純凈水行業反滲透系統膜元件劣化原因分析與管理優化

娃哈哈集團有限公司　　 王國祥

　　提要：本文針對純凈水飲料行業常用的反滲透系統出現的代表性故障--膜元件劣化，進行了具體的原因分析。本文從預處理過濾環節的操作、反滲透運行條件優化管理與膜元件的選擇等方面，針對性的闡釋了過濾改善優化的原理，分析膜的應用發展趨勢，提出運行管理方面具體完善的建議措施。
　　關鍵詞：反滲透　 膜劣化　管理優化

1．背景

　　反滲透系統是純凈水飲料行業普遍使用的過濾系統， 以運行高效、產水穩定而廣泛得到應用。實際使用過程中經常存在膜損壞率高，更換費用昂貴的問題，系統的劣化甚至直接影響到生產效益的穩定性。正常穩定的反滲透系統膜元件連續使用年限一般為5-7年，因此如何避免反滲透系統膜元件的劣化，合理延長膜使用壽命，為生產企業直接創造更多的質量經濟效益，針對具體故障原因進行進一步的研究分析探討，管理上的細節優化尤其值得高度的重視。
　　造成反滲透系統故障的主要問題是膜元件的劣化損壞，主要與以下原因有關：
　　（1）預處理運行效果不穩定，缺乏有效的監督控制；
　　（2）膜系統針對性的清洗時機判斷不及時，直接影響到清洗的效果；
　　（3）膜系統運行參數缺乏有效的分析與監控措施，不能及時進行管理優化調整；
　　（4）受到季節水源性沖擊污染堵塞；
　　（5）膜元件的具體型號設計選擇不當。
　　以上五個方面有些往往又互相關聯影響，既有客觀因素的變化，更多的時候是主觀的認知水平不夠，最后直接導致膜的劣化。故進行以下的深入分析具體探討。

