反滲透海水淡化技術的發(fā)展與應用

反滲透海水淡化技術的發(fā)展與應用

反滲透膜是一種功能性半透膜，通過外壓將溶劑分子滲透，并從溶解分子中分離出來。反滲透是最精密的膜法液體分離技術，它能阻擋幾乎所有溶解性鹽及分子量大于100的有機物，但允許水和微量鹽分透過。水處理系統(tǒng)進水中存在各種形式可導致反滲透和納濾膜表面污染的物質，如水合金屬氧化物、含鈣沉淀物、有機物及生物。污垢就是指覆蓋在膜表面上的各種沉積物，包括水中的結垢物。1反滲透膜濃縮法反滲透技術自20世紀50年代末60年代初發(fā)展成為實用的化工單元操作以來，正不斷地拓展其應用領域和規(guī)模，反滲透早起主要應用于脫除海水和苦咸水中的鹽分，制備淡水；納濾主要用于軟化，脫除有機物和高附加值物質的濃縮分離。由于淡水資源短缺，工業(yè)生產對水的需求量越來越大，對水質要求越來越高，同時社會對節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保等的高要求，膜法在工業(yè)領域應用越來越普遍和廣泛。1.1反滲透技術在各個領域的應用反滲透海水膜最早應用于海水淡化脫鹽制備淡水，為海水淡化的最主要方法之一。國外早在20世紀40年代就開始了反滲透技術的研究，從試驗到生產。到80年代，反滲透技術在各個領域得到廣泛應用。在國內，雖然反滲透技術已經在某些領域得到了一定的應用，但是由于起步較晚，使得反滲透技術在艦船上的應用受到限制，所以，目前艦船上所用的純水絕大多數(shù)還都是蒸餾法生產的，反滲透海水淡化技術還沒有得到普遍應用，但是由于反滲透海水淡化方法具有其他方法無法比擬的優(yōu)點，已經越來越受到重視，目前已有反滲透海水淡化裝置裝船實際使用。1.2城市發(fā)展中的水回用問題隨著經濟和社會的快速發(fā)展，部分城市出現(xiàn)了嚴重缺水的現(xiàn)象，影響了人們的正常生產、生活用水。為了解決生產用水問題，城市中水回用系統(tǒng)得到廣泛發(fā)展，如電廠、煤化工、石化等企業(yè)都需要不同水質的回用水。反滲透中水回用設備是以反滲透技術為核心處理污水并達到非飲用水標準，作為生產所需再生水回用的裝置。反滲透中水回用設備不僅僅可以應用于食品行業(yè)，也可以電鍍行業(yè)中的中水回用、化工行業(yè)中水回用、石化行業(yè)中水回用等領域。1.3節(jié)能反滲透膜處理水等所需要的水質隨著用水水質要求不斷提高，例如電子行業(yè)、鍋爐補給水等所需要的水質要求較高，低壓節(jié)能反滲透膜可去除脫鹽水中的大部分離子，產水經過離子交換或者EDI裝置可達到15ΜΩ以上（甚至是18ΜΩ）的水質。1.4納濾反滲透分鹽工藝隨著排放標準的提升，有些行業(yè)污水需要零排放或者近零排，隨著水中離子濃度的增加，水質腐蝕性增強，到蒸發(fā)結晶單元過流材質甚至需要鈦材，所以前端工藝需要盡量將水量濃縮到最小，降低后端造價，通過納濾膜分鹽，高壓反滲透（STRO）、碟片式反滲透（DTRO）可將水量濃縮至最低。2反滲透膜清洗頻繁從反滲透膜在水處理中的應用可見，目前反滲透膜的應用非常廣泛，但由于各行業(yè)水質差別較大，加之設計負荷較大，運行不規(guī)范等種種原因，導致反滲透膜污染較嚴重，清洗頻繁，甚至出現(xiàn)在線清洗不出來的現(xiàn)象。2.1膜元件的污染和維護反滲透運行一段時間后，反滲透膜元件會受到給水中可能存在的懸浮物、難溶鹽、膠體等物質的污染，這些污染中最常見的是碳酸鈣沉淀、硫酸鈣沉淀、金屬(鐵、錳、銅、鎳、鋁等)氧化物沉淀、硅沉積物、無機或有機沉積混合物、NOM天然有機物質、合成有機物（如阻垢劑/分散劑，陽離子聚合電解質）、微生物（藻類、霉菌、真菌）等污染。污染性質和污染速度取決于各種因素，如給水水質和系統(tǒng)回收率。通常污染是漸進發(fā)展的，如不盡早控制，污染將會在相對較短的時間內損壞膜元件。