膜系统故障的诊断与防治

刘亚丹

摘要：膜系统存在的问题一般有化学裂化、物理破损、膜性能的下降等表现。脱盐率下降是比较具有代表性的现象，表现为产水电导率上升、运行压力增加、压力损失增加等。膜元件表现的问题有时是膜元件自身以外的原因导致的故障症状。在调查原因时，一般是主要精力集中在選择抗污染膜、选择适宜孔径的膜、对水样进行预处理等分析上。通过对原水水质的分析及运行记录的查阅，在发现膜系统发生故障时，对取得正确判断是不可缺少的。

Abstract： The failure of the membrane element usually appears as membrane performance degradation， physical damage and chemical cracking. A more representative phenomenon is the decrease in the salt rejection of the membrane element（water conductivity increases），change in water production（increase or decrease in operating pressure）and increase in pressure loss（pressure difference）. Symptoms of failure that occur outside the membrane element itself are often also present on the membrane element. Therefore， when investigating the reasons， it is often always focused on the selection of anti-contamination membranes， the selection of membranes with suitable pore sizes， and the pretreatment of water samples. When the membrane system is found to be faulty， it is indispensable to obtain a correct judgment by checking the operation record and analyzing the raw water quality.

关键词：膜分离;诊断;膜污染

Key words： membrane separation;diagnosis;membrane fouling

中图分类号：TH137.7                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）01-0274-03

0  引言

膜分离技术的核心就是选择透过性的薄膜，是在20世纪30年代开始兴起的技术，通过动力推动达到提纯、浓缩和净化的效果。膜出现的问题主要有膜面污堵、化学破坏、细菌生长等情况[1]。其一般性机理是膜面上污染物质的沉淀与积累：包括溶解性盐和悬浮固体在膜表面的富集、胶体和可溶性高分子有机物的吸附与微生物的粘附生长以及新陈代谢产物形成的污垢。使水透过膜的阻力增加，导致膜产水量及水质的下降。

1  故障诊断

1.1 诊断顺序

①检查运行记录：确认系统运行状况、条件，查看运行参数;

②分析运行数据：确定系统通量下降部分，检查产生问题的膜组件，查看其外观及连接件的密封圈是否完好等情况;

③进水水质分析：COD、BOD等常规有机物指标有无超标现象;

④对问题膜元件进行性能检测（膜元件的分析、物理化学清洗测试）。

1.2 膜系统诊断

1.2.1 数据记录符合规定、标准化运行参数

在日常运行中，当膜系统出现性能下降的表象时，及时反馈及迅速地采取措施尤为重要。因此在日常工作中，准确、按时记录实时运行参数，并通过图或表的形式将参数标准化，对实际生产指导起到事半功倍的效果。

1.2.2 原因推断

膜元件出现故障的原因多种多样，最具代表性的是膜劣化和膜污染两种情况。根据造成污染原因的物质种类，就其性能随时间推移变化模型简单介绍，如图1所示。

1.2.3 膜系统的故障现象、原因以及解决措施

在确认运行条件和运行记录后，为了进一步明确膜元件运行的情况，掌握性能下降的表象，分析污染物种类，抓住性能下降原因，寻找对策并防止膜污染。

2  控制膜污染的有效方法

导致膜元件污染的原因可能有：悬浮物质、溶解物质以及微生物繁殖等，见表1。膜系统的预处理系统需去除这些污染物质，尽量降低膜污染的可能性。一般，可能造成膜污染的原因主要有：①新装置管道中污染物质：焊接管道时的残留物质、油类、未清洗干净的管道灰尘;②预处理装置不满足使用需求;③化学药品投加量错误或加药设备发生故障;④手动操作失误;⑤停止运行时未作冲洗保护;⑥水源水质发生变化。

防止膜污染，应根据其产生的原因而使用不同的方法。具体方法如下。

①增加预处理环节：在使用膜处理之前首先除掉使膜性能发生变化的物质或因素。

②开发抗污染膜组件：开发耐老化、或者难以引起附生污垢的膜组件。

③加大流速：可以防止形成凝胶层和固结层。

对于已经成型的附着层膜可以通过洗涤过程来改善膜分离效果。洗涤法分为以下两种。

①化学洗涤：根据附着层性质，洗涤剂可以选用EDTA、表面活性剂、酶洗涤剂和酸碱洗涤剂等。

②物理洗涤有泡沫球擦洗、水浸洗、气液清洗、超声波处理和电子振动法等。

表1列举了适于不同膜污染物质对象的常规处理方法。

2.1 选择合适的抗污染膜材

污染物吸附在膜表面，均与膜本体、表面性质、溶剂种类、污染物质种类及其孔径等因素有关。针对不同性质的污染物，应选择相应的膜材，膜材具有一定的耐污染能力，这样可以有效地减少污染物质吸附在膜表面。

