探究循环水排污水回用工艺中反渗透系统污堵存在的问题及应对策略

＊马春光

（大唐内蒙古多伦煤化工有限公司 内蒙古 027300）

随着全球工业化的快速推进，水资源短缺问题日益严重，有效利用和回收利用工业废水，减少对环境的影响，是当前面临的重大挑战。其中，反渗透技术作为一种高效的水处理技术，已被广泛应用于循环水排污水的回用工艺中。然而，反渗透膜的污染和堵塞问题对于反渗透系统的稳定性和效率带来了严重影响。本文旨在深入探究反渗透系统的污染和堵塞问题，并提出有效的应对策略，为优化循环水排污水回用工艺提供参考。

1.循环水排污水回用工艺概述

(1)工艺概述

循环水排污水回用工艺是一种利用先进的物理、化学和生物处理技术，将产生的废水经过适当的处理后再次利用的工艺流程。这种工艺主要通过预处理、次生处理和高级处理等步骤，去除废水中的悬浮物、微生物、有机物、重金属离子等污染物，使废水达到再次利用的标准。

(2)工艺的工作原理

循环水排污水回用工艺包括三个主要阶段：预处理、次生处理和高级处理。预处理通常包括沉淀、过滤等步骤，主要去除废水中的大颗粒悬浮物和一部分浑浊物。次生处理通常包括生物处理和化学处理等步骤，主要去除废水中的有机物和微生物。高级处理通常包括反渗透、纳滤、超滤等步骤，进一步去除废水中的溶解物质，包括无机离子、有机物和微生物，从而得到满足再利用标准的水。

2.反渗透系统在循环水排污水回用工艺中的角色

反渗透系统是循环水排污水回用工艺中的核心部分，一般用于高级处理阶段。反渗透技术通过利用高压将水分子从废水中推送过半透膜，从而将水分子与溶解在水中的污染物质（如无机盐、有机物和微生物等）分离。由于反渗透膜的孔径非常小（一般在0.0001μm左右），可以有效拦截废水中的所有污染物，包括细菌和病毒。因此，通过反渗透系统处理的废水，其水质可以达到直饮水或特定工业用水的标准，从而实现废水的高效回用。值得注意的是，虽然反渗透系统在去除废水中的污染物方面非常有效，但也容易出现膜污染问题，因此需要采取适当的预处理措施和清洗策略，以保证其持续稳定的运行效果。

3.反渗透系统的污堵问题

反渗透系统在长期运行过程中，由于废水中的各种污染物对反渗透膜的影响，往往会出现膜污染和污堵的问题，这不仅会影响系统的处理效率，还可能引发膜材料的破损和系统故障，针对如下问题进行剖析。

(1)反渗透膜的污染类型与原因分析

反渗透膜的污染主要包括有机污染、无机污染、生物污染和颗粒污染。

有机污染主要是由于废水中的有机物质，如蛋白质、多糖、油脂等，通过吸附或化学反应在膜表面形成有机胶体层，从而阻塞膜孔，降低膜的通水性能。

无机污染主要是由于废水中的无机离子，如硅、铁、锰、钙、镁等，通过结晶或化学反应在膜表面形成无机结垢，进一步影响膜的分离性能。

生物污染是由于废水中的微生物，如细菌、藻类等，通过附着生长在膜表面形成生物膜，导致膜的污染。

颗粒污染则是由于废水中的悬浮颗粒物、砂粒、泥土等物质在膜表面堆积，形成颗粒层，影响膜的通水性能。

(2)污堵现象对反渗透系统性能的影响

污堵现象对反渗透系统的性能影响主要体现在以下几个方面：

导致膜的通水量下降：污染物在膜表面或孔道内的积累会导致通水通道的阻塞，从而减少膜的通水量，降低系统的处理效率。

影响膜的分离性能：污染物在膜表面形成的胶体层或结垢层可能改变膜的表面性质，影响膜的分离性能，导致处理后的水质下降。

加大系统的运行压力：由于污染物的阻塞，系统需要增加操作压力以保持通水量，这会增大能耗，降低系统的经济性。

缩短膜的使用寿命：污堵现象可能引发膜的物理破损，例如，孔道堵塞、膜材料老化等，导致膜的使用寿命缩短，增大了更换膜的频率和成本。

(3)反渗透系统污堵现象的识别与评估

反渗透系统的污堵现象的识别与评估主要包括以下几个方面：

监测反渗透膜的通水量和排水量：通水量和排水量的变化可以直接反映膜的通水性能的变化，是判断膜是否发生污堵的重要依据。

监测系统的运行压力和能耗：系统运行压力的增大和能耗的增加，通常是膜污堵的表现。

观察膜表面的颜色和形态：膜表面的颜色变深、结垢或胶体层的形成都可能是膜污染的信号。

通过膜表面的化学分析和显微镜观察：通过观察，可以进一步确定污染物的类型和数量，以及污染物在膜表面的分布情况。

评估处理后的水质：处理后的水质是反渗透系统性能的直接反映，其变化可以反映膜分离性能的变化。

4.反渗透系统污堵问题的应对策略

(1)预处理策略：提高原水质量

预处理是防止反渗透膜污染的关键步骤，它主要通过改善原水的质量，减少污染物进入反渗透系统，从而降低膜的污染风险。

①原水源的选择和处理。在循环水排污水回用工艺中，原水源的选择对于防止反渗透膜污染具有重要影响。一般来说，应尽可能选择污染程度较低的水源，如表层水或处理后的二级排水，以减少污染物的含量。对于原水的处理，一般可以采用pH调整、软化、脱气等处理步骤，以改善水质。例如，通过调整pH值，可以防止某些离子形成沉淀或结垢。例如，当pH＜7.5时，大部分的二价铁离子Fe(II)会保持在溶液中，而当pH＞7.5时，Fe(II)将会被氧化为Fe(III)，形成沉淀，可能引发污堵问题。

