 1 The water quality of reclaimed water and designed influent quality of the system

通过锅炉补给水系统进水中水水质和设计水质对比(表1)，发现中水水质明显劣于设计水质，其中，CODCr、BOD5、氨氮3 个指标严重超标，悬浮物、浊度、硬度轻微超标。水质超标的主要原因:1)污水处理厂投入运行时间较短，设备运行没有达到最佳状态，出水水质不稳定;2)北方冬季气温较低，污水厂设备低温进水对CODCr、氨氮等的去除率大大降低，导致污水厂出水水质不理想。

通过水质对比，分析认为造成超滤膜污堵的主要原因:1)城市中水进入锅炉补给水系统，通过生水加热器使水温升高(稳定在(26 ±4)℃)，提供了适宜微生物生长的温度环境;2)超滤实际进水CODCr、BOD5、氨氮指标超标，加重污堵，同时为微生物的繁殖和生长提供了有利的营养条件，易造成微生物大量滋生，微生物被截留在超滤膜表面形成生物黏泥，造成二次污染。

2.2 超滤膜污堵物

2.2.1 物理性质

试验期间，取超滤装置加强反洗的清洗水样进行分析，发现水样中含有橙黄色透明絮状物，将水样在105 ℃下脱水分离得到固体污堵物粉末，污堵物粉末呈黄褐色，有臭味。水样及污堵物外观如图1 所示。

图1 超滤加强反洗水样及污堵物外观Fig.1 The appearance of the water sample and the fouling matter from the CEB

2.2.2 灼烧减重试验

取4 组超滤加强反洗水样脱水分离后的污堵物在马弗炉中升温至600 ℃，恒温6 ～8 h，对污堵物进行灼烧减重，污堵物中有机质比例见表2。由表2可见，有机质占总污堵物的39.29% ～41.73%，污堵物成分中有机质比例较高，初步判断造成膜污堵的主要原因为有机质污堵。

表2 超滤加强反洗污堵物灼烧减重结果Table 2 The results of loss on ignition about the fouling matter from the CEB

2.2.3 能谱分析

取超滤加强反洗污堵物进行能谱分析，结果见图2，各元素质量比见表3。

图2 超滤加强反洗污堵物能谱Fig.2 The energy spectrum diagram of the fouling matter

表3 超滤加强反洗污堵物中各元素所占质量比Table 3 Mass ratio of element in the fouling matter

由图2 和表3 可以看出，超滤加强反洗污堵物中主要成分为C、O 元素，约占70%，说明污堵物中有机物所占比例最高。来水中CODCr超标为主要原因之一，另外，水源中营养物质较为丰富，微生物被超滤膜截留，在营养丰富的环境下迅速繁殖，形成生物黏泥，同时与被截留下来的悬浮颗粒物、大分子聚合物等结合形成凝胶混合体，不断累积形成透水性较差的厚污堵层，甚至造成中空纤维内腔完全堵塞［8-9］。

污堵物中的次要成分为Ca、Fe 元素，表明污堵物中除有机物外，还含有小部分钙铁离子形成的胶体化合物。Ca 元素所占比例为12.36%，反映出中水水质硬度较高，推断污堵物为CaCO3，其成因为膜表面污染，大量膜孔被覆盖，使进水中的Ca2+和长时间相互作用，在膜表面污染层上结垢，形成了以CaCO3晶体为主的污染层。Fe 元素所占比例为6.59%，Fe 元素偏多是污堵物呈黄褐色的重要原因。铁是水中常见的物质，管道或水箱出现腐蚀是造成胶体铁形成的原因，水溶性Fe2+被氧化成不溶性Fe3+，以Fe3+化合物或Fe(OH)3胶体的形式存在，这些沉淀物会逐渐在超滤膜表面附着，堵塞产水通道［10］。

3 防治措施

3.1 运行工况调整

通过对水源水质和污堵物的分析，得出水源水质超标是超滤膜污堵的根本原因，水源水质不同，采用的运行工况也就不同，冬季污水厂受低温影响，出水水质劣于夏季。因此，有必要对锅炉补给水的运行工况进行调整，以改善冬季水质变差造成无法达到运行要求的情况。