當膜元件確證已被污染，或是在長期停機之前，或是作為定期日常維護，建議對膜元件進行清洗和維護。及時清洗可以確保反滲透產水量和產水水質；另外某些污染物若不及時清洗，時間久了無法進行徹底清洗，導致清洗效果很有限。污染嚴重或污染物復雜等情況建議及時進行離線清洗。2.2反滲透膜運行參數(shù)的檢查及清洗觀察反滲透運行參數(shù)，保持穩(wěn)定的運行參數(shù)主要是指產水流量、產水電導、回收率、溫度及TDS。如果這些運行參數(shù)起伏不定，建議檢查是否有污染發(fā)生，或者在關鍵運行參數(shù)有變化的前提下，反滲透的實際運行是否正常。（1）反滲透膜通過在線清洗裝置難以達到清洗要求；（2）反滲透膜元件污染經過判斷符合“重度污染”情況；（3）反滲透污染通過在線清洗容易引起交叉污染的。3反滲透膜的離線清洗定時監(jiān)測系統(tǒng)整體性能是確認膜元件是否已發(fā)生污染的基本方法。污染對膜元件的影響是漸進的，并且影響的程度取決于污染的性質。當膜元件僅僅是發(fā)生了輕度污染時，重要的是清洗膜元件。重度污染會因阻礙化學藥劑深入滲透至污染層，影響清洗效果，重度污染需將膜拆下離線清洗。通常通過離線清洗，反滲透系統(tǒng)在提高產水量和降低壓差效果都非常好。清洗何種污染物以及如何清洗要根據(jù)現(xiàn)場污染情況而進行。對于幾種污染同時存在的復雜情況，清洗方法是采用酸性、堿性專用清洗液交替清洗。3.1反滲透膜元件清洗檢測離線清洗是將反滲透主機膜殼中的污染嚴重的反滲透膜拆下來，裝入離線清洗裝置中進行清洗，同時在清洗前后用專用的反滲透膜元件性能測試設備對膜元件的性能進行檢測，根據(jù)檢測結果確定清洗手段和判斷清洗是否合格。離線清洗裝置由清洗水箱、清洗水泵、清洗保安過濾器、測試清水箱、測試高壓泵、測試保安過濾器、1芯膜殼及相應管道閥門儀表組成的撬裝設備。3.2反滲透膜清洗測試反滲透膜離線清洗，是發(fā)生重度污染的反滲透膜元件，需要采用的清洗手段。反滲透膜離線清洗的步驟如下：(1）分析反滲透裝置運行狀況，通過運行數(shù)據(jù)、水質報告等定性分析判斷反滲透膜的污染性質及嚴重程度。(2）記錄清洗前反滲透膜運行數(shù)據(jù)，采集運行反滲透系統(tǒng)的各參數(shù)指標，作好原始記錄。(3）準備拆裝膜所需工具，并提前準備好替換用的膜元件。(4）將反滲透裝置第一支膜和最后一支膜拆下，用性能優(yōu)良的備用膜元件替換反滲透系統(tǒng)上的待清洗膜元件，以保證反滲透系統(tǒng)不停止運行，保證整個生產工藝的持續(xù)穩(wěn)定。(5）根據(jù)用戶原水分析報告、運行數(shù)據(jù)、污染物的鑒定等確定所需清洗配方和清洗方法。(6）對清洗后的膜元件進入測試平臺進行測試并作記錄。(7）整理清洗數(shù)據(jù)資料，寫出清洗總結報告。3.3清洗液循環(huán)過流系統(tǒng)反滲透膜離線清洗與在線清洗藥劑相同，針對污染物質不同清洗總體分為酸洗和堿洗。清洗方法如下。(1）酸洗。配置酸性清洗藥液，把酸性清洗水箱注入一半水，加入2%～5%左右（根據(jù)實際膜污染程度定加入的藥劑濃度）的專用酸性膜清洗劑，將清洗水箱水注滿。開啟清洗泵讓藥液在清洗罐內循環(huán)5～20min，使藥液充分混合溶解，調節(jié)清洗液溫度30℃，配藥和循環(huán)過程中要通過加酸性清洗劑調pH值。藥液進入系統(tǒng)，初期清洗液進入系統(tǒng)應緩慢進入，保證進水流量為清洗流量一半即可，并保證低的進水壓力，將系統(tǒng)內的水緩慢趕出反滲透裝置，并要排掉最開始進入系統(tǒng)內的清洗液，待排放口出清洗液后關閉排放，讓清洗液循環(huán)回清洗水箱，如清洗水箱內的藥液被稀釋應及時補充藥液，保證清洗液濃度，注意監(jiān)測回流液狀態(tài)，雜質多時要及時排掉，更換藥液。