海水淡化系统中微滤膜的污染和清洗

赵国萍，吕海烽，曾杭成

（浙江东发环保工程有限公司，浙江 杭州 311203）

浙江拥有绵长的海岸线，可利用的海水资源极为丰富。作为用水大户的火力发电厂，也积极探索通过海水淡化来解决自身用水难题［1］。浙江沿海某电厂，采用海水淡化技术制取全厂工业用水和生活用水。海水淡化采用微滤加两级反渗透的全膜法处理工艺，微滤选用进口PVDF膜元件，总制水能力8×250m3/h。该系统自2007年10月投入运行。

1 原水水质

系统原水为乐清湾海水，水质随每日潮汐和四季相应变化，水质情况如表1所示。

表1 海水水质表Tab.1 Quality of Seawater

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2 微滤系统设计

微滤装置运行为全自动运行方式，包括过滤产水、空气擦洗、清水反冲洗、维护性清洗、恢复性清洗、膜完整性检测等操作过程。微滤膜选用旭化成UNA－620A微滤膜，其主要技术参数如表2所示。

表2 微滤膜主要技术参数Tab.2 Technical Parameters of Microfiltration Membrane

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海水预处理采用反应沉淀池工艺，在反应沉淀池进水加入絮凝剂三氯化铁，海水原水池中加入电解浓海水制取的杀菌剂次氯酸钠。维持进水温度在20～25℃，余氯为0.2～0.5mg/L。反应沉淀池出水浊度在20 NTU以下。出水经130μm自清洗过滤器后，进入微滤系统。微滤系统流程如图1所示。

图1 微滤系统工艺流程图Fig.1 Flow Chart of Micro－filtration System

3 微滤污染分析

3.1 微滤污染物的形成

微滤系统投运初期，工况较好，跨膜压差在40 kPa以下，产水浊度小于0.2 NTU。随着运行时间的累积，可以观察到每支微滤膜下端的透明短管内壁上粘附了一层黄色污垢，随着产水量的增加，其颜色不断地加深，渐渐地变为深褐色甚至黑色。随着污染物在膜表面的沉积，设备进水压力上升，跨膜压差逐渐升高到接近100 kPa。

3.2 微滤膜污染原因分析

微滤主要用于截留进水中的高分子有机物、悬浮物、胶体等物质［2］，微滤膜污染是由于膜表面形成附着层和膜孔通道发生了堵塞而引起的。膜表面的附着层可能是水溶性高分子的吸附层和料液中悬浮物在膜表面上堆积起来的滤饼层［3］。

目前的预处理系统投加三氯化铁絮凝剂，由于每天不同时段的进水水量和进水水质的波动很大，难以控制絮凝剂的投加量，因此各种未沉降的物质和没有反应完全的絮凝剂会随水流进入微滤系统，从而沉积在微滤系统的管道和膜丝通道中。在微滤装置进水透明管上可以看到明显的污垢累积，拆下透明短管，可以观察到整个内壁被深褐色污染物附着，污染物质无异味，基本没有微生物污染产生的黏液现象。微滤膜的清洗方法较多，在清洗方案选择前对污染物进行小试确定［4］，现场拆下带污染物透明管放入烧杯，加入0.1%浓度的盐酸溶液进行浸泡，污垢逐步破碎、溶解，并有大量气泡冒出。浸泡15min后，浸泡液明显变为浅黄色，然后用清水将其冲净，观察透明管污垢基本清除，初步判断为无机盐垢。

4 微滤清洗

在正常的操作过程中，微滤元件内的膜片会受到无机盐、微生物、胶体颗粒和不溶性有机物的污染。操作过程中这些污染物沉积在膜表面，导致标准化产水量和运行压差的变化，通过正常的反洗和维护性清洗无法有效恢复。当出现这些情况时，需要清洗微滤膜元件。

4.1 清洗方案

微滤膜的清洗方法有很多，通常分为物理清洗、化学清洗、生物清洗，常见的有机械反洗、气水联合反冲洗、化学加强反洗(CEB)、化学维护性清洗(EFM)、化学清洗(CIP)，比较先进的还有超声波清洗、电场清洗、酶清洗等［5］。

该电厂海水淡化系统微滤膜设计有三种清洗方法:(1)每30min进行一次气水联合反冲洗；(2)每天采用一定浓度的NaClO进行一次维护性清洗；(3)当透膜压差超过100 kPa，进行化学清洗。

根据不同的污染情况选用不同的清洗措施，化学清洗时应根据污染物的性质以及膜本身的性质来选择合适的清洗液配方。选择清洗液的时候，既要考虑到能够去除膜污染物，同时又不至于给膜带来腐蚀作用。该海水淡化系统以无机盐垢为主的污染，根据厂家的技术手册，选用2%柠檬酸进行酸洗，辅以2000mg/L NaClO+1%NaOH进行碱洗。