作为精密过滤装置的超滤膜元件，在截留水中胶体、大分子有机物、微生物、悬浮颗粒以及金属氧化物后，滤膜会受到污染。为保证膜产水量不变，膜过滤压力会不断增加，因此运行一段时间后需要从过滤相反方向对膜进行清洗(反洗)，使沉积在膜内表面的固体悬浮物被清洗排出，使膜的性能得以恢复［11］。虽然水反洗能够去除膜表面的污垢，但由于有机物、微生物及胶态物质黏附在膜表面，且各种污染物之间相互作用复杂，经过长时间运行，仅通过水反洗无法将这部分物质有效去除，单纯水力清洗产水量得不到有效恢复。因此，需要更有效的办法(如化学加强反洗)对沉积在膜表面的物质进行彻底清除［12-13］。

超滤运行中需要保证的关键指标是膜通量和膜过滤压力。膜污堵导致膜过滤压力升高的主要原因有以下2 点:1)水反洗和化学加强反洗强度达不到要求，如2 次反洗之间的时间间隔较长，反洗各阶段的时间较短;2)对加药泵的加药量及加药与否未能有效监督，碱或次氯酸钠的加药浓度过低，达不到加强清洗效果，导致附着在膜表面的微生物不能有效清除［14］。

在锅炉补给水系统夏季运行工况的基础上，增加超滤装置的反洗频率，水反洗频率由原来的每次60 min 调整为30 min，化学加强反洗周期由45 个调整为30 个，化学清洗时间调整为跨膜压差达到0.12 MPa，并加强对加药系统的监管［15］，具体调整方案见表4。

表4 超滤运行工况调整方案Table 4 The adjustment scheme of ultrafiltration’s operating conditions

3.2 超滤装置运行情况

调整运行工况后，电厂锅炉补给水系统使用中水连续运行9 d，期间对运行情况进行实时监控，记录超滤运行的流量和压力参数，分析其变化趋势，判断超滤装置的运行状况。

3.2.1 超滤装置运行流量变化

超滤装置进水流量变化如图3 所示。试验期间，进水流量波动明显，但总体趋势稳定，从开始运行阶段，进水流量达到65 m3/h 后，便稳定在40 ～55 m3/h 之间，满足运行要求。

图3 超滤进水流量变化Fig.3 Variation of ultrafiltration’s water inflow

3.2.2 超滤装置运行压力变化

超滤装置运行压力变化如图4 所示。试验期间，超滤装置运行进水压力稳定在0.11 ～0.16 MPa，跨膜压差基本维持在0.04 ～0.08 MPa，总体趋势平稳，没有达到调整后的化学清洗设定压差0.12 MPa，系统运行正常，未出现膜污堵现象，也没有出现膜污堵趋势。结果表明，通过调整运行工况，可以达到超滤装置的运行要求。

图4 超滤运行压力变化Fig.4 Variation of ultrafiltration’s operating pressure

4 结论

(1)水源水质超标是造成冬季超滤膜污堵的根本原因。在冬季水温较低的条件下，污水处理厂对CODCr、氨氮等指标的去除率降低，出水水质明显劣于电厂锅炉补给水系统设计水质，其中CODCr、BOD5、氨氮3 个指标严重超标，悬浮物、浊度、硬度有轻微超标。

(2)通过能谱分析证实造成超滤膜污堵的主要原因是有机物指标超标，以及系统运行中营养物超标导致微生物滋生造成的二次污染，次要原因是钙铁离子形成的胶体化合物引起的无机物污染。

(3)调整运行工况，将超滤装置水反洗频率由60 min 调整到30 min，化学加强反洗周期由45 个调整为30 个，化学清洗时间由压差达到0.1 MPa 调整为达到0.12 MPa。通过上述工况调整，可有效减缓超滤膜污堵现象，达到电厂运行要求。

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