海水淡化超滤及反渗透膜运行寿命优化研究

何雁鸣，尹柱良

(广东惠州平海发电厂有限公司，广东 惠州 516300)

海水淡化系统在某电厂得到良好应用，在解决机组生产用水的同时，还顺应了国家的发展战略。该电厂海水淡化系统投运以来，累计减少使用自然界淡水超过450万吨以上，长寿命运行带来的增量效应达到225万吨以上。该电厂海水淡化系统长寿命运行管理为海水淡化的可持续发展提供了典范。

1 海水淡化系统概况

某电厂生产用水全部为海水淡化产水，采用膜法制水，系统包括2台斜板沉淀池预处理系统、8套超滤膜系统、3套一级及2套二级反渗透系统。一级反渗透装置产水用于全厂杂用水系统及脱硫系统供水，二级反渗透装置出水主要用于锅炉补给水系统供水。系统膜组主要参数见表1。

表1 海水淡化系统膜组主要参数

2 海水淡化系统运行状态介绍

某电厂海水淡化系统自2010年5月份投入运行至今已服役近11年之久，经过运行检修人员精心维护及不断的调整与试验，取得了良好的运行效果。目前，除了2016年4月和2019年12月各换过一套一级反渗透膜外，其余膜组均未更换过，海水淡化膜系统的寿命相较于设计年限得到了较大幅度的延长，相关数据如表2。

表2 海水淡化膜系统运行统计

3 超滤及反渗透膜寿命优化技术方案及应用

该电厂针对不同膜系统的特点，采用差异化的管理方式来延长超滤及反渗透膜系统寿命。

3.1 超滤膜系统

超滤系统作为反渗透系统的前端的预处理系统，其主要目的是去除水中的各胶体悬浮物、病毒细菌等物质，为反渗透膜系统的长期稳定运行提供保证。

该电厂超滤系统自2010年5月投产运行至2020年9月，公司委托超滤膜厂家对单支超滤膜进行了性能试验，以检查膜组件使用情况以及推测膜组件可使用寿命，结果如表3：

表3 超滤膜丝拉伸试验数据

表3中拉伸度是指膜丝被拉伸至断裂时膜丝长度的增量，拉伸强度是指膜丝被拉伸至断裂时所施加的最大应力，保持率是指将未使用时的膜丝物性值设定为100%的比率。上表数据为内外膜丝在清洗前检测结果，总的检测数量为为不小于十次。

分析表3的数据可知，此次检测的膜组件中，内、外侧膜丝的平均拉伸强度保持率为89.9%，平均拉伸度保持率为67.1%，拉伸强度保持率年下降率为1.1%左右、拉伸度保持率年下降率为3.3%左右，预计超滤系统再运行2-3年，拉伸度保持率将达到60%以下。一般情况下，膜丝的拉伸度保持率、拉伸强度保持率在60%以下建议更换膜组件，膜丝拉伸度、拉伸强度下降后会增加膜断丝的风险，影响超滤产水水质。

上述膜丝检测报告结果肯定了该电厂超滤系统良好的设备管理对膜组寿命的积极影响，下面就从超滤系统日常运行管理、清洗优化等几个方面介绍该电厂超滤系统管理工作。

3.1.1 提高预处理沉淀池水质，确保超滤进水水质良好

根据设备的参数，结合该电厂所处海域的水质特点，海水淡化各系统在设计时对其产水指标做了相应的要求，海水淡化预处理沉淀池设计产水水质要求见表4。

表4 预处理沉淀池产水指标

设备投运以来，我们通过运行调整，不断优化预处理沉淀池产水水质，尤其是近几年面临着预处理沉淀池斜板已服役超过11年的情况下，运行人员仍通过以下三种主要手段，确保水质优良，使预处理沉淀池的水质指标常年控制在范围内。

1)强化巡检监督，降低产水浊度。预处理沉淀池设计时无在线余氯检测仪器，为了保证沉淀池次氯酸钠加药正常，运行人员通过定期对加药泵排气、每班检测清水池余氯、每班上沉淀池检查水质情况等，确保水质优良。

2)根据季节特点动态调整杀菌剂的加药量。海水中的微生物根据季节的不同，有不同的生长周期，运行人员根据长期的经验积累，每年针对不同时节，动态调整次氯酸钠的加药量，在保证药效的同时，减少了药剂的使用量。

3)严格执行定期排泥等工作。由于沉淀池斜板的老化、污堵，其截留的污泥已无法正常下落，运行人员采取定期清理沉淀池、每班进行手动排泥操作，减缓了积泥的沉积，减少了出水矾花的携带。

预处理沉淀池良好的产水水质，大大减轻了超滤系统的过滤负荷，为其长寿命运行提供了可靠的保证。

3.1.2 优化超滤膜系统化学清洗方案，确保膜性能的恢复

超滤膜系统投运初期，由于膜性能较好，其性能恢复能力较强，通过设备厂家提供的常规化学清洗方法即可达到设备要求，然而随着膜丝内部顽固性的有机物、无机物越来越多，常规的清洗操作已无法达成膜性能的恢复，自2015年以来，我们不断的试验、调整清洗方案，通过优化研究和应用化学清洗方案，有效的延长了膜系统运行寿命。表5为投运初期到现在的超滤清洗主要控制参数变动的情况。

表5 超滤系统主要清洗控制参数调整

鉴于超滤膜组的老化及永久性附着物的长期累积，从2020年开始，除了采用常规清洗方法外，我们还定期采用深度清洗方法，以除去超滤外侧膜丝内表面少量的Al、Fe垢类的残留，主要特点是酸洗过程中添加了柠檬酸，并增加了酸碱洗的浸泡时间。

