反滲透脫鹽設(shè)備水資源的日益緊缺和全球水質(zhì)的日趨惡化使水處理技術(shù)越來越受到重視。可用水資源含鹽量的不斷增加使離子交換樹脂極易發(fā)生污染和損壞，造成除鹽設(shè)備效率降低、酸堿耗增加、再生頻繁。近年來，膜技術(shù)飛速發(fā)展，用于水質(zhì)凈化的膜處理工藝也日趨完善。反滲透脫鹽技術(shù)具有能耗低、無(wú)污染、適應(yīng)性強(qiáng)、便于操作、運(yùn)行費(fèi)用低等顯著特點(diǎn)，一些大型電站和水處理廠更多地選擇采用反滲透等膜處理工藝來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的離子交換和蒸餾等手段進(jìn)行水質(zhì)凈化處理。但是運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，由于膜材料的特殊性及反滲透技術(shù)的發(fā)展所限，如果設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)很容易使反滲透膜發(fā)生污堵和降解。研究認(rèn)為：反滲透裝置的性能、產(chǎn)水率、產(chǎn)品水質(zhì)量和膜的壽命很大程度上決定于給水的水質(zhì)。合理的原水預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)維持反滲透性能的穩(wěn)定性、阻止膜的污染和惡化極其重要。
1 反滲透脫鹽設(shè)備傳統(tǒng)的原水預(yù)處理系統(tǒng)
目前大多數(shù)水處理廠采用傳統(tǒng)預(yù)處理方式——— 混凝＋過濾。圖1是傳統(tǒng)水質(zhì)預(yù)處理系統(tǒng)流程圖。這種傳統(tǒng)的預(yù)處理系統(tǒng)通常包括澄清池、過濾池及混凝和助凝加藥等輔助設(shè)備。該系統(tǒng)可以有效地去除原水中的小顆粒懸浮物和膠體物質(zhì)，從而大大減輕后續(xù)除鹽工藝中的設(shè)備負(fù)擔(dān)，有利于提高膜分離以及離子交換工藝的處理效果。然而，對(duì)于反滲透等膜設(shè)備而言，僅去除原水中的小顆粒懸浮物、濁度和膠體物質(zhì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，膜設(shè)備入水的SDI須合格，細(xì)菌等微生物的含量也不能超標(biāo)，否則將會(huì)給膜系統(tǒng)造成不利影響。
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反滲透脫鹽設(shè)備反滲透預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及注意事項(xiàng)
難溶鹽、金屬氧化物、細(xì)菌、氧化性物質(zhì)、有機(jī)物以及硅膠等都有可能引起膜元件的污染。因此，為減少反滲透膜的污染，延長(zhǎng)膜的清洗周期和使用壽命，提高產(chǎn)水率和脫鹽率，反滲透脫鹽設(shè)備一般都要求給水的濁度、SDI、微生物數(shù)量較低，并滿足合適的水溫和pH。傳統(tǒng)的預(yù)處理出水很難達(dá)到理想的反滲透給水的水質(zhì)要求，所以須改進(jìn)預(yù)處理工藝，為完善反滲透系統(tǒng)尋求更好的解決方法。
2．1 水質(zhì)分析
在反滲透預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，對(duì)原水進(jìn)行水質(zhì)分析，掌握水中雜質(zhì)和主要陰陽(yáng)離子含量是很有必要的。因?yàn)樗欣谡莆账|(zhì)情況，并有效判斷水中雜質(zhì)含量和垢質(zhì)形成的傾向，以便設(shè)計(jì)出合理的預(yù)處理系統(tǒng)。對(duì)于反滲透系統(tǒng)，主要應(yīng)了解原水中的懸浮物、濁度以及Ca2＋、Mg2＋、HCO3-、SO42-、Si、Fe、Sr、Ba的含量。
2．2 常用的預(yù)處理工藝
2．2．1 調(diào)溫處理
由于膜的收縮與水粘度的增加，給水溫度每降低1％，成品水流量將降低3％；當(dāng)給水溫度升高時(shí)，膜膨脹會(huì)使產(chǎn)水量提高。但與此同時(shí)，給水溫度的提高會(huì)使膜的透鹽率增加，進(jìn)而使產(chǎn)品水的含鹽量增加，如此長(zhǎng)期運(yùn)行還會(huì)導(dǎo)致膜的使用壽命降低，使反滲透系統(tǒng)的二次投資增加。因此，保持水溫的適宜和相對(duì)穩(wěn)定也十分重要，一般的中空型和渦卷型纖維膜的給水溫度應(yīng)控制在15～30℃為宜。
