浅析水处理系统膜清洗工艺设备运行优化

肖仲华，黄超，叶志敏,3，赵雪媛，张彪，王松林

（1.湖北省工业建筑集团公司；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074；3.深圳同创环保科技有限公司，广东 深圳 518051）

1 水处理膜应用现状

超滤膜技术作为城市给水、生活污水和工业废水处理的新型工艺技术，由于其出水水质良好、工艺系统简单、提标改造方案灵活，能有效去除水中的胶体颗粒、色度、有机物、微生物、细菌和病毒，特别是近年来膜制备工艺进步、膜材料和膜组件价格降低、建设费用投资和维护成本下降，已经逐步在水处理行业得到广泛应用，是水处理领域近40年来的重要技术进步。

在城市自来水系统中，“以浸没式超滤膜为核心的短流程净水工艺”弱化了常规工艺的沉淀功能，通过超滤完成固液分离，通过膜的清洗、回收、排泥，达到系统内的固液平衡，特别是平衡消毒效果和消毒副产物的形成，逐步在国内外得到推广应用。在对城市污水处理厂和工业废水处理常规物化生化处理后，超滤膜技术用于二级出水的深度处理，能够获得良好的中水水质，或者作为补水回用于循环冷却补水系统，得到了良好的应用效果。

但是，在膜过滤过程中污染物质会附着在膜表面或者堵塞膜孔形成膜污染，造成膜通量下降、过滤效率降低和处理成本升高等问题。目前，膜污染是制约膜技术在水处理领域大规模应用的关键因素，膜组件清洗系统成为超滤膜水处理系统中必不可少的工艺组成。

本文以工程经验为基础，在国内外相关规范的基础上，梳理膜组件清洗的关键技术和方法，提出运行优化的操作条件和方法，为工程设计和运行维护提供参考。

2 常见膜污染控制手段

目前，对膜污染控制的研究主要集中在膜材料改性、膜前预处理和运行条件优化及控制三个方面。膜材料改性主要是通过表面涂覆法和相转化法等途径将碳纳米管、纳米银等材料负载在膜材料上，提升膜的亲水性、抗污染性和抗菌性能等。膜前预处理主要是通过改变进水污染物质的浓度和性质来降低膜污染，目前常见的预处理工艺有混凝、吸附、氧化和组合预处理等。混凝预处理能够在一定程度上缓解膜污染，但是混凝投加量随原水波动较大，残余混凝剂可能会加重膜污染。吸附预处理对水中胶体有机物的去除效果有限，无法缓解胶体颗粒导致的膜污染。氧化预处理虽然对后续超滤工艺的膜污染有明显的控制效果，但是氧化剂的投加不可避免会产生二次污染的问题，例如，臭氧预处理会生成具有致癌性与致突变性的溴酸盐副产物，高锰酸盐预氧化可能会造成水体色度、膜前污泥产量以及水中锰离子浓度的增高。与以上两种方法相比，运行条件的优化和控制对于大型净水厂来说更加简便常用。综合以上分析，膜清洗技术是水厂工程实践运行中控制膜污染、恢复膜通量的有效手段。

目前膜清洗方法主要有物理和化学清洗两种。物理方法只能去除可逆污染，化学清洗是清除膜系统长期运行后产生的不可逆污染的必要手段。化学清洗的主要药剂有酸、碱、氧化剂、螯合剂、表面活性剂和酶等。酸主要用于无机盐污染的去除；碱清洗剂能够水解去除水中多糖和蛋白质，同时通过皂化作用去除脂肪和油类物质；螯合剂主要用于去除金属污染物；氧化剂主要通过氧化作用使有机污染物变性，进而清除膜污染。次氯酸盐作为一种强氧化剂，具有成本低、氧化处理效果好等优点，被广泛应用于膜污染的化学清洗工艺中。但是，次氯酸盐清洗也存在不足，比如，可能会对膜材料本身产生不利影响，生成副产物。次氯酸盐在清洗天然有机物型、藻源型和菌源型膜污染的过程中均会导致具有“三致”特性的毒性副产物的生成，这些毒性副产物残留在剩余清洗液中，在排放时会对环境造成严重影响。

3 传统膜污染化学清洗方法

工程实践中，工程设计标准提出了通用的物理清洗系统和化学清洗系统的组成和一般要求，超滤膜设备供应企业根据产品膜特点和性能提出了常规的膜清洗技术要求，水厂通常会根据工程工艺和水质水量特点形成自己的经验做法。由于各家膜材料和设备企业的材料改性方法、组件封装方法不同，水厂超滤膜前处理工艺和水质要求不同，膜污染清洗药剂、投加浓度、清洗温度、清洗顺序都发生很大的变化。