２

2.1預處理運行過濾效果不穩定，缺乏有效的監督控制
　　導致預處理的過濾質量效果不穩定的主要因素有污染指數的調整控制、流量負荷的調配控制、濾料濾芯的檢查與更換等。
　　以常見的機械過濾器、活性炭過濾器、保安精密過濾器作為預處理工藝為例，機械過濾器運行中主要監督調整控制污染指數。多數地表水源水中的有機物腐殖質zeta電位為負數，因此機械過濾器前一般都選擇使用陽離子型的ST高效絮凝劑以使zeta電位調整到零左右。影響污染指數測定儀準確性的因素有：
　　·使用年久失修，水流通道堵塞。判斷水流通道是否正常的經驗是正常測定條件下不放膜片直接出水的速度不低于100毫升/秒。
　　·測試使用的進水壓力不足30psi（0.21mpa），水流速度過緩。
　　·使用的0.45um膜片非專用耐壓達到0.5mpa的測試膜片而以醫用的0.45um濾菌膜片代替，而醫用膜片不耐0.3mpa以上的壓力。導致過濾檢測時間數據的重現穩定性差。
　　·檢測時密封螺絲擰得過緊導致膜片被壓實出水速度降低。以進口的millipore膜片為例，膜未堵塞前的初始濾過放滿500ml水的時間在25秒左右，如果第一次檢測的時間超過40秒則需要重新調整螺絲以剛好不漏水而螺絲旋進留有余地為原則。
　　污染指數檢測的常見誤差一般都造成結果偏低，直接影響對系統進水水質過于樂觀的判斷和真實確定清洗的周期的準確性。
　　ST高效絮凝劑使用過程中用量不足和過量都會對膜造成有機物的積累污染，原水中的疏水性有機堿和疏水性有機酸通過混凝沉淀過濾會有較好的去除效果，判斷ST絮凝劑使用是否有效的經驗方法除了實驗室測定不同添加濃度與zeta電位的對應關系外，還可以比較機械過濾器的進出水COD值，計算COD的去除率越高則過濾效果越好。并根據COD去除率的變化曲線周期結合進出水壓差變化、SDI值來合理確定機械過濾器的反洗周期。
　　預處理過濾罐體的流量負荷調配控制往往實際運行中缺乏監督控制。進水管道上的轉子流量計流量數據作為安裝后初期運行調配的參考是較準確的。但后期的準確性就要打折扣了，一般根據原水泵的工頻運行壓力對應的工作流量曲線推算實際的流量負荷。常見的影響流量負荷分配不合理的因素有：
　　·碳濾器出水閥開得太大，往中間水箱輸入的流量過大，造成預處理超負荷運行，直接降低了機濾器、碳濾器的過濾吸附質量。活性炭過濾器的濾速控制要求在10m/h以內。
　　·并聯運行的罐體較多時，配水管路設置不合理造成進水管道首端的過濾罐和末端的過濾罐進水流量負荷相差懸殊，過濾負荷不均勻。
　　有效監督并優化活性炭過濾器運行效果的方法有：
　　·定期監測出水污染指數并與機械過濾器出水的污染指數進行對比，發現增加的幅度異常時及時反洗碳濾料或更換濾料。研究表明強化機械過濾器的過濾處理有助于對大分子有機物的去除，可以防止對活性炭過渡孔和微孔較大孔徑部分的堵塞。
　　·定期檢測活性炭濾料的碘吸附值和進出水COD比值，判斷濾料吸附的飽和性能并及時更換。活性炭吸附傾向于去除水中疏水性的有機物，較大程度的去除自來水預氯化形成的鹵乙酸等揮發性鹵代有機物。
　　·定期檢測進、出水中的菌落總數，及時反洗除菌，保證反滲透進水環節上無微生物源引入。
　　另外保安精密過濾器濾芯的及時更換也必須引起足夠重視，很多時候容易被忽視，僅出于節約濾材費用的考慮和對換下來的濾芯表面上的“干凈”而不愿意及時更換。卻不知道即使是進口制造合乎規格的5um濾芯也有嚴格的使用壽命限制，美國膜工業協會出于保護膜系統的目的，限制每批濾芯連續使用最多不能超過30天。否則預處理系統中泄露積累的硬質小顆粒雜質和分解的濾芯材料纖維容易從失效的濾芯穿透進入膜元件，直接威脅膜表面材料的安全，對膜材料造成不可恢復的損傷。
2.2膜系統針對性的清洗時機判斷不及時，直接影響到清洗的效果
　　反滲透膜元件作為深層的過濾手段，其表面不可避免的會殘留有膠體、微生物、雜質顆粒及難溶鹽類在其表面的析出，因此，反滲透裝置一旦投入使用，最終都需要清洗，只是清洗周期的長短不同而已。在線清洗只是一種反滲透系統清洗保養、沖擊性殺菌以及定期保護的手段，在面臨反滲透膜元件重度污染時就顯得無能為力。
　　常見的系統清洗時間間隔周期與清洗原因分析：
