反渗透系统物理阻垢试验及经济分析

谢自彬　贾玉强　黄艳

【摘 要】由于各种反渗透化学药剂阻垢剂在使用中受水中的硬度、碱度、铁离子、浊度等影响各不相同，所以采用化学药剂阻垢剂相应控制要求较高，控制或选用药剂不当对反渗透膜的寿命影响很大。普遍使用的阻垢剂均为含磷药剂，加入系统后均有一定的阻垢效果，但同时也带来产生磷酸钙、滋生有机物等问题，而且随浓水排入河流，会造成河流水体的富营养化。所以需选择其他的阻垢方法以取代化学药剂阻垢剂的使用，通过实验研究采用物理水处理技术引入到反渗透制水系统中，取代或部分取代阻垢剂等水处理化学药剂的使用，解决反渗透制水系统的膜污染结垢问题，同时降低药品损耗、减少对环境的污染。

【关键词】反渗透；物理；阻垢

【Abstract】Due to different influence of the hardness， alkalinity， iron ions and turbidity of water to various chemical reverse osmosis scale inhibitors in use， adopting chemical scale inhibitor demands higher corresponding control， and improper control or improper selection of drugs would have a greatly bad influence on the life of reverse osmosis membrane. As commonly used scale inhibitors all contain phosphorus chemicals， when playing a part in scaling after joining the system， they create the problems such as calcium phosphate and breeding ground for organic matter， and lead to eutrophication of water bodies with dense water pouring into the river. Therefore， there is a need to choose other anti-scaling methods to replace the use of chemical scale inhibitors. Physical water treatment technology， which has been through experimental study， is introduced into the reverse osmosis water system， replacing or partly replacing the use of scale inhibitors and other water treatment chemicals and thus solving the problem of scaling and fouling of membrane in reverse osmosis water system， and reducing the loss of drugs and the pollution to the environment simultaneously.

【Key words】Reverse osmosis； Physical； Scale

0 概述

反渗透技术是目前水处理脱盐工艺中最成熟的物理脱盐技术之一，反渗透系统在产出纯水过程中，反渗透膜浓水侧表面易结垢，导致系统的产出水量减少，反渗透膜系统阻力上升，能耗加大等问题。采取的常规控制方法是在运行过程中添加阻垢剂，以减少系统中的水垢。采用化学药剂阻垢相应控制要求较高，控制不当对反渗透膜的寿命影响很大，且阻垢剂运行成本较高。

本文通过实验研究采用物理水处理技术引入到反渗透制水系统中，取代阻垢剂等水处理化学药剂的使用，解决反渗透制水系统的膜污染结垢问题，有效延长反渗透制水系统连续运行时间和化学清洗周期，提高反渗透膜的使用寿命，从而保障制水系统的高效运行，降低制水成本，减少对环境的污染。

1 试验设备及作用机理

1.1 设备组成

物理阻垢技术在循环水、热交换器上已经得到了较广泛的应用，对于反渗透装置的物理阻垢方法较少，本文选用了针对反渗透阻垢的GSGⅡ型阻垢水处理器进行试验。

该阻垢水处理器由控制柜和线圈组成。控制柜内主要是脉冲电磁场发生装置，然后通过导线连接至线圈，线圈缠绕在高压泵出口的反渗透进口管道外。设备安装无需破坏原系统设备。

1.2 物理阻垢机理

该方法是在管道外加一个脉冲电磁波，通过微电脑控制将变频、扫频技术应用于水处理过程，防止新垢生成。垢和水流的接触面上，存在着“溶解”、沉积、再“溶解”、再沉积的动态变化过程。一旦“溶解”和沉积的平衡被破坏，“溶解”大于沉积，垢就逐渐减少；反之沉积大于“溶解”，垢会渐渐增厚。在管道外加一个交变脉冲电磁场，而且是频率有规律从低到高变化的脉冲电磁场，所产生的磁力线对管内水流进行垂直切割，使水自然存在的大缔合体状态（水分子由结合健相联）的结合键被深度打断，离解成活性很强的单分子水，从而改变了水的物理结构和特性，增强了水分子的极性，增大了水分子的偶极距，提高了水对Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-等离子的水合能力，减慢了这些离子的活动速度，减少了它们彼此碰撞结合的机会，同时又在众水分子包围之中，受水单分子的阻挡无法接近管壁，水中的Ca2+、Mg2+离子在交变脉冲电磁场的作用下，将通常150μm的晶体减小到20μm左右，这样大小的晶体其结构变得松散，不易形成附着沉积的针状晶体而顺水带走，起到防垢作用。

1.3 不同阻垢方法实验室对比

在实验室条件下，单独使用阻垢剂、单独使用物理水处理器、以及阻垢剂和物理水处理器联合使用时，反渗透系统回收率随时间的变化曲线。

从图1可以看出，物理水处理器有一定的阻垢作用，物理水处理器与阻垢剂联合处理较单独使用阻垢剂或物理水处理器的效果更好，联合处理显著提高了反渗透系统的回收率。物理水处理器与2ppm阻垢剂联合处理可以取得较好的阻垢效果。

