反渗透纳滤膜元件更换方案的探讨

反渗透纳滤膜元件更换方案的探讨

作为处理水处理技术的流行技术，其应用于苦盐处理、海水淡化、废水处理、市政废水处理等领域。然而膜在长期运行过程中，表面会不可避免地被胶体、微生物、杂质颗粒及难溶盐类等物质污染由于膜污染是造成膜性能下降的主要影响因素，所以膜污染的预测和诊断研究是了解膜污染程度、研究膜污染形成机理及预防膜污染发生的关键。膜污染预测和诊断的常用方法主要包括进水污染潜势评价法膜元件经过离线检测、膜解剖及一系列表征后，由剖检结果得到的膜污染诊断结论可以用来评估膜污染状态和膜性能损失程度，从而为膜元件日常维护、膜系统运行优化和膜性能修复提供有效依据1剖检选择、检测和分析膜元件剖检分析流程主要包括对膜元件的选择、检测和分析，具体是指剖检对象选择、物理外观检测、剖前测试、膜解剖及内部检测、膜污染表征及诊断分析五个步骤1.1膜元件选择和剖检分析一套膜系统包含的膜元件数量众多，且分别处在系统的不同位置，想要清楚地了解系统膜污染的情况，需对具有代表性的膜元件进行选择和剖检分析。剖检对象通常选择污染严重位置的第一支膜元件和最后一支膜元件，可分别说明膜污染情况和膜结垢情况。但由于不同膜系统存在处理工艺和运行状况的差异性，所以膜污染分析也可根据需要选择其他位置的膜元件进行剖检。1.2物理损伤检测膜元件的物理外观检测主要包括目测外观检查和元件质量称重。目测外观检查是对膜元件的端盖、端面、膜卷、外缠绕玻璃钢、中心管、密封圈等部位的污染和磨损情况进行观察并作详细记录，通过检查判断膜元件是否存在望远镜现象、玻璃钢破损、O形圈泄漏等物理损伤，为后续规范膜元件运行操作、分析膜污堵或结垢情况提供相关信息；元件质量称重则是根据膜元件前后质量增加情况判断其受污染的严重程度。1.3探针试验和反渗透试验剖前测试主要包括标准性能测试、探针测试和加压染料测试。标准性能测试是测试膜元件在标准测试条件下的产水量和脱盐率，并与出厂性能作比较，评估膜元件的性能变化情况；探针测试是对元件中心管进行分段产水电导率测试，用以检测盐渗漏位置；加压染料测试是对膜元件进行含有红色染料（常用罗丹明）原水的加压测试，若产水显红色说明膜元件存在坏点，并可通过后续膜解剖查看膜面损坏位置。1.4袋、膜卷离网检查膜解剖是对膜元件进行破坏性拆解后，对膜元件进行相关内部检测。内部检测主要包括膜袋、膜卷原水进口端、浓水出口端、浓淡水隔网、膜片表面污染物的检查。一方面可通过膜袋最外侧膜片的折痕判断产水背压现象，另一方面通过详细记录的污染物颜色、性状和气味对膜污染情况进行初判，并对膜样品和污染物分别进行裁剪和收集，以作后续分析。1.5膜污染诊断流程对之前收集到的污染物和污染膜分别进行不同的分析表征测试，根据不同污染物对应不同分析方法的相应特征，诊断分析后确定膜污染组成，分析过程中一般还可以结合水样分析结果作进一步确认。纳滤膜元件和反渗透膜元件类似，因此这两种膜元件的剖检分析及膜污染诊断方法相同而碟管式纳滤和碟管式反渗透由于具有不同的膜组件结构，其废水处理后的膜材料易于获取，所以可直接对这两种膜进行膜污染诊断分析。并且，由上述膜元件剖检分析流程可看出，完整的膜剖检步骤较多，部分测试项目操作较复杂。在实际运行中存在一些膜元件由于进水水质的预处理较好，其进浓水的端盖处可供收集分析的污染物很少，对于这种膜元件就只能对解剖后的污染膜进行表征分析或将膜表面上的污染物溶解后再分析。因此，在膜剖检分析的实践应用中，研究人员大多会省去较复杂和不易操作的步骤，重点对特定的膜元件进行离线性能测试、膜解剖和污染膜的表征分析，但这也导致了目前实际应用的膜剖检分析研究还不系统、不全面，有待进一步完善，使膜剖检分析的意义和价值得到充分利用。2膜污染诊断分析方法为判断膜元件污染类型，通常需结合进水水质检测结果，并对剖检后收集到的污染膜和污染物进行实验测试及结构表征分析灼烧分析实验（LOI）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、傅里叶变换衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）、电感耦合等离子发射光谱/质谱（ICP-MS/OES）、离子色谱（IC）等是最常见的膜污染诊断分析方法3罗门纳法的膜幅测量和膜污染的诊断3.1膜污染成分的诊断膜污染主要包括四种类型，分别为无机污染、有机污染、生物污染和胶体颗粒污染3.1.1rbs用于分析表面元素无机污染主要是由水中存在的无机盐在膜表面逐渐累积，最终形成的无机垢所引起的。