反渗透设备在化学水处理系统的应用

前言

反渗透水处理技术引进我国已多年，以其维护量小的优势，在电力系统化学水处理中得到广泛应用。但反渗透设备也有其局限性，一方面优质的反渗透膜造价高，虽然经过多年激烈的市场竞争，优质膜的价格仍然维持在1万元/吨水左右。另一方面，反渗透膜在正常运行三年后脱盐率、回收率(也称产水率)指标降低，运行经济性差，更换新的膜元件费用高、动辄几百万元。

我厂反渗透水处理系统自2006年9月投入使用，至今已运行7年，脱盐率、回收率无明显下降。期间经历了2006--2007年供热期反渗透设备满负荷运行(2号热网加热器漏泄，为保供热不能停运检修，主要靠制水设备满负荷运行补充加热器漏泄损失)。总结原因一是通过合理设计原水预处理系统保证了反渗透入口水质，二是日常管理中严格监督各项水质和药剂指标保证了反渗透膜良好的运行环境。

1 反渗透系统概述

1.1 化学水处理系统简介

我厂化学水处理流程：

工业水 → 曝气器 → 叠加式锰砂除铁过滤器 → 弱酸阳离子交换器 → 除碳器 → 软化水箱 →生水加热器 → 保安过滤器 → 反渗透 →混床 →  除盐水箱 →锅炉补水。

1.2 反渗透系统简介

我厂反渗透膜元件采用美国陶氏公司的BW30-400低压复合膜元件，一级两段8：4排列，每套72根膜元件，共288根。主要性能考核指标见表一，反渗透膜元件的进水要求见表二。

2 反渗透膜污堵原因分析

2.1 反渗透膜特性及工作原理

反渗透膜是基于仿生学研究的一种半透膜。半透膜是广泛存在于自然界动植物体器官内的一种能够透过水的膜。严格地说，只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为理想半透膜。工业上使用的半透膜多是高分子合成的聚合物产品。当把溶剂和溶液分别置于半透膜的两侧，溶剂将自发地穿过半透膜向溶液侧流动，这种自然现象叫做渗透(Osmosis)。如果上述过程中溶剂是纯水，溶质是盐分，当用理想半透膜将它们分隔开时，纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水侧，盐水的液位上升，当上升到两侧出现一定压力差后，水通过膜的净流量为零，此时该过程达到平衡，与该液位高度差对应的压力称为渗透压(Osmotic  Pressure)。当在半透膜的盐水侧人为施加一个大于渗透压的压力时，水的流向就会逆转，盐水中的水将流入纯水侧，这种现象叫做反渗透(Reverse  Osmosis，简称RO)。

2.2 反渗透膜污染原因分析

膜是反渗透过程的最核心的组件。渗透和反渗透作用都是基于半透膜的通透性，一旦半透膜发生污堵，膜两侧溶剂(即纯水)的流动将逐渐减弱直至停止，此时膜的产水率、脱盐率都会显著降低，甚至快速报废。

导致反渗透膜性能降低的几种膜污染有:

(1)水中悬浮物、胶体颗粒等覆盖和堵塞膜表面及膜内。

(2)水中微生物、细菌繁殖产生的菌团和粘膜对反渗透膜造成污堵和生物降解。

(3)水中的微溶盐在膜表面结垢造成污堵。

(4)芳香聚酰胺膜的胺基受到氯等其它氧化性物质的破坏。

(5)温度和PH的影响：醋酸纤维素膜的酯基团在高温及强酸、强碱下水解。

3 反渗透设备管理的关键技术

反渗透膜的结构和材质决定了污堵是必然发生的过程，因此，即使在严格遵守膜制造厂给出的各项入口水质和药剂控制指标的前提下，各知名膜制造厂都只保证三年内的性能指标。我厂使用美国陶氏公司生产的膜元件亦是如此：在严格遵守陶氏公司给出的各项RO入口水质和药剂控制指标的前提下，只保证三年内的脱盐率和产水率。因此，要延长膜的使用寿命，三年后仍维持较高的制水经济性，工作重点就是研究如何延缓膜污堵的发生，使之长期保持良好的通透性。