2．2．2 殺菌與除氯
為了防止反滲透脫鹽設(shè)備膜的微生物侵蝕和污染，在反滲透預(yù)處理系統(tǒng)中通常要進(jìn)行殺菌處理。加氯是一種成本低廉、原料豐富，易得到且效果較好的常用處理方式。然而，過量氯對(duì)反滲透膜的危害也很大。因此，對(duì)進(jìn)入反滲透膜之前的給水中的余氯須進(jìn)行控制，水中余氯的控制量應(yīng)依據(jù)反滲透膜的材質(zhì)而定。一般，醋酸纖維膜反滲透進(jìn)水中的余氯控制在0．1～1．0 mg／L。對(duì)于聚酰胺復(fù)合膜，其抗菌能力較強(qiáng)，但氧化劑(包括余氯)也會(huì)氧化侵蝕膜，所以使用聚酰胺復(fù)合膜的反滲透進(jìn)水中不應(yīng)含氯。對(duì)于此種膜的原水預(yù)處理可采用加氯殺菌和加亞硫酸鈉等藥劑除氯的聯(lián)合處理工藝。另外，增加活性碳過濾器也能吸附并去除部分余氯、膠體和有機(jī)物等。
2．2．3 混凝澄清及軟化過濾
作為傳統(tǒng)預(yù)處理方式，混凝、軟化和過濾在反滲透預(yù)處理系統(tǒng)中仍然起著其他水處理工藝所不可替代的作用，因?yàn)檫@種方式可以大大降低水的濁度，除掉大部分的懸浮顆粒和固體雜質(zhì)，降低暫時(shí)硬度，對(duì)后續(xù)處理非常有利。不過，當(dāng)使用鋁鹽作為混凝劑時(shí)，雖然出水濁度隨混凝劑加入量的增加而降低，但過量的鋁則會(huì)在反滲透膜表面累積，造成膜對(duì)水的滲透率逐漸降低。因此，反滲透預(yù)處理系統(tǒng)中應(yīng)嚴(yán)格控制對(duì)混凝劑的選擇與加藥量。
2．2．4 酸化處理
有些反滲透膜對(duì)給水的pH很敏感。pH過高或過低都會(huì)引起膜的水解而損壞。生水中加酸可以降低碳酸鹽硬度，防止碳酸鈣硬度鹽類的沉淀與析出。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以根據(jù)所監(jiān)測(cè)的水質(zhì)情況適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行pH調(diào)節(jié)。值得注意的是，在以往的生產(chǎn)中曾有因酸的質(zhì)量問題(含鐵量高)而造成反滲透膜元件污染的情況，故在調(diào)節(jié)反滲透進(jìn)水的pH時(shí)，對(duì)酸的質(zhì)量要求也比較嚴(yán)格。
2．2．5 阻垢處理
天然水中*常見的低溶解度鹽類主要是碳酸鈣、硫酸鈣以及二氧化硅等。當(dāng)這些鹽類物質(zhì)在反滲透處理過程中濃縮時(shí)，可能超過溶度積而析出沉淀。濃縮所產(chǎn)生的沉淀物附著在膜表面造成污堵，從而影響反滲透設(shè)備的出力與*運(yùn)行。針對(duì)不同的水質(zhì)情況，應(yīng)通過試驗(yàn)認(rèn)真選擇合適的阻垢劑并控制好相應(yīng)的加入量，盡量做到既節(jié)約運(yùn)行資金又能達(dá)到良好的阻垢效果。
2．3 SDI的監(jiān)測(cè)與控制
SDI可用于衡量預(yù)處理后反滲透給水中懸浮物和膠體物質(zhì)數(shù)量，是反滲透技術(shù)中一項(xiàng)重要的控制與監(jiān)測(cè)指標(biāo)。進(jìn)入反滲透膜的允許SDI根據(jù)反滲透膜的組件構(gòu)型而有所不同。常用于水處理脫鹽的反滲透膜的進(jìn)水SDI應(yīng)小于4．0。只有當(dāng)進(jìn)水SDI小于設(shè)計(jì)值時(shí)，才能保證反滲透連續(xù)正常運(yùn)行，透水率和脫鹽率下降緩慢；當(dāng)進(jìn)水SDI大于設(shè)計(jì)值時(shí)，就有可能在很短的時(shí)間內(nèi)造成膜的污堵，而不得不對(duì)反滲透膜進(jìn)行清洗。因此，按照相應(yīng)類型的反滲透性能要求與運(yùn)行規(guī)定，設(shè)計(jì)與安裝合適的SDI控制標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)測(cè)設(shè)施是非常重要的。
3 反滲透脫鹽超濾和微濾