4.2 清洗效果

通常条件下，每套微滤膜运行30min进行一次反洗步骤，反洗使用清水反洗和空气擦洗同步进行，反洗水量380m3/h，反洗气量为0.8m3/min，反洗历时约5min。反洗/气洗结束后，系统紧跟着进行一次正向冲洗，反洗后进水透明管上深褐色的污垢没有明显的溶解或脱落。观察微滤装置的运行数据可以发现反洗后产水量略有上升，跨膜压差也有一定程度的下降，由此可知气水联合反洗对于超滤膜性能恢复有一定作用，但随着污染程度的加剧，性能恢复的效果逐渐降低。通过现场对比试验还发现，减少反洗间隔时间、加大反洗流量、延长反洗时间可以提升气水联合反洗的效果，但同时也会降低微滤装置的回收率，经济性较差。

微滤膜每运行24h进行一次1～2h的维护性清洗，采用NaClO溶液进行循环清洗。2009年3月以前使用400～500mg/L浓度的清洗液，3月以后使用900mg/L浓度的清洗液，循环清洗时配合了空气擦洗措施。维护性清洗后在同一个产水量的条件下，低浓度时透膜压差并没有明显下降，加大浓度后产水流量略有增加，清洗效果不明显。采用不同浓度次氯酸钠维护性清洗前后单支膜标准化产水量(按照100 kPa和25℃作为测试标准下的产水量)对比如图2所示。

图2 维护性清洗前后标准产水量变化Fig.2 Changes before and after EFM

微滤化学清洗采用先碱洗后酸洗的清洗方式，清洗流量为75m3/h。碱洗使用1%的液碱和2000mg/L NaClO混合溶液循环120min，然后浸泡120min。酸洗使用2%的柠檬酸循环80min，最后使用清水对整个微滤系统进行冲洗。以现场的4#、6#微滤为例，清洗前后的数据对比如表3所示。

表3 化学清洗前后性能恢复情况Tab.3 Changes before and after CIP

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通过以上不同清洗方法可知，随着产水量的累计增加，膜的污堵逐步加深，膜的产水通量不断下降。日常的气水联合反冲洗和维护性碱洗，能在一定程度上减缓膜的污堵，但对各类污染的恢复效果有限。采取化学清洗措施能有效地对膜元件内部的污垢进行彻底的清除，清洗后膜的使用性能可以恢复到最佳产水状态。在清洗过程中发现，微滤膜的透明短管原有深褐色的污垢，在碱洗循环和浸泡后并没有出现溶解或是剥离现象，而只有经过酸洗后才逐渐溶解脱落，随清洗液被排放。可见，这种深褐色的污垢其主要成分是无机盐类。因此，对于海水淡化微滤系统来说，控制无机盐在膜丝内的沉积量、对微滤膜进行定期的清洗和选择有效的酸洗方法是降低膜的透膜压差，恢复膜通量最有效的措施之一。

5 结论

(1)在海水原水中有效投加杀菌剂的情况下，微滤膜系统能有效减缓有机物和微生物的污染。日常的气水反洗和次氯酸钠维护性清洗，能在一定程度上减缓微滤膜的污堵，有效防止有机物滋生。

(2)在采用反应沉淀池工艺对海水进行预处理的情况下，会产生过量投加絮凝剂发生的后絮凝现象。微滤系统维护性清洗采用碱洗效果有限，在几个碱洗周期之后进行维护性酸洗，可以确保及时定期地对附着在微滤膜丝内部的无机盐进行溶解和去除。

(3)海水淡化系统微滤膜主要污染物为无机盐垢，采用2%质量浓度的柠檬酸进行化学清洗，可以更加充分溶解无机盐类。在清洗结束时由现在设定的一次性清水冲洗改为至少两次淡水冲洗，在清洗后投入运行前采取清水反洗配合空气擦洗措施，以保证膜丝内的污染物得到更彻底的去除。

［1］王世昌.人类需要海水淡化技术［J］.国际学术动态，1997，1(1):13－14.

［2］王华成，吕锡武.微污染水源饮用水处理研究进展［J］.净水技术，2005，24(1):30－32，39.

［3］刘忠洲，续曙光，李锁定.微滤、超滤过程中的膜污染与清洗［J］.水处理技术，1997，23(4):187－193.

［4］韩晓宝.微滤膜的污染与清洗保养［J］.山西电力，2008，2(1):22－24.

［5］张博丰，马世虎.超/微滤膜的膜污染与膜清洗研究［J］.供水技术，2009，12(6):14－16.