以某水厂为例，该水厂进水来自网格混凝池-斜管沉淀池-滤池出水，膜过滤工艺采用压力式膜处理工艺，膜组件为错流过滤内压力中空纤维膜。在清洗药剂和清洗周期的选择上，供货商提出的方案是氢氧化钠1000mg/L，柠檬酸20000mg/L，次氯酸钠2500mg/L，清洗周期90天。在运行过程中，水厂根据运行效果、技术经济性和相似工程案例进行了调整，设定为氢氧化钠500mg/L，柠檬酸10000mg/L，次氯酸钠1000mg/L，清洗周期180天，大大降低了药剂投加量，延长了过滤周期，提高了经济技术水平。可见，若膜池进水来自过滤，其进水浊度得到了很好控制，膜清洗药剂浓度要求就大大下降，清洗周期也得到了延长，说明膜池进水水质对膜清洗的工艺运行参数影响至关重要，膜清洗工艺系统设计不能一概而论、统一设计，而应该一厂一策，根据膜池进水水质、水量和膜清洗药剂供应条件、形态和浓度配置手段，进行针对性设计和调整。

4 膜污染清洗系统关键技术要求

室外给水设计标准中提出，膜过滤化学清洗系统主要包括药剂的贮存、配置、投加、循环设施和管道泵阀等。下面就以下几个关键清洗技术要求进行讨论。

4.1 化学清洗药剂

化学清洗主要针对常规性日常气水反冲洗等物理清洗方法不能去除的深层膜污染，通过浸泡、反应去除膜孔中积累的有机和无机类堵塞物质，减少跨膜压差，恢复膜的过滤能力。室外给水设计标准提出化学清洗应包括低浓度和高浓度两类，药剂可以采用次氯酸钠、柠檬酸、盐酸、氢氧化钠等。实践中由于柠檬酸容易造成生物污染，常常用其他酸代替，比如草酸、硫酸等。实践中，采用1000mg/L次氯酸钠浸泡清洗和0.4%的盐酸浸泡清洗后，基本可以达到较好的膜污染清洗效果。

4.2 化学清洗系统

按照规范要求，由于膜过滤清洗药剂具有较强的氧化和酸碱腐蚀能力，从安全使用角度考虑，化学试剂间独立设置，并靠近膜池。药剂分开贮存、配置和投加，化学试剂间贮存的盐酸、氢氧化钠、次氯酸钠等药剂通过投加泵进入溶液箱，配置设计浓度后，送入膜池，经过浸泡、清洗后，进入回收废液池送入化学处理池。

4.3 化学清洗废液处理

膜污染化学清洗后，产生大量的化学清洗废水和化学清洗结束后的物理性清洗废液，含有清洗溶液的残余物、清洗污染产生的二次污染等，均收集在化学处理池。采用次氯酸钠清洗膜污染，有可能产生卤代毒性副产物，特别是腐殖酸类膜污染中含有C=O、C=C、-COOH和O-H官能团的部分容易附着在膜表面，是引起副产物生成的主要前体物，三氯甲烷和三氯乙酸是清洗过程中产生的主要副产物。所以，要针对性地根据化学清洗废液中的污染物类型，进行对应工程设计。目前，通常可采用亚硫酸氢钠对残余的余氯进行中和处理，中和处理后的废水排至污水排放系统。

4.4 清洗管道材质

在目前工程设计中，对于清洗管道系统材质选择，仍然存在工程应用上和设计上的一种矛盾。由于膜清洗过程中使用盐酸、氢氧化钠、次氯酸钠等清洗剂具有强酸、强碱、腐蚀性，并考虑化学清洗要求的管道压力及工程投资，参照化工工程设计的理念，经常采用304不锈钢作为清洗管道材质。但在实际运行时，由于304不锈钢的耐酸耐碱腐蚀能力有限，管道接头和连接处焊接质量不高，导致清洗系统经常被腐蚀，外观形象不佳，也增加了清洗试剂的安全风险。目前，有水厂提出建议，要求调整为耐腐蚀性更强的316L型不锈钢管材，可以提高抗腐蚀性，但效果仍然存疑。在实践中，可以推荐采用抗腐蚀能力佳、管道热熔焊接质量稳定的UPVC管道材料，代替不锈钢管道，在确保焊接质量、管材质量的条件下，可以有效保障清洗管道的密封性和安全性。

4.5 清洗系统阀门管件

清洗系统阀门管件是保障清洗系统安全运行的重要节点。膜组件或膜池清洗通常采用膜池轮流清洗方式完成，其中一个膜池进行清洗操作时，其他膜池处于正常产水作业。过滤系统和清洗系统的管道阀门程序切换，是保障系统正常运行的关键，必须按照设定的程序进行开关作业，否则，有可能导致清洗药剂溶液进入产水系统，造成水质安全事故。其中阀门开关严密性也应关注，选择阀门时，应考虑采用保险装置，切实保证阀门关闭严密，防止进水、产水、清洗液和废液各行其道，不致相互污染。