2.1.1 开发抗污染膜材[2]

开发抗污染膜材，研究者的目标是所选膜材应具备良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性，耐酸、碱和微生物侵蚀等。

2.1.2 膜的表面活性

对膜材表面进行改性，可以提高其抗污染性能。例如：由于阴离子的加入，改变了蛋白质与膜表面的静电作用，减少了蛋白质的沉积。

2.1.3 开发复合分离膜

制备了陶瓷聚合物抗污染超滤膜，孔径减小了25～28%，提高了对乳化油的截留率，有效地降低了污染物在抗污染超滤膜上的沉积。

2.1.4 制备共混膜

共混膜是由两种及以上聚合物组成的混合物，是为了克服某一种材料性能上的不足，通常在此材料基础上添加一种或几种物质，才可制备出综合性能较好的共混膜。

2.2 选择孔径适宜的膜

膜的孔隙，应根据实际操作所要求的截留率选择。对于孔径大的膜来说，初始通量大，但是衰减速度快，很容易受到膜污染;对于孔径小的膜来说，阻力大，通量小。所以应权衡利弊，选择合适的孔径膜。

2.3 对原水进行预处理[3]

预处理是指在原水在进入膜之前向其中加入药剂，或增加絮凝、沉淀、过滤流程，或者调整原水的酸碱度以去除污染物，主要去除悬浮物、有机物、胶体物质、微生物以及某些有害物质（如铁），所以必须在膜分离之前增加保安过滤流程。应根据不同水质和不用膜材质选择不同的预处理方法。例如：对含有难溶盐的水质来说，可以添加阻垢剂等方法;对于黏度高的水质来说，可通过添加合适药剂大道降低黏度目的，通进而改善水的流动性能以提高去除效果;对于悬浮物含量较高的水质，可用砂滤（石英砂和无烟煤双层滤料）、微滤或加混凝剂等方法;对于微生物高的水质，可进行紫外线杀菌或添加杀菌剂（氧化性杀菌剂如：液氯、二氧化氯、臭氧等;非氧化性杀菌剂如：氯酚类、季铵盐类等），以免膜受微生物侵蚀。

2.4 设计抗污染的膜组件[4]

在设计膜组件过程中，经常采用合理的流道结构，或减少流道横截面积等，这样便于增加水力速度，及时带走截留附着杂质，使流体处于湍流状态。除此之外，应注意减少死角，防止污染物质聚集形成短流。

2.5 强化过滤操作

2.5.1 改善膜界面的流体力学条件

改变膜界面的水力条件，可以通过采取提高水流速度或者使用湍流促进器等措施，这样可以减小膜界面流体边界层厚度，降低浓差极化（大分子溶质则被膜截留，并不断累积在膜表面上，使得在膜表面溶质的浓度大于主体溶液中溶质的浓度，形成浓度差，并促使反向扩散），减小膜污染。

2.5.2 气液两相流动技术

为加强膜过滤过程中的传质效果，以气水作为介质进行气水反冲洗，给膜管反向作用力（与膜分离的进水和出水方向相反），这样可以防止水中悬浮物的沉积，提高过滤效率。

2.5.3 超声波强化超滤技术[5]

超声波是频率大于20kHz的一种声波，在工业中應用广泛，在膜分离过程中可应用于膜清洁、乳化和吹气等，也可以提高膜分离过程中水的流速，可以作为辅助强化手段提高通量，强化超滤过程。

2.5.4 电场超滤技术[6]

电场作用下超滤是一个多效应过程，集电脉迁移、电渗效应和静电排斥于一体，这些效应也可以减少溶质在膜表面的沉积和浓差极化，降低膜污染，增加膜通量恢复率，提高膜性能，较大地改善膜的抗污染能力。

2.5.5 其他操作条件

强化超滤过程，减少膜污染的操作条件与原水的水质特点（水温、pH值等）、水流速度及操作压力等条件息息相关。水温与水的黏度成反比关系，提高原水温度，可以降低黏度，增大扩散系数，提高过滤通量。增大流速可以减少杂质在过滤膜表面的沉积。一般情况下，操作压力增加，过滤膜透过率增加。

