海水淡化工艺中超滤膜污染与清洗

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引言

淡水资源短缺一直制约社会经济的发展，在一些沿海城市问题更为突出，随着科学技术的发展沿海城市可以通过海水淡化技术解决淡水资源短缺的问题[1-3]。超滤膜和反渗透膜相结合的双膜法，是海水淡化中应用最为广泛的生产工艺[3-5]。由于超滤膜处理前端原海水，易造成膜污染。超滤膜组运行原理是一种膜分离过程，超滤膜在外界压力作用下截留水中胶体、颗粒和分子量相对较高的物质，而水和分子量小的溶质透过膜，达到物质分离过滤的目的[6-7]。在运行过程中，胶体、溶解度较低的无机盐、溶解性有机物等物质会吸附沉积在膜表面，造成膜组的外部堵塞，从而增大运行过程中的阻力，如果污染物沉积在膜丝的内部，将降低膜组的产水能力[8-9]。在膜法海水淡化生产中，对超滤膜进行有效的清洗维护，可有效延长膜组的使用寿命，提高产生率和产水水质[10-13]。超滤膜的清洗主要有反冲洗，酸碱加药洗，主要去除膜表面的无机盐，有机物，胶体等污染物[14-15]。北方某沿海城市使用双膜法海水淡化工艺，日产10万吨淡水，整体系统回收率为45%，超滤系统采用内压式超滤膜元件。本研究使用海水淡化厂的超滤膜组件，进行生产性试验，探究超滤膜组的清洗方案，优化膜法海水淡化工艺中的运营维护，为超滤膜的清洗提供有效的解决方案。

1试验部分

1.1海水水质

原海水取自胶州湾，先由胶州湾到海水湖,再由取水泵打至工厂。

1.2超滤膜运行状况

目前超滤系统已经运行5年，出现性能下降严重的问题，超滤膜组运行前后参数对比如图1所示，渗透率由最初500降至200lmh/bar左右，进水压力和压差都提升许多，并且在进行酸碱洗后，性能恢复较差，系统运行状况不容乐观，需寻找一种更加适合的清洗方法，从而保证系统长期的运行稳定和供水品质。

1.3膜组污染状况分析

由于湖底淤泥较多，当海水湖液位稍低时，淤泥很容易被吸入取水管道，进入超滤膜组。由于淤泥中铁（0.2~0.3mg/l）等污染物的含量较高，增大了清洗难度。超滤膜运行方式为，海水由膜组上端进入膜组，产品水也由膜组上端出水的死端过滤，为分析超滤膜的污染状况，对超滤膜进行解剖分析。超滤膜解剖如图2，可以看出膜丝外表面（膜组件）附着大量污染物，已发生结垢现象，膜束外包的导流网较为干净，但每一束膜丝的中心部分污染物附着相当严重。本膜组为内压式进水方式，为了解膜丝内部污染状况，对单根膜丝进行纵向解剖。如图2（b）所示，膜丝内表面同样附着大量污染物，多为红褐色附着物，但没有明显堵塞中空膜芯。由于膜组性能下降，产水量下降，在生产维护中，对膜组进行了反洗和酸碱洗作业，膜组渗透率能够恢复到400lmh/bar，但膜组的性能下降速度较快，运行12h渗透率便下降到200lmh/bar，原因可能是原海水中的铁和硅酸盐等无机物以及微生物对超滤膜造成了堵塞，使用酸或碱未能有效去除污染物。

1.4膜组清洗方案

1.4.1膜清洗药品选择

由于目前超滤系统无法长期稳定运行，膜性能下降迅速，酸碱清洗不理想，为了寻找更加合适的药洗方案，使用不同的药剂进行了膜丝的浸泡实验。取同一部位的膜丝，分别取500ml药剂溶液，将膜丝按质量等分加入药剂溶液中进行药物浸泡实验。相同浸泡时间，不同药剂对膜丝的浸泡效果如图3所示。5min浸泡实验发现，将膜丝加入至质量分数为10%的草酸溶液中，原澄清的溶液迅速变浑浊，膜丝经浸泡后迅速变白。5min时其他药物的浸泡实验无明显变化，说明草酸溶液对膜表面的污染物有最好的去除效果。膜丝的产水通量反映了膜丝性能，在膜组的同一部位选择污染相近的膜丝，经10%草酸浸泡清洗之后，测试其产水通量。图4反映了膜丝在清洗前后的产水通量，经清洗后各膜丝的产水通量都有明显的提高。

2膜组清洗分析

2.1膜组清洗

膜丝药品浸泡实验结果和产水通量测试分析表明，草酸对污染物的去除有最佳的效果，因此选择草酸进行膜组药洗。先用碱和次氯酸钠，对膜组循环浸泡2小时，用清水冲洗膜组然后加草酸，EDTA和维C，对膜组循环2小时，然后浸泡2小时，最后用清水冲洗。

2.2膜组清洗分析

2.2.1膜清洗前后表面污染物扫描电镜分析

为更细致了解草酸对污染物的去除情况，对清洗前后膜表面进行了扫描电镜分析。如图5所示，被污染的超滤膜在其表面可以明显观察到块状的污染物（图5a），经过草酸的清洗后膜表面的污染物被去除（图5b）。

2.2.2实际生产中膜CIP-草酸清洗效果

经实验确定草酸对膜组有最好的清洗效果，在实际的生产中，使用草酸对膜组进行药洗，选取三组膜组测试分析膜组在清洗前后工作时间内的渗透压变化。由图6可以看出，在经过草酸清洗后，膜组的渗透率可达到400lmh/bar以上，接近新膜组的运行参数，随着超滤膜不断过滤原海水，渗透率不断下降，在运行13日膜组需再次进行药洗。结语通过浸泡实验和在实际生产中的运行清洗，草酸对超滤膜污染物有最佳的去除效果，经过清洗后，渗透率得到了很好的恢复，相应的产水量也得到保证。所以，可以确定此次草酸的化学清洗效果比以往的化学清洗更为彻底，对膜系统的性能恢复更为有效。在新膜组的运行中，使用草酸进行化学清洗维护，可以大大延长膜组的使用寿命，对今后膜法海水淡化工艺的发展提供了非常重要的生产实践。

作者:刘长青 杨兴涛 李珂 潘光建 单位:青岛百发海水淡化有限公司