对比发现，超滤系统采用深度清洗方案，超滤的周期制水量平均约可增加30%左右。

3.1.3 做好系统运行调整工作，确保系统良好运行工况

我们根据超滤膜系统的特性及运行经验，对系统运行参数不断的进行优化，主要体现在以下几个方面。

1)将系统运行压力由 0.14 MPa 逐步提高至 0.16 MPa。运行压力的提高增加了膜系统的流动性，有助于减缓固体物质的沉积。

2)及时进行维护性化学清洗。针对超滤膜的要求制定了超滤膜清洗条件，对达到清洗条件的膜组及时进行清洗并对清洗质量严格要求。超滤系统化学清洗的条件如表6所示。

表6 超滤系统化学清洗的条件

3)做好辅助设备的维护工作。我们定期测试超滤保安过滤器的运行情况，保证设备可靠运行。针对超滤反洗保安过滤器滤芯堵塞导致反洗水量下降的情况，制定反洗水量下限，达到条件即进行滤芯清理。

以上措施与改善沉淀池水质、优化超滤清洗方案等共同促成了该电厂超滤系统长寿命运行。

3.2 一级反渗透系统

反渗透系统是海水淡化系统中核心除盐设备。该电厂一级反渗透系统自2010年7月投入生产运行，2号一级反渗透2016年4月更换一套膜组，3号一级反渗透膜组于2019年12月进行更换，1号一级反渗透膜组计划2019年更换，因备件原因，暂未更换。该电厂一级反渗透膜组较长的使用寿命，主要得益于以下几个方面：

3.2.1 做好前级水处理工作，减轻系统运行压力

超滤系统的优质产水是保证一级反渗透良好运行的重要因素。上文已阐述超滤系统的运行管理内容，正是由于运行维护到位，才使得超过正常服役期限的超滤系统仍保持良好的产水水质，为一级反渗透良好运行奠定基础。

3.2.2 做好一级反渗透膜化学清洗工作，保持系统良好出力

针对一级反渗透膜组对温度的敏感性，该电厂于2015年开始制定不同季节温度下一级反渗透的清洗条件，如表7。当达到清洗条件时，及时清洗并对清洗效果严格验收。减缓垢类永久沉积是延长一级反渗透膜组寿命的重要手段。

表7 一级反渗透系统化学清洗的条件

3.2.3 做好加药调整工作，维持膜系统良好的化学工况

根据一级反渗透膜的特性，该电厂一级反渗透入口连续添加还原剂和阻垢剂，以维持一级反渗透膜良好的化学工况。

1)该电厂一级反渗透膜为芳香聚酰胺复合膜，具有在氧化性工况下分解的特性，为此我们在一级反渗透入口设置了还原剂加药点，药品种类为亚硫酸氢钠。一级反渗透入口母管安装1台ORP监测仪，用于在线监测还原剂加药情况，另外，每个班还需手工化验一次一级反渗透入口母管水源的余氯，确保进入一级反渗透的水质余氯小于 0.1 mg/L。

2)阻垢剂主要成分为有机化合物，其作用原理是增大易产生结垢化学物质在海水中的溶解性，例如碳酸钙及硫酸钙等物质的结垢析出，从而阻塞膜通道，特别是碳酸钙或硫酸钡(barium sulfate)和硫酸锶(Strontium sulfate)结晶。同时它也可以对细小的胶体颗粒起到分散作用，防止堵塞膜孔。该电厂阻垢剂的加药量严格按照设备的要求进行添加，加药浓度控制在3-5 ppm。

3)还原剂计量泵和阻垢剂计量泵运行信号作为一级反渗透运行的必要条件，保证加药的可靠性。

4)根据运行经验，阻垢剂溶液长期存放会生成絮状沉积物，该物质会附着在一级反渗透保安过滤器滤芯及反渗透膜表面，降低系统水通量，为此该电厂制定了严格的系统切换与清洗工作，大幅减少了此类现象的发生。

3.3 二级反渗透

鉴于前级系统运行的稳定性和可靠性，该电厂二级反渗透系统一直维持在较高的运行水平。表8为二级反渗透最近2次海水淡化定期查定的平均数值。

表8 二级反渗透系统定期查定报表

二级反渗透系统本身不添加维护性药品，运行的重点工作集中在参数的控制和化学清洗的执行方面，二级反渗透系统的长寿命运行正是基于以上两点实现的。

4 结束语

除了各系统的化学清洗外，该电厂还采用在线杀菌的方式，实现海水淡化的清洁维护。具体方法为每月用专用非氧化性杀菌剂投加在超滤产水箱内，控制药品质量分数为 100×10-6左右，维持海淡系统运行1小时以上。此种方法可以对一、二级反渗透系统实施全过程冲击性杀菌，可有效杀灭反渗透进水的细菌，减轻一级反渗透保安过滤器、一级反渗透膜装置及二级反渗透系统的微生物污染。

海水淡化作为节约及再生水资源的一条重要途径，其系统具有水质水量稳定、基本不受气候影响等特点，可在一定程度上解决部分地区水资源短缺等问题。该电厂海水淡化系统自投产以来，不断优化研究运行调整、化学清洗方案，通过实施应用，产水水质稳定，设备寿命与设计比较得到大幅度延长，明显提高了设备的可靠性和具有很好的经济效益。通过几项关键技术的创新研究与应用，形成了规范的海水淡化膜系统寿命管理，该电厂海水淡化系统的运行寿命大大超过了设备设计寿命，也比同类型膜用户的使用寿命有了较大幅度的提升，具有较高的推广价值。