　　·一般反滲透系統每3個月清洗1次，指污染指數4以下的以地表市政自來水為水源且操作運行規范的正常系統。根據對膜上污染物的沉積衍變的研究，限定在3個月以內主要是出于防止金屬氧化物和有機物在膜面上進一步發生更復雜的變化而難于被清洗干凈。
　　·污染指數小于1，原水來自于天然純凈很少有污染的地表或地下深層，同時礦化度很低。即進水水質特別優良的反滲透系統可以推遲到6個月清洗1次。
　　·污染指數大于4或原水硬度較高，結垢趨勢明顯的，進水水質較差的反滲透系統必須1-2月就清洗1次。
　　常用的清洗操作方式與種類
　　·酸洗——清洗液組成：檸檬酸+氨水，pH控制在2.5—3.0。能有效洗掉膜面上的大部分無機鹽垢、金屬氧化物和部分無機膠體污染物、無機銨鹽、疏水性有機堿化合物。
　　·堿洗——EDTA的鈉鹽+氫氧化鈉+三聚磷酸鈉，pH控制在11—11.5。能有效洗掉膜面上的微生物和疏水性有機酸化合物。
　　清洗前如果時間允許，可以打開膜管檢查壓力管腔容器內壁和膜元件外觀的污染程度，如果有較多的棕褐色泥垢，則說明有明顯的鐵錳細菌微生物生長。預先采用手工沖洗可以有效降低下一步藥劑清洗的負荷。
　　清洗均要求低壓循環沖洗1-2小時，靜止浸泡4-8小時。發現清洗過程中的溶液渾濁沉淀時必須排放更換配制新的清洗液。
　　對清洗效果的判斷可以通過以下方式來辨別：
　　檢測清洗液清洗前后的電導率、pH值的變化，pH變化到要求范圍以外時可以通過加酸、堿來適當調整過來。
　　比較清洗液感官指標的變化如顏色深淺的變化、濁度的變化、氣味的變化。與初始溶液比較的變化越大，除了說明清洗效果好，同時也提示系統污染越嚴重。試驗重新配藥清洗第2遍發現清洗前后的溶液外觀指標與理化檢測指標（電導率、pH值）仍然相差懸殊時，可以繼續換新的清洗液強化進行重復清洗。有時為防止第1段的清洗液污染第2段的膜，可以用替代膜更換第2段的膜元件，拆卸下來后的膜件重點進行離線的單只膜清洗。
　　另外在相當多的生產企業，由于水處理系統供水緊張，使得反滲透裝置即使出現了運行參數的惡化，系統遭受污染，但因供水緊張的原因而不能進行及時的清洗，結果導致系統污染逐步嚴重，形成重度污染。這種情況就更需要盡快建立離線清洗系統進行經常性的輪換補救清洗膜元件。
2.3膜系統運行參數缺乏有效的分析與監控措施，不能及時進行管理優化調整
　　由于反滲透系統的操作自動化程度較高，操作值班人員的工作量并不大，管理上容易受到忽視的環節及造成的常見失誤主要有以下情況，需要專業管理人員進行及時的監督考核并優化調整，幫助提高操作人員的專業素質與經驗水平。
　　（1）忽視進水中有機物的去除水平和系統進水、濃水的微生物檢測情況，膜元件上的微生物的變化是個長期的積累漸進過程，在污染出現的初期如果及時清洗會比后期更容易且徹底，監控與清洗措施缺乏有效堅持將直接導致后期污染狀況的失控。根據有機物及微生物的生長變化規律安排定期的針對性預防清洗也是可行的優化調整手段。
　　（2）片面相信設備系統上的在線電子儀表數據，特別是流量數據往往不準確，直接影響對產水量衰減判斷的準確性，耽誤清洗選擇的有利時機。不是在發現污染造成堵塞的初期進行清洗，而是在堵塞造成更嚴重的過濾性能衰減后再清洗則為時已晚，清洗恢復性能的有效性大打折扣。優化調整的方法是操作人員培養觀察眼力，結合軟管引水排放記時的直觀方法，經常觀察、計算、比較產水、濃水的流量變化。
　　（3）操作人員對細節要求不規范，又缺乏有效監督來糾正培養良好的操作習慣，造成系統開、停機壓力變化時經常性的得不到低壓注水沖洗保養維護，直接影響膜元件外繞的環氧樹脂材料受損破裂，降低膜的使用壽命。這就要求管理人員要有經驗，嚴格按操作要求規范跟蹤檢查操作細節，并加強人員考核。
　　（4）反滲透進水加藥的各種試劑的劑量濃度缺乏監督調整，甚至在季節性受水溫溫度變化影響流量前后相差30%以上，加藥濃度還一成不變，另外計量泵單位時間輸出流量的準確性與臨時更換不同型號計量泵的情況也缺少監督驗算核準，也會造成試劑對膜的污染。常見的情況有：
　　·第2級反滲透加堿調節進水pH值的計量泵實際輸出流量隨著運行年限的延長會漂移增大，造成氫氧化鈉試劑的用量增加、進水、產水的pH差值增加。有時同樣的初始進水條件，即使相差很大的加堿濃度和進水pH值，但產水pH值也能保持一致。主要原因是缺乏用量監督，而膜元件有一定的緩沖性，一旦適應較高的加量濃度，產水pH值隨進水pH值變化的靈敏度會下降。
