反渗透膜的在线化学清洗

1. 引言

本次研究中，我们主要分析了大唐克旗煤制气公司污水处理中水回用处理工艺，该工艺安装了反渗透装置共计5 套， 在 2012 年投入使用之后，采用了一级两段式布置，每套装置设计处理量为 150m³/h ，设计回收率 65% ，脱盐率为 90% 。反渗透采用美国杜邦公司的BW30-400/34i 膜元件，来水采用浸没式超滤的产水，随运行时间增长，在使用过程中也会出现不同程度的进水压力上升、段间压差增加、以及处理量降低的问题。

2. 污染类型

膜污染现象在膜分离过程中是非常常见的，会导致过膜阻力升高、脱盐率与产水量下降。基于污染物类型角度，可将反渗透膜划分为三类：生物污染、无机污染及有机污染。在膜污染的程度达到相应标准后则需要进行清洗反渗透膜的工作，进而达到恢复膜性能的目标。其中，表 1 为污染物的分布情况。

2.1. 离子结晶污染

在反渗透系统中离子浓度不断提升，在此背景下会导致部分无机盐因饱和而析出与沉积，这些无机盐垢一般情况都是溶解度相对较小的难溶盐和微溶盐，具有代表性的有氟化钙、硫酸钙及碳酸钙等。在设计反渗透系统的过程中，想要将难溶盐、微溶盐处于离子状态，需要采取投加阻垢剂、控制系统回收率等措施。需注意的是，在反渗透系统运行期间，经常会由于操作不当、水质波动等相关因素而出现离子结晶污染情况。

2.2. 胶体污染

超滤预处理在去除原水中固体颗粒方面具有很好的效果，使得进水淤泥密度指数（SDI）有效控制，但仍然存在部分小颗粒进入反渗透系统中。另外，金属离子、硅酸盐等都可直接透过超滤膜，同时还会在反渗透膜分离阶段形成胶体颗粒，最终出现胶体污染的情况。

2.3. 有机物污染

超滤膜对小分子有机物截留效果不理想，高级氧化、活性炭吸附等有机物去除方式的成本较高，因此没有将其应用到反渗透系统的预处理阶段。在高分子絮凝剂中聚丙烯酚胺较为常见，主要是通过吸附的作用将水中固体颗粒形成絮体，然后通过固液分离的方式将颗粒排出。但假如聚丙烯酚胺投入过量时可能出现反渗透膜污染问题。

2.4. 微生物污染

微生物的生存与繁殖能力较强，因此会给膜分离过程带来一定的阻碍。虽然透过超滤膜的微生物数量非常少，但当环境适宜时微生物可大量繁殖，导致反渗透膜表面形成生物膜，造成微生物污染。对此，一般会将非氧化性杀菌剂投加到超滤系统中。

3. 形成污垢的原因分析

3.1. 对流沉积

由于反渗透膜可以被认为是过滤过程中的错流分离过程，因此流入的水可以通过膜孔，而一些含有污染颗粒的污染物通过反渗透膜的表面膜，对这些杂质会存在一种吸附作用，也被认为是对流沉积作用，膜表面粒子数量会随设备运行时间的增长而不断增加，最终会将反渗透膜堵塞，特定原水会通过反渗透膜，

3.2. 浓差极化

在设备运行过程中，当淡水通过反渗透膜时膜界面从浓缩水含有较多的盐分，因此，与流入的水存在大的浓度差异，并且在严重的情况下，将形成更高的浓度梯度，这也称为浓差极化。在这种情况下，反渗透膜的污染也会在一定程度上加速。由于这种浓差极化现象导致反渗透膜表面上的溶质浓度增加，边界层的流体阻力增加，局部渗透压增加到一定程度。结果会导致传质驱动力降低，并且发生杂质沉积的问题。

3.3. 截流物的阻挡

当反渗透膜上的截留物增加时，它还会加速污染程度。然而，与此同时也导致了拦截问题。

4. 反渗透膜清洗分析

由于不同污染物的影响，反渗透膜将具有不同的特性，但在实际应用中，我们不能等到反渗透膜出现严重污染再进行清洗，这种情况下进行清洗时难度较大，因此，有必要正确掌握清除时机，及时清除反渗透膜上的污垢。在运行期间，当发生以下情况时需要立即清洗反渗透。正常给水压力下，标准化水产量下降 15% ；产品水脱盐率下降10%-15% ；膜的段间压差上涨 10%-15% ；给水压力增加 10%-15% 。这些标准比较条件是参考陶氏膜元件操作手册，结合系统最初运行的性能操作参数获得的。

