反渗透海水淡化技术的发展与应用

反渗透海水淡化技术的发展与应用

反渗透膜是一种功能性半透膜，通过外压将溶剂分子渗透，并从溶解分子中分离出来。反渗透是最精密的膜法液体分离技术，它能阻挡几乎所有溶解性盐及分子量大于100的有机物，但允许水和微量盐分透过。水处理系统进水中存在各种形式可导致反渗透和纳滤膜表面污染的物质，如水合金属氧化物、含钙沉淀物、有机物及生物。污垢就是指覆盖在膜表面上的各种沉积物，包括水中的结垢物。1反渗透膜浓缩法反渗透技术自20世纪50年代末60年代初发展成为实用的化工单元操作以来，正不断地拓展其应用领域和规模，反渗透早起主要应用于脱除海水和苦咸水中的盐分，制备淡水；纳滤主要用于软化，脱除有机物和高附加值物质的浓缩分离。由于淡水资源短缺，工业生产对水的需求量越来越大，对水质要求越来越高，同时社会对节水、节能、环保等的高要求，膜法在工业领域应用越来越普遍和广泛。1.1反渗透技术在各个领域的应用反渗透海水膜最早应用于海水淡化脱盐制备淡水，为海水淡化的最主要方法之一。国外早在20世纪40年代就开始了反渗透技术的研究，从试验到生产。到80年代，反渗透技术在各个领域得到广泛应用。在国内，虽然反渗透技术已经在某些领域得到了一定的应用，但是由于起步较晚，使得反渗透技术在舰船上的应用受到限制，所以，目前舰船上所用的纯水绝大多数还都是蒸馏法生产的，反渗透海水淡化技术还没有得到普遍应用，但是由于反渗透海水淡化方法具有其他方法无法比拟的优点，已经越来越受到重视，目前已有反渗透海水淡化装置装船实际使用。1.2城市发展中的水回用问题随着经济和社会的快速发展，部分城市出现了严重缺水的现象，影响了人们的正常生产、生活用水。为了解决生产用水问题，城市中水回用系统得到广泛发展，如电厂、煤化工、石化等企业都需要不同水质的回用水。反渗透中水回用设备是以反渗透技术为核心处理污水并达到非饮用水标准，作为生产所需再生水回用的装置。反渗透中水回用设备不仅仅可以应用于食品行业，也可以电镀行业中的中水回用、化工行业中水回用、石化行业中水回用等领域。1.3节能反渗透膜处理水等所需要的水质随着用水水质要求不断提高，例如电子行业、锅炉补给水等所需要的水质要求较高，低压节能反渗透膜可去除脱盐水中的大部分离子，产水经过离子交换或者EDI装置可达到15ΜΩ以上（甚至是18ΜΩ）的水质。1.4纳滤反渗透分盐工艺随着排放标准的提升，有些行业污水需要零排放或者近零排，随着水中离子浓度的增加，水质腐蚀性增强，到蒸发结晶单元过流材质甚至需要钛材，所以前端工艺需要尽量将水量浓缩到最小，降低后端造价，通过纳滤膜分盐，高压反渗透（STRO）、碟片式反渗透（DTRO）可将水量浓缩至最低。2反渗透膜清洗频繁从反渗透膜在水处理中的应用可见，目前反渗透膜的应用非常广泛，但由于各行业水质差别较大，加之设计负荷较大，运行不规范等种种原因，导致反渗透膜污染较严重，清洗频繁，甚至出现在线清洗不出来的现象。2.1膜元件的污染和维护反渗透运行一段时间后，反渗透膜元件会受到给水中可能存在的悬浮物、难溶盐、胶体等物质的污染，这些污染中最常见的是碳酸钙沉淀、硫酸钙沉淀、金属(铁、锰、铜、镍、铝等)氧化物沉淀、硅沉积物、无机或有机沉积混合物、NOM天然有机物质、合成有机物（如阻垢剂/分散剂，阳离子聚合电解质）、微生物（藻类、霉菌、真菌）等污染。污染性质和污染速度取决于各种因素，如给水水质和系统回收率。