无机盐结垢过程较复杂，常存在多种无机盐的共沉淀和相互作用XPS是常用于表征膜表面元素组成和化学结构的分析手段，但XPS只能检测膜皮层顶端，检测深度一般只有7nm;RBS也可以用于分析膜表面元素组成和结构，且RBS检测深度约2µm，比XPS能检测的深度更深，因此RBS还能用于检测污染层的厚度。Gorzalski等3.1.2有机污染类型表征有机污染主要由水中的腐殖质、蛋白质和多糖等有机物引起的。通过EDS的元素检测结果也可以判断污染物是否为有机污染。Farhat等红外表征分析（IR和ATR-FTIR）是诊断有机污染类型的重要表征手段，研究者可以根据不同物质不同的出峰位置对相应的有机物进行判断。Zheng等除了污染物和污染膜的表征外，水样分析结果也可以对有机污染类型作出诊断。Jeong等Tang等3.1.3生物污染的控制生物污染主要是微生物及其代谢产物在膜表面黏附形成的膜污染。虽然预处理可以在一定程度上对微生物进行有效去除，但残生的微生物繁殖速度极快，因此生物污染在反渗透/纳滤膜系统中是最难控制的膜污染。并且，环境温度高也会导致微生物滋生迅速，因而夏季膜系统的生物污染会比其他季节更加明显。Xu等3.1.4复合膜系统不同进水段的胶体颗粒污染胶体颗粒污染主要是由水中生成的胶体物质和沉积的黏土、淤泥等颗粒所产生的，易造成膜孔堵塞并形成滤饼层。反渗透系统常用污染密度指数（SDI）判断系统进水的胶体颗粒污染程度，并用超滤对反渗透或纳滤进水进行预处理，但其中粒径较小的胶体颗粒无法被超滤所截留，这些污染物进入反渗透/纳滤膜系统后往往被第一支膜所吸附，因此，膜系统的胶体颗粒污染常发生在首支膜元件的进水端。Gorzalski等3.1.5污染合作膜污染的形成与进水的水质条件关系密切，因此，对于水质成分复杂的废水处理膜，其膜污染通常还表现为多种污染物的协同作用。Li等Chon等3.2膜污染情况诊断因为膜剖检需要对膜元件进行拆卸解剖，这种破坏性的拆解可以更加直观地了解膜内部污染情况，所以膜剖检分析有助于诊断膜内部污染分布情况，也可对膜系统中处于不同工艺段膜元件的污染情况进行诊断分析。Kim等Nejati等3.3市政废水处理反渗透膜污染的原因膜污染类型通常和原水水质有很大关系，不同的原水条件所形成的膜污染差异较大，反渗透膜主要应用的场景有海水淡化、工业废水处理、市政废水处理等上述研究结果表明，海水淡化的反渗透膜污染主要是无机污染和生物污染，这主要是因为海水中含有大量的盐类且存在复杂的微生物等污染源；市政废水处理的反渗透膜污染与进水水源有较大关系，不同水源处理的膜污染不尽相同，但随着城市化和工业化进程的加快，市政废水的处理越来越多且膜污染日趋严重；工业废水处理的反渗透膜污染则较为复杂，这主要是由于不同行业的生产工艺不同，所产生的废液又含有大量的工业原料、中间产物及副产物等，导致工业废水的种类繁多且成分复杂，从而形成的膜污染也较为复杂。3.4膜材料的选择膜污染程度和膜材料也有很大关系，不同的膜材料耐污染性相差较大。商品反渗透膜材料主要为醋酸纤维素、聚酰胺和复合材料，而商品纳滤膜材料则主要为醋酸纤维素、聚酰胺和磺化聚醚砜，其中聚酰胺复合膜由于不易水解、化学稳定性好和使用寿命长等优点，目前已成为工业应用最为广泛的反渗透和纳滤膜材料。Sachit等4膜污染诊断分析方法膜剖检是一种用于了解膜污染程度和分析膜污染成因的有效方法，尽管这种方法需要对膜元件进行破坏性拆解，但却可以直观地对膜污染进行更加准确且全面的分析。LOI、SEM、EDS、ATR-FTIR、ICP、IC等是最常见的有机污染和无机污染的诊断分析方法，CLSM、焦磷酸测序分析、16SrDNA高通量测序分析则是常用的生物污染诊断分析方法，结合AFM、XPS、NMR、接触角、zeta电位等辅助表征，可进一步了解污染物及污染膜的表面结构组成和性能变化；RBS、3D-EEM、LC-OCD等表征则是近年来常用于膜污染的诊断分析方法，通过其测试结果可以更准确地判断膜污染类型。但目前实际应用的膜剖检分析会省略多数步骤，使得研究过程不系统、不全面，还有待进一步完善使膜剖检分析的意义和价值最大化。膜污染类型通常和原水水质条件有很大关系，不