　　·阻垢劑使用濃度隨系統處理水量的衰減卻不相應降低，直接造成系統后期阻垢劑過量積累污染。反滲透阻垢劑的加藥量一般在2—4ppm之間（按進水量計算），最多不能超過6ppm。優化管理上更要注意避免受良莠不齊的阻垢劑廠商代理技術服務人員的一面之辭的影響，當進水中鐵含量較高時，使用聚丙烯酸類阻垢劑更要特別小心，造成污染增加膜的操作壓力后，必須及時采取酸洗措施清除這類污染。特別要注意的是當預處理中使用了ST陽離子絮凝劑，反滲透使用陰離子阻垢劑時，會在膜面混合產生粘性污染物導致后期清洗非常困難。因此重點要定期檢測評估預處理中ST絮凝劑的實際使用濃度是否控制在實驗室確定的適量范圍以內。
　　·作為還原劑使用的亞硫酸氫鈉持續用量過大，為特定的氧化還原異養細菌提供了營養能源，也會對膜造成間接污染。實際應用發現亞硫酸氫鈉作為還原性好氧菌抑制劑的作用效果一般，不宜根據以往習慣大劑量推廣使用。特別是當進水為淺層井水厭氧環境中存在硫還原菌時，亞硫酸會成為細菌營養，幫助細菌的繁殖。這類細菌與鐵細菌綜合反應，還會加快系統金屬管道的腐蝕結垢速度，而不得不增加清洗金屬氧化物的頻次。亞硫酸氫鈉溶液在空氣中不穩定，會與氧氣發生反應，根據實驗總結，優化控制的措施主要有：亞硫酸氫鈉實際使用過程中配制好的溶液一次不可配制太多，已配置的溶液使用期必須控制在1-2周內，加藥點盡量設置在反滲透進水管道的遠端，保證進入膜元件前有30秒的混合反應時間。
2.4受到季節水源性沖擊污染堵塞
　　反滲透系統受到季節性水源因素污染的主要是以地表水為水源的系統，重點要預防的有以下因素：
　　（1）水庫、湖區水體的藻類與地面徑流農藥有機物污染。藻類在夏季生長更替增加迅猛，冬季則腐爛沉淀分解隨著枯水期而得到濃縮，自來水廠前處理為降低水的色度往往投加不足或過量的PAC混凝劑，此類水體中的藻類分泌物容易和混凝劑形成絡合物而穿透過濾裝置。有鑒于地表水中人工合成有機物污染日趨嚴重的狀況，除了加強混凝過濾處理環節的絮凝劑濃度調整和反洗除污措施外，在預處理活性炭工序前增加一道臭氧預氧化裝置，可以有效的將活性炭工藝改造成生物活性炭過濾吸附工藝，利用增加的微生物分解作用以彌補對于去除低分子親水性有機物的不足，同時還能有效去除大部分氨氮化合物。
　　（2）山區多雨的季節盡管天然水質表現為稀釋效應（雨后水的電導率和飽和指數降低）和CO₂效應（雨后水的CO₂分壓升高和pH值降低），但受土地過度種植開發水土流失的影響，反而更多的受到無機顆粒物污染增加的威脅，直接表現為預處理污染指數升高，這種情況下只能加強膜系統的保安濾芯更換的頻次和在線清洗保養的力度。
2.5膜元件的具體類型設計選擇不當
　　反滲透膜元件常用的有四種類型：低壓大通量膜、低壓膜、低污染反滲透膜和高壓海水淡化膜。由于存在價格差異，多數企業在招標選擇膜材料時僅僅單純考慮價格因素，而不是切合實際水質條件來選擇膜對應的不同型號，更多的選用是低壓大通量膜，運行使用的初期并無區別，但在壓差增加、操作壓力升高后，卻直接造成膜的遠期經濟效益下降。
　　針對不同地區的水源選擇合適的膜材料，其實會取得事半功倍的效果。一般南方水質污染少的地區適合用低壓大通量膜，南方地表水污染較嚴重的地區適合用低污染反滲透膜，北方地區以使用地下水源為主時，適合用低壓膜，北方地下水為苦咸水時考慮用海水淡化膜。
　　另外，針對純凈水行業2級反滲透系統的運行特點，還可以選用正電荷的反滲透膜，提高對鈉離子等陽離子的脫除效率。

3．結束語

　　綜上所敘，反滲透系統設計前，要充分考慮造成膜元件劣化的客觀因素有原水水質性的先天原因和相關的從眾多膜型號中篩選適用的膜等設計因素。投入使用后則還是要有賴于人員主動細致的管理。本著節約生產資源的原則，加強相關水處理從業者責任心的考核。對膜的污染應該以有效的良好操作規范等預防維護手段為主結合污染后的清洗治理為輔，來不斷操作從業人員的經驗水平的積累提高。總之，通過專業的管理與對工程細節不斷的探索優化治理是完全可以有效降低膜元件的劣化損耗幾率，提高水處理系統的經濟運行效益的。

參考文獻：

1、《膜法水處理技術及工程實例》　　　　　　　 化學工業出版社
2、《海德能反滲透膜產品技術手冊》
3、《水文學》 　　　　　　　　　　　　　　　　高等學校教材
4、《微污染水源飲用水處理》　　　　　　　　 王占生　 劉文君　 編著