2 应用实例分析

选某电厂2、3号反渗透进行为期半年的对比试验，于2013年8月对2、3号反渗透同时清洗，通过调校浓排阀门，将回收率调到约75%，此时两套反渗透设备各项参数起始状态基本一致。运行中2号反渗透保持添加阻垢剂（2.5ppm PT0100），3号反渗透改用物理阻垢器（GSGⅡ型），停止添加阻垢剂，试验期间于12月份再次对2、3号反渗透同时清洗，试验期间参数对比分析如下

2.1 根据反渗透出力对比分析

通过图2反渗透出力数据对比图表可以看出，使用物理阻垢器的反渗透装置出力始终高于药物阻垢的反渗透装置。在同等的压力下，每小时能够多产水3～5吨/小时，减少运行时间10%～20%，达到增加产水量的目的。

2.2 根据反渗透一段压差对比分析

根据图3反渗透一段压差变化对比图表可以看出，使用物理阻垢的反渗透装置一段压差始终低于药物阻垢的反渗透装置。说明起到了阻垢的作用，并且优于药物阻垢。通过物理阻垢可以减少水中含盐量，亦可起到防止微生物繁殖的作用。

2.3 根据反渗透二段压差对比分析

根据图4反渗透二段压差变化对比图表可以看出，使用物理阻垢的反渗透装置二段压差与药物阻垢的反渗透装置变化基本一致，物理阻垢能达到药物阻垢效果。

3 效益分析

反渗透系统中采用物理水处理器取代阻垢剂阻垢，可以直接减少下面三方面的开支：阻垢剂年消耗费用R1（元/年）、反渗透膜清洗周期延长而节约的清洗费用R2（元/年）、提高产水率后节约的水费用R3（元/年），延长反渗透膜的使用寿命的节省费用R4（元/年）。将物理水处理器的年运行费用记作R5（元/年），那么反渗透系统采用物理水处理器取代阻垢剂后每年可节约的费用R为：R=R1+R2+R3+R4-R5。

其中：R1为阻垢剂年消耗费用，电厂目前使用的阻垢剂单价为43000元/吨，2010年～2013年平均每套反渗透40000元。

R2为系统采用物理水处理器后因反渗透膜清洗周期延长而节约的清洗费用。可将原膜清洗周期6个月延长至12个月以上，按12个月计算，则每年节约1次清洗次数，相应的可以节约清洗费用：1×每次反渗透膜清洗费（3000元/次）。

R3为提高回收率后每年多产水的费用，一般安装后平均能使回收率提高5%以上，按5%计算，每天能多产水24*100*5%=120吨（每套反渗透的进水量是100t/h），按每年运行时间180天运行计算，每年可多产水量为21600吨，每吨RO水以3元计算，即64800元。

R4为有效延长反渗透膜的使用寿命而节省的费用。一般反渗透膜的使用寿命为3年，使用较好的情况下可以用5年。根据现场实际使用情况，更换周期平均为4年，使用物理阻垢可使反渗透膜的使用寿命延长至6年以上（因降低了运行压力，减缓了膜的压实速度，减少了化学清洗）。反渗透系统（70t/h出力）采用一级二段式，其中一段和二段共有14组膜，每组膜又由串联的6支8寸膜组成，价格约4000元/支左右，系统的反渗透膜共计14×6=84支。假设使用物理水处理后可延长反渗透膜的使用寿命2年，则每年可节约平均购膜费用（设反渗透膜的使用寿命为4年）：4000（元/支）×84（支）÷4-4000（元/支）×84（支）÷6（年）=84000-56000=28000元/年。

R5为物理水处理器的年运行费用，主要为年消耗的电费：物理水处理器年耗电量（0.2KW×24×365=1752度/年）×厂内电价（0.3元/度）。

反渗透系统中采用物理水处理器取代阻垢剂阻垢，可以使电厂直接减少阻垢剂药品年消耗费用，阻垢剂年消耗费用按70吨出力反渗透计算，年使用阻垢剂量约为2.5吨，阻垢剂单价为50000元/吨，阻垢剂年消耗费用为13.5万元，需1.5年左右回收成本（物理阻垢装置20万元/台）。同时还可以减少反渗透膜清洗费用、提高反渗透系统出力等。

物理水处理器的使用能带来一定的社会效益。反渗透阻垢剂的主要成分一般为有机磷，在使用过程中，阻垢剂将随浓水排入河流，从而造成河流水体的富营养化。物理水处理器的使用可以起到节能减排的作用。

4 结论

物理阻垢替代或部分替代传统阻垢剂有利于提高反渗透系统的阻垢效果，且效果优于药品阻垢，还有效增加了反渗透装置出力，延长清洗周期，降低反渗透运行成本，同时停用阻垢剂有利于节能减排。借鉴试验经验，物理阻垢与阻垢剂联合处理是一种更好的反渗透系统阻垢方式，现采用反渗透物理阻垢技术还较少，是否适合各厂实际情况，使用前需进行现场试验。

[责任编辑：汤静]