4.1. 物理清洗

在物理清洗中正冲洗是最为常见的操作，其核心是运用大流量的清水连续或脉冲来

对反渗透膜表面冲刷，由于正冲洗具有操作简单、对膜分离皮层损伤较小等特征，有利于恢复反渗透膜的通量与分离性能，因此普遍将正冲洗应用到反渗透系统的启停机操作中。

4.2. 化学清洗

在反渗透膜清洗方面，化学清洗同样处于重要的地位，其核心是将具有特定效果的化学药剂加入到清洗液中，进而对膜采取循环清洗与浸泡的操作，不但有利于快速将膜表面的污染物去除，而且在促进反渗透膜性能的恢复方面也是非常有效的。

在化学清洗阶段，涵盖着离线清洗与在线清洗两个类型。其中，在线清洗运用了反渗透设备配套的药洗水箱、清洗水泵及管路，对膜壳中的膜元件进行循环清洗或浸泡清洗，具有维护工作量小、无需拆卸膜元件等优势。

4.3. 化学清洗药剂

在化学清洗阶段，生物酶清洗剂、碱性清洗剂及酸性清洗剂是较为常用的3 种清洗药剂，应该采用哪种化学清洗药剂需要结合污染物的类型来决定，具体如表 2 所示。

4.4. 反渗透化学清洗步骤

反渗透膜化学清洗工艺包括冲洗、浸泡、循环三个环节。

冲洗过程

反渗透系统在清洗阶段涵盖着两个冲洗过程，在化学清洗开始时的冲洗可以将膜表面的污染物冲洗，在清洗完成后可将化学清洗液冲洗，这对于促进产品水质量的提升具有重要的意义。

浸泡过程

在反渗透系统中浸泡在清洗环节处于核心地位，不但可以实现污染物与化学液的反应，而且还能够去除膜表面的污染物。

4.5. 反渗透化学清洗操作步骤

4.5.1. 清洗液的配制

慢慢开启化学清洗系统的除盐水进水手动阀，让除盐水进入反渗透 CIP 水箱。当水注入化学清洗箱一半时，将计算好的药剂量倒入化学清洗水箱中，启动化学清洗 CIP水泵，开启清洗液循环阀，循环搅拌。当水位至化学清洗水箱满液位时，关闭除盐水进水阀。循环搅拌 10 分钟。检测 pH 值，调节药剂浓度至要求范围内。控制温度在30-35℃之间。

4.5.2. 反渗透系统清洗操作程序

关闭反渗透系统所有阀门。启动化学清洗水泵。开启药液循环手动阀，让药液循环5 分钟，使充分混合。开启反渗透清洗段回水手动阀、产水回水手动阀和清洗系统出口手动阀，开启反渗透清洗进水手动阀，调整药液循环手动阀，控制清洗保安过滤器出口压力≤0.4MPa。每 2 小时循环一次，循环1 小时，浸泡2 小时，进行3-4 个循环过程。

4.5.3. 清洗结束

开启药液循环手动阀，关闭清洗保安过滤器入口阀门，循环加药中和。

排放罐中药液至外排水池，向反渗透 CIP 水箱中加入除盐水，再次启动清洗泵用除盐水冲洗反渗透装置及管路。

关闭清洗泵出口手动阀，停运清洗泵，关闭反渗透清洗进水手动阀、清洗段回水手动阀、产水回水手动阀。开启产水排放气动阀、浓水排放气动阀，用除盐水对反渗透系统冲洗 10-20 分钟，至排水为中性。清洗完毕，系统投入运行或备用。

5. 小结

总的来说，膜污染现象在反渗透技术中是非常常见的，进而出现了水质变差、产水量不足等一系列的问题，这必然会对系统稳定性产生不利影响。反渗透膜污染防治工程涵盖着系统设计、运行及维护等众多内容，其中清洗环节能够全面去除膜表面污染物，进而将反渗透膜的性能恢复。本次研究中，我们通过研究反渗透膜清洗技术并且通过数据分析发现，在线化学清洗反渗透膜之后可以实现良好的清洗效果，使反渗透装置运行得到显著改善，为之后开展反渗透装置维护提供基础，也为能够实现可靠供水提供保障。

参考文献：

【1】何灿，海玉琰，马瑞，刘兆锋.反渗透膜污染及清洗技术应用，技术研究，2019，09，93-95

【2】FilmTec 反渗透和纳滤膜元件产品与技术手册（2021 版）

【3】蔡辉，反渗透膜污染清洗技术的应用，实用技术，2021，11，12-13

【4】赵彬，反渗透膜化学清洗分析，化工设计通讯，2020，10，100-101