通常污染是渐进发展的，如不尽早控制，污染将会在相对较短的时间内损坏膜元件。当膜元件确证已被污染，或是在长期停机之前，或是作为定期日常维护，建议对膜元件进行清洗和维护。及时清洗可以确保反渗透产水量和产水水质；另外某些污染物若不及时清洗，时间久了无法进行彻底清洗，导致清洗效果很有限。污染严重或污染物复杂等情况建议及时进行离线清洗。2.2反渗透膜运行参数的检查及清洗观察反渗透运行参数，保持稳定的运行参数主要是指产水流量、产水电导、回收率、温度及TDS。如果这些运行参数起伏不定，建议检查是否有污染发生，或者在关键运行参数有变化的前提下，反渗透的实际运行是否正常。（1）反渗透膜通过在线清洗装置难以达到清洗要求；（2）反渗透膜元件污染经过判断符合“重度污染”情况；（3）反渗透污染通过在线清洗容易引起交叉污染的。3反渗透膜的离线清洗定时监测系统整体性能是确认膜元件是否已发生污染的基本方法。污染对膜元件的影响是渐进的，并且影响的程度取决于污染的性质。当膜元件仅仅是发生了轻度污染时，重要的是清洗膜元件。重度污染会因阻碍化学药剂深入渗透至污染层，影响清洗效果，重度污染需将膜拆下离线清洗。通常通过离线清洗，反渗透系统在提高产水量和降低压差效果都非常好。清洗何种污染物以及如何清洗要根据现场污染情况而进行。对于几种污染同时存在的复杂情况，清洗方法是采用酸性、碱性专用清洗液交替清洗。3.1反渗透膜元件清洗检测离线清洗是将反渗透主机膜壳中的污染严重的反渗透膜拆下来，装入离线清洗装置中进行清洗，同时在清洗前后用专用的反渗透膜元件性能测试设备对膜元件的性能进行检测，根据检测结果确定清洗手段和判断清洗是否合格。离线清洗装置由清洗水箱、清洗水泵、清洗保安过滤器、测试清水箱、测试高压泵、测试保安过滤器、1芯膜壳及相应管道阀门仪表组成的撬装设备。3.2反渗透膜清洗测试反渗透膜离线清洗，是发生重度污染的反渗透膜元件，需要采用的清洗手段。反渗透膜离线清洗的步骤如下：(1）分析反渗透装置运行状况，通过运行数据、水质报告等定性分析判断反渗透膜的污染性质及严重程度。(2）记录清洗前反渗透膜运行数据，采集运行反渗透系统的各参数指标，作好原始记录。(3）准备拆装膜所需工具，并提前准备好替换用的膜元件。(4）将反渗透装置第一支膜和最后一支膜拆下，用性能优良的备用膜元件替换反渗透系统上的待清洗膜元件，以保证反渗透系统不停止运行，保证整个生产工艺的持续稳定。(5）根据用户原水分析报告、运行数据、污染物的鉴定等确定所需清洗配方和清洗方法。(6）对清洗后的膜元件进入测试平台进行测试并作记录。(7）整理清洗数据资料，写出清洗总结报告。3.3清洗液循环过流系统反渗透膜离线清洗与在线清洗药剂相同，针对污染物质不同清洗总体分为酸洗和碱洗。清洗方法如下。(1）酸洗。配置酸性清洗药液，把酸性清洗水箱注入一半水，加入2%～5%左右（根据实际膜污染程度定加入的药剂浓度）的专用酸性膜清洗剂，将清洗水箱水注满。开启清洗泵让药液在清洗罐内循环5～20min，使药液充分混合溶解，调节清洗液温度30℃，配药和循环过程中要通过加酸性清洗剂调pH值。药液进入系统，初期清洗液进入系统应缓慢进入，保证进水流量为清洗流量一半即可，并保证低的进水压力，将系统内的水缓慢赶出反渗透装置，并要排掉最开始进入系统内的清洗液，待排放口出清洗液后关闭排放，让清洗液循环回清洗水箱，如清洗水箱内的药液被稀释应及时补充药液，保证清洗液浓度，注意监测回流液状态，杂质多时要及时排掉，更换药液。