3  膜主要清洗方法

由于膜受到不同程度污染后，其通量也开始出现下降现象。为了膜过程可以正常顺利进行，必须及时对膜进行清洗以去除污染物质，恢复膜的性能。主要有以下几个方法。

3.1 反向冲洗

通过采用气水两相流作为反冲洗介质，给膜管反向作用力（与膜分离的进水和出水方向相反），其目的是通过冲洗使膜孔隙内部和膜表面所吸附的杂质脱离滤膜，这样就可以恢复膜通量，重新投入生产。在反向冲洗过程中，如果在对膜面进行快速水流冲洗的同时，又清除了松动的污染层，这样的清洗效果特别显著。反向冲洗在实际工程中，应用广泛，成本低廉，是目前使用最多的清洗方法，同时可以有效去除凝胶层，减轻膜污染。

3.2 负压清洗

负压清洗是利用真空泵的抽吸能力，在膜的功能面一侧形成负压，利用负压和当地大气压的压力差去除膜内部以及膜表面的污染物。

3.3 机械擦洗

采用人工擦洗方式，效率较低，效果差，但是投资少，例如使用超小型海绵球对管式膜进行擦洗。

3.4 化学清洗

在工业企业水的深度处理过程中，化学清洗是较为常用的清洗方法，实际运行中，清洗信号有三种：①在恒压和恒温条件下，水通量下降10-15%;②在恒定通量和恒温条件下，操作压力增加10-15%;③产水水质明显下降，不符合要求。如果三种情况中有一种现象出现，就需要进行膜清洗。即使尚未出现上述现象，通常每隔3～4个月也要清洗一次。采用化学药剂清洗时，应该根据污染物种类和膜本体性质等因素来选择恰当的清洗剂配方，包括一些酸、碱、次氯酸钠等等。选择清洗剂时，应该同时考虑两方面因素，一是能够去除膜表面及膜内部污染物，效果良好，二是又不至于给膜本体带来腐蚀作用，否则本末倒置，损失更大。药剂清洗采用强氧化剂或者酸碱，或者是它们的组合。如可采用2%柠檬酸溶液十氦水、或用稀盐酸等凊洗硫酸钙、磷酸钙以及金属氧化物;采用2.0%（质量分数）三聚磷酸钠溶液、0.8% Na-EDTA（质量分数）溶液清洗钙盐（如硫酸钙）、胶体、微生物等污染物质;采用2.0%（质量分数）三聚磷酸钠溶液、0.25%（质量分数）（质量分数）十二烷基苯磺酸钠溶液清洗天然有机物及微生物。

3.5 超声清洗

利用超声波在水中的空化、加速及直进流作用对污染物进行直接或者间接作用，通过污染物被分散、剥离、乳化以达到清洗目的。工程中选择超声清洗机，空化作用和直进流作用应用得更多。

4  清洗药剂

表2列举了适宜的膜元件酸碱清洗剂。无机污染物（铁污染）的清洗剂使用酸性清洗剂，pH控制在2左右，而微生物在内的有机污染物的清洗剂使用碱性清洗剂，pH控制在12左右。硫酸不应选作清洗剂，因为硫酸会引起硫酸钙沉淀的危险。

5  结束语

膜处理过程中遇到的最主要的问题就是膜污染，也是膜分离技术用于水深度处理过程中需要解决的关键技术。膜污染与原水水质（有机物的种类和数量、相对分子量、悬浮固体、离子强度、pH值和无机离子等）、膜性能（膜表面的亲疏水性和Zeta电位等）。膜污染不可能完全解决，而只能最大限度减缓，并且及时采取适宜的预处理措施是解决膜污染最主要的问题。运行过程中，一旦出现清洗信号应及时进行清洗，立即恢复膜的通量性能。因此，我们应该重视水质对膜污染的影響，预留预处理系统。我国幅员辽阔，水源水质差别很大。特别是水源的污染造成了水中有机物种类和含量大幅增加，与国外相比，使得膜污染的问题在我国面临更严峻的挑战，膜技术在饮用水处理中的应用将任重而道远。

参考文献：

[1]董秉直，曹达文，陈艳，等.饮用水膜深度处理技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]王晓琳，丁宁，等.反渗透和纳滤技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]范瑾初，金兆丰主编.水质工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4]李圭白，张杰主编.水质工程学[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[5]冶君妮，董鹏敏，吴民生，等.超声波-超滤膜技术在油田污水处理中的应用研究[J].煤炭技术，2010，2（12）：178-180.

[6]罗远宏，肖凯军，楼雅青，等.电场作用下荷电膜对多糖溶液的超滤性能[J].水处理技术，2006，32（11）：24-26.