②悬浮物和微粒去除策略。预处理阶段的一个重要任务是去除悬浮物和微粒。可以通过物理方法（如沉淀、过滤等）去除大颗粒悬浮物，同时通过化学方法（如絮凝、沉淀等）去除微粒。

在此过程中，一般会采用一种或多种絮凝剂（如聚合氯化铝PAC、聚合硫酸铁PFS等），并控制其投加量，使得微粒聚集成较大的颗粒，然后通过沉淀或过滤等方式去除。絮凝过程中的最佳投加量可以通过Jar测试确定。例如，当絮凝剂投加量达到一定值时，出水浊度将达到最低值。

③离子和有机物去除策略。对于废水中的无机离子和有机物质，可以通过软化、离子交换、活性炭吸附等方法进行去除[1]。软化一般是通过加入氢氧化钠（NaOH）或石碱（Na2CO3）与水中的硬度离子（如Ca2+、Mg2+等）反应，生成不溶性的沉淀，从而达到软化水质的目的。具体的软化反应可以用以下化学方程式表示。

对于有机物，可以通过加入活性炭进行吸附。活性炭有很大的比表面积，可以吸附水中的有机物质，降低有机物的浓度，减少其对反渗透膜的污染风险。同时，活性炭还可以吸附一些微生物和颜色，进一步改善水质。对于一些难以去除的离子（如硅离子等），可以通过离子交换等技术进行深度处理。例如，通过强酸型阳离子交换树脂，可以将水中的硅离子（Si4+）替换为氢离子（H+），从而实现离子的去除。

(2)清洗策略：防止和延缓污染的发生

①清洗策略的选择。物理清洗主要包括反洗和震动清洗。反洗是指将清洗液逆流通过反渗透膜，以洗去膜表面的污染物。震动清洗是指利用震动设备对反渗透膜进行清洗，以摇落膜表面的污染物。

化学清洗是使用各种化学药剂来去除膜表面的有机物、微生物和矿物质。根据清洗药剂的性质，可以分为酸性清洗、碱性清洗和氧化剂清洗。

生物清洗是指使用微生物来降解膜表面的有机污染物。这种清洗方法对环境友好，但效果可能受到许多因素的影响，如温度、pH值、微生物的种类和数量等。

②清洗剂的选择和使用。选择清洗剂时，需要考虑其对污染物的清洗效果、对膜材料的腐蚀性、对环境的影响及成本等因素。对于有机物和微生物污染，常用的清洗剂有氢氧化钠（NaOH）、次氯酸钠（NaClO）、过硫酸钠（Na2S2O8）等。这些清洗剂可以氧化和水解有机物，杀灭微生物，但可能对膜材料和环境有一定的影响。在使用清洗剂时，需要按照推荐的剂量和时间进行操作，以免对膜材料造成过度的腐蚀[2]。

(3)替换策略：评估和应用新型反渗透膜材料

随着材料科学和膜分离技术的发展，出现了许多新型的反渗透膜材料，这些新型材料往往具有更高的分离效率和更强的抗污染性能。因此，评估和应用这些新型材料，可以作为解决反渗透系统污堵问题的有效策略。

①新型反渗透膜的应用。新型的反渗透膜材料主要包括纳米复合膜、生物降解膜、超滤膜等。例如，纳米复合膜通过将纳米颗粒（如二氧化钛、氧化铁等）嵌入膜基体，以提高膜的抗污染性能和提升水分子的渗透速率[3]。

当应用新型反渗透膜时，需要考虑膜的制备成本、运行成本、稳定性和寿命等因素。例如，若膜制备成本过高，或者膜的稳定性和寿命不足，对此即使膜的分离效率和抗污染性能很高，也可能无法在实际应用中得到推广。

②新型反渗透膜效果评估。评估新型反渗透膜的效果，主要依赖于实验和模拟两种方法。实验方法通常包括膜性能测试和小型装置试验两部分。膜性能测试主要包括渗透流量测试、截留率测试、抗污染性能测试等。其中，渗透流量可以通过公式（3）计算。

式中，Q是渗透流量；A是膜的有效面积；ΔP是压力差；μ是水的黏度。截留率可以通过公式（4）计算。

式中，R是截留率；C0和Cf分别是原水和渗透水中的污染物浓度。

小型装置试验则是在与实际运行条件相似的环境下，对新型膜的性能进行综合评估。试验的结果可以提供新型膜在实际应用中的运行参数和预期性能。

模拟方法则主要依赖于数学模型和计算机模拟技术。通过建立膜分离过程的数学模型，可以预测新型膜在不同条件下的性能，并通过参数优化，寻找最佳的运行参数。

无论是实验方法还是模拟方法，都需要对结果进行严格的验证，以确保新型膜的性能符合预期，使其在实际应用中获得良好的效果[4]。

5.结束语

综上所述，本文详细分析了循环水排污水回用工艺中反渗透系统污堵的问题，并提出了有效的应对策略。包括优化原水质量、清洗策略、新型反渗透膜材料的替换和运行条件的优化等。这些策略提高了反渗透系统的运行效率和稳定性，同时也提升了循环水排污水回用工艺的效果。然而，值得注意的是，实际应用中应综合考虑多种因素，包括处理成本、设备寿命、处理效果等，选择最适合的策略。未来，随着新型膜材料和处理技术的研发，有望进一步优化反渗透系统的性能，实现更高效的水资源利用。