3.1 合理设计原水预处理系统，保证RO入口水质

首先，合理的原水预处理系统设计是保证RO进水水质的基本技术条件。由表三工业水源的水质分析报告可见，悬浮物、胶体颗粒、微溶盐等易导致膜污堵的各项指标均在正常范围内，因此，原水预处理系统按照常规设计多介质过滤器，无曝气和除铁工艺。我们将水质分析报告结合实际经验进行了深入分析，来水中铁铝氧化物虽然不高，但其中铁离子占比较高、约占90%，Fe2+、Fe3+离子形成胶体基团，易引起RO膜的污堵，而且铁铝等胶体也对RO膜有不利影响，于是我们提出更改设计，建议改用曝气+除铁工艺，得到设计单位的认可，将原设计的预处理系统多介质过滤器修改为曝气+除铁过滤工艺。

曝气+除铁过滤工艺技术成熟、设备简单、造价不高、运行费用低廉、维护简便，可以保证以低廉的成本提高RO系统的使用寿命，从而降低整体制水成本。此外，在预处理阶段曝气+除铁工艺也利于延长RO后续混床除盐系统阴离子交换树脂的使用寿命(高铁离子引起阴离子交换树脂不可逆的污染)。

表三 水质全分析报告单

3.2 严格规范日常监督指标管理

有了科学合理的预处理系统设计做技术保障，RO各项入口水指标是否能够几年如一日地严格达到设计值，规范的日常管理手段必不可少。

一方面我们通过对水处理值班员投产前培训和投产后定期培训不断提升员工的理论水平和职业素养，增加责任心。

另一方面管理人员对未实现在线仪表实时监测的SDI和铁离子等指标随时取样抽查复检，以督促值班员关注这些指标，通过管理手段强化反渗透进水水质控制。

经过几年的管理实践，我们培养了一支技术素质过硬、责任心强的人员队伍。

3.3 药剂质量控制

为防止污堵和结垢，RO膜对来水水质和药剂品质都有一定的要求，劣质的药剂本身就会对RO膜造成污染，电厂通常对RO系统使用的各种药剂不具备检测能力。我厂目前使用的工业水源，RO不需要加氧化剂和还原剂、只使用阻垢剂。

目前国内阻垢剂市场鱼龙混杂，在经济利益的驱动下，一些技术能力较差的小公司甚至村镇企业都号称生产阻垢剂，选择质优价廉的阻垢剂也是延长RO膜使用寿命、降低制水成本的关键环节。

在调试期间，我们明确由RO设备厂家提供阻垢剂以便规范严格地考核RO设备的性能，避免因阻垢剂问题给RO设备性能考核带来说不清的纠纷。经调试所组织性能考核试验，RO设备各项指标均达到性能试验要求。经测算，调试期间反渗透制水成本中阻垢剂成本约为0.9元/吨水。

投产后，我们使用了美国某化学公司的阻垢剂，该公司的阻垢剂为美国生产、上海分装。该公司中国上海公司将我厂水样送至其亚洲中心实验室检测，确定配方及加药浓度，经测算，使用该公司阻垢剂后，在制水成本中阻垢剂成本由0.9元/吨水降至0.2元/吨水。

3.4 长期制水经济性控制

脱盐率和产水率是考核RO设备运行经济性的最主要指标。在保证脱盐率的前提下制水回收率的高低，是衡量RO运行经济性的综合标准。表四和表五是我厂RO设备运行五年和七年后的脱盐率和产水率数据，  2011年9月21日--30日十天脱盐率为96.38-98.34%，产水率为72.3-77.45%，2013年9月21日--30日十天脱盐率为96.27-98.42%，产水率为72.0-77.89%，扣除表计波动误差，可见，RO设备运行七年后脱盐率和产水率无明显降低。

表四

表五

表六

4 结论

由于工业水预处理系统设计合理、日常监督管理严格，我厂RO设备自2006年9月正式投入运行，至今已运行十一年，脱盐率和产水率无明显降低，仍然保持较高的制水经济性。

作者简介

俞冰，环境工程专业工程硕士，高级工程师，从事电厂环保、化学专业20余年。