(2）沖洗。酸洗/堿洗交替時應沖洗干凈后更換藥劑，清洗完畢后，停清洗泵，開啟沖洗進水閥，開啟沖洗排放以及不合格水排放閥門，用清水箱內的水沖洗膜至中性。沖洗結束后依次關閉反滲透沖洗進水閥，不合格水排放閥，濃水排放閥。關閉泵。清洗整體說明：確認閥門開啟正確后，開啟清洗泵開始清洗，清洗泵出口清洗流量每根膜殼至少9m清洗過程中注意溫度和pH值應相匹配，苦咸水膜pH在1～10.5時清洗液溫度最高溫度45℃，pH在1～12時清洗液溫度最高溫度35℃，pH在1～13時清洗液溫度最高溫度25℃。3.4在線清潔效果表1和表2數(shù)據(jù)為某現(xiàn)場清洗前后的數(shù)據(jù)記錄。4離線清洗系統(tǒng)的運行維護目前的反滲透膜元件清洗中，離線清洗作為有效的徹底消除反滲透膜元件污染的手段已經得到了廣大反滲透用戶的接受，而且正在成為越來越重要的反滲透膜元件的清洗手段，與在線清洗相比較，離線清洗有著下列優(yōu)勢：(1）在線清洗過程中，設備需要停止產水運行，處于清洗循環(huán)狀態(tài)，直至清洗結束為止，才能轉入正常運行；離線清洗過程中有替換膜在設備中保證連續(xù)正常產水，不會因為清洗過程中突發(fā)情況或時間延長而影響設備運行。替換膜的性能一般不能低于在線運行的膜元件。(2）在線清洗過程中，整支膜殼中的幾支膜元件串聯(lián)清洗，前端膜元件清洗下來的污染物必須經過后端的每一支膜元件后才能排出，使得清洗不徹底，且會形成交叉污染情況；離線清洗為單質膜元件單獨清洗，污染物直接清除膜元件，不會造成串聯(lián)污染。(3）在線清洗過程中，只能通過運行數(shù)據(jù)對清洗系統(tǒng)狀態(tài)有一個大致的了解；離線清洗中可以直觀對整個膜殼及每一支膜元件的狀態(tài)進行具體分析，以使系統(tǒng)運行得到更好的完善。(4）在線清洗過程中，只能根據(jù)整個系統(tǒng)運行狀況進行方案定制和清洗操作，每一次清洗只能用一種藥劑對系統(tǒng)中所有膜元件進行清洗，且清洗時間、清洗溫度、清洗條件一樣；離線清洗可真對膜元件在系統(tǒng)中的位置、污染情況、污染程度的不同以及膜元件的性能衰減情況，選擇不同清洗藥劑，制定不同清洗方案，隨時調整清洗措施、藥劑種類、藥量及清洗順序，以達到最大程度的徹底清洗恢復。(5）通過在線清洗，只能部分恢復整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)；離線清洗不僅可恢復每支膜元件性能，并且可以在測試過程中對膜元件進行性能篩選，將以不可用的膜元件挑出。(6）在線清洗過程中，清洗液充滿整個系統(tǒng)，使從污染物嚴重的膜元件上剝離下來的污染物重新循環(huán)至系統(tǒng)，對比較干凈的膜元件造成二次污染的隱患；離線清洗可根據(jù)污染程度不同將不同膜元件分類清洗，保證每支膜元件清洗徹底。(7）在線清洗過程中，要達到清洗效果通常只能加大藥劑用量，或延長清洗時間，通過化學作用對污垢進行溶解性清洗，這就會對膜元件的安全造成一定威脅，而對一些不溶性的機械雜質沒有任何作用；離線清洗可以增加清洗流量，通過對單質膜元件進行正反向大流量沖洗，可最大限度的將污染物沖出膜體。(3）堿洗。(1)把堿清洗水箱注滿水，水溫加熱到30～40℃（溫度范圍見下文清洗的整體說明），加溫時要保證水箱滿水，系統(tǒng)循環(huán)時關閉加熱器，避免藥液超溫。加入2%～5%左右（根據(jù)實際膜污染程度定加入的藥劑濃度）的堿性清洗藥劑，注意配藥方式避免大量泡沫的產生。開啟清洗泵讓藥液在清洗罐內循環(huán)5～20min，使藥液充分混合，調pH在12，水溫控制在35℃。再循環(huán)過程中清洗液pH值會發(fā)生變化，應及時添加少量液堿調整保證p