(2）冲洗。酸洗/碱洗交替时应冲洗干净后更换药剂，清洗完毕后，停清洗泵，开启冲洗进水阀，开启冲洗排放以及不合格水排放阀门，用清水箱内的水冲洗膜至中性。冲洗结束后依次关闭反渗透冲洗进水阀，不合格水排放阀，浓水排放阀。关闭泵。清洗整体说明：确认阀门开启正确后，开启清洗泵开始清洗，清洗泵出口清洗流量每根膜壳至少9m清洗过程中注意温度和pH值应相匹配，苦咸水膜pH在1～10.5时清洗液温度最高温度45℃，pH在1～12时清洗液温度最高温度35℃，pH在1～13时清洗液温度最高温度25℃。3.4在线清洁效果表1和表2数据为某现场清洗前后的数据记录。4离线清洗系统的运行维护目前的反渗透膜元件清洗中，离线清洗作为有效的彻底消除反渗透膜元件污染的手段已经得到了广大反渗透用户的接受，而且正在成为越来越重要的反渗透膜元件的清洗手段，与在线清洗相比较，离线清洗有着下列优势：(1）在线清洗过程中，设备需要停止产水运行，处于清洗循环状态，直至清洗结束为止，才能转入正常运行；离线清洗过程中有替换膜在设备中保证连续正常产水，不会因为清洗过程中突发情况或时间延长而影响设备运行。替换膜的性能一般不能低于在线运行的膜元件。(2）在线清洗过程中，整支膜壳中的几支膜元件串联清洗，前端膜元件清洗下来的污染物必须经过后端的每一支膜元件后才能排出，使得清洗不彻底，且会形成交叉污染情况；离线清洗为单质膜元件单独清洗，污染物直接清除膜元件，不会造成串联污染。(3）在线清洗过程中，只能通过运行数据对清洗系统状态有一个大致的了解；离线清洗中可以直观对整个膜壳及每一支膜元件的状态进行具体分析，以使系统运行得到更好的完善。(4）在线清洗过程中，只能根据整个系统运行状况进行方案定制和清洗操作，每一次清洗只能用一种药剂对系统中所有膜元件进行清洗，且清洗时间、清洗温度、清洗条件一样；离线清洗可真对膜元件在系统中的位置、污染情况、污染程度的不同以及膜元件的性能衰减情况，选择不同清洗药剂，制定不同清洗方案，随时调整清洗措施、药剂种类、药量及清洗顺序，以达到最大程度的彻底清洗恢复。(5）通过在线清洗，只能部分恢复整个系统的运行状态；离线清洗不仅可恢复每支膜元件性能，并且可以在测试过程中对膜元件进行性能筛选，将以不可用的膜元件挑出。(6）在线清洗过程中，清洗液充满整个系统，使从污染物严重的膜元件上剥离下来的污染物重新循环至系统，对比较干净的膜元件造成二次污染的隐患；离线清洗可根据污染程度不同将不同膜元件分类清洗，保证每支膜元件清洗彻底。(7）在线清洗过程中，要达到清洗效果通常只能加大药剂用量，或延长清洗时间，通过化学作用对污垢进行溶解性清洗，这就会对膜元件的安全造成一定威胁，而对一些不溶性的机械杂质没有任何作用；离线清洗可以增加清洗流量，通过对单质膜元件进行正反向大流量冲洗，可最大限度的将污染物冲出膜体。(3）碱洗。(1)把碱清洗水箱注满水，水温加热到30～40℃（温度范围见下文清洗的整体说明），加温时要保证水箱满水，系统循环时关闭加热器，避免药液超温。加入2%～5%左右（根据实际膜污染程度定加入的药剂浓度）的碱性清洗药剂，注意配药方式避免大量泡沫的产生。开启清洗泵让药液在清洗罐内循环5～20min，使药液充分混合，调pH在12，水温控制在35℃。再循环过程中清洗液pH值会发生变化，应及时添加少量液碱调整保证p