隨著膜材料與膜技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐步增強(qiáng)以及反滲透技術(shù)的日趨完善，全膜法水處理系統(tǒng)和工藝已越來越普遍。超濾和微濾是近年來發(fā)展起來的新型反滲透預(yù)處理技術(shù)，是利用多孔膜使溶劑和低分子有機(jī)物通過而攔截大分子物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)分子過濾的低壓工藝。近年來在廢水回用工程中，微濾、超濾得到了長(zhǎng)足發(fā)展。
3．1 微濾(MF)技術(shù)
微濾介于常規(guī)過濾與超濾之間，同其他膜技術(shù)一樣是以壓力為推動(dòng)力，依靠膜對(duì)過濾介質(zhì)的篩分過濾進(jìn)行分離。微濾用于過濾0．1～10μm大小的顆粒、細(xì)菌、膠體，其原理與普通過濾相類似，屬于篩網(wǎng)狀過濾。微濾膜多數(shù)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有比較整齊、均勻的多孔結(jié)構(gòu)，它是深層過濾技術(shù)的發(fā)展，在靜壓差作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，比膜孔徑大的粒子則被截留在膜面上，使大小不同的組分得以分離。微濾使用具有不同孔徑的分離過濾性能的薄膜，從而去除廢水中大于膜分離孔的污染物；有用的物質(zhì)也可以通過膜的截留而保留下來，在處理廢水的同時(shí)將有價(jià)值的物料加以回收。
為了便于生產(chǎn)應(yīng)用、防止污染和簡(jiǎn)化系統(tǒng)，目前連續(xù)微濾(CMF)系統(tǒng)已被開發(fā)應(yīng)用，它是傳統(tǒng)微濾技術(shù)的深度發(fā)展，融合了微絮凝、微濾膜過濾、自動(dòng)控制技術(shù)等，具有出水水質(zhì)好等特點(diǎn)，保證了反滲透的進(jìn)水要求。目前，此技術(shù)在國(guó)內(nèi)已有了部分成功的應(yīng)用實(shí)例，值得在污水處理工程的反滲透預(yù)處理工藝中推廣使用。
3．2 反滲透脫鹽超濾(UF)技術(shù)
超濾和微濾一樣，也是利用篩分原理以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過程。同微濾過程相比，超濾過程受膜表面孔徑的化學(xué)性質(zhì)的影響較大。超濾可作為反滲透的預(yù)處理，以保護(hù)反滲透的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但是由于超濾膜的通流孔徑較小，大分子顆粒和膠體極易污堵超濾膜。因此，在水質(zhì)較差時(shí)，超濾系統(tǒng)須采取相應(yīng)的前處理措施，以保護(hù)超濾膜，*大限度地防止污染。超濾前處理系統(tǒng)效果的好壞直接關(guān)系到超濾的產(chǎn)水通量及使用壽命，即涉及到超濾能否正常執(zhí)行保護(hù)反滲透膜運(yùn)行的使命。
當(dāng)然，根據(jù)不同的水質(zhì)條件、地方特色和反滲透膜內(nèi)在尺寸等因素，其預(yù)處理系統(tǒng)與方式也是千差萬(wàn)別的。一種適合地域與水質(zhì)特點(diǎn)的優(yōu)化型反滲透預(yù)處理系統(tǒng)需要將各個(gè)有效處理單元有機(jī)結(jié)合在一起并能合理安排其間的主次關(guān)系和前后次序才能達(dá)到要求，這往往需要通過小試或中試研究來完成。
4 反滲透脫鹽反滲透膜系統(tǒng)故障及對(duì)策
預(yù)處理不當(dāng)很有可能會(huì)引起反滲透膜的污染和惡化，而且有時(shí)污染與惡化同時(shí)發(fā)生。但是污染與惡化有著本質(zhì)的區(qū)別：膜的污染是可逆的，可以通過有效的清洗工藝恢復(fù)污染膜的工作性能；然而膜的惡化以致降解卻是不可逆的。所以在設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行中應(yīng)該盡量避免反滲透膜的惡化。
4．1 反滲透膜的污染及對(duì)策
幾種常見的運(yùn)行故障及處理方法見表1。
4．2 反滲透膜的降解及預(yù)防
4．2．1 化學(xué)降解
反滲透膜化學(xué)降解的主要過程是水解和氧化。
醋酸纖維膜在pH＝4．7時(shí)*為穩(wěn)定。當(dāng)pH增高或降低時(shí)，它的水解就會(huì)加速。所以，為了預(yù)防膜的化學(xué)降解，一定要嚴(yán)格控制反滲透預(yù)處理的給水pH＝5～7。為避免誤操作，須嚴(yán)格控制NaOH、H2SO4的加入量和加入點(diǎn)。膜的氧化一般發(fā)生在水體氧化劑(如Cl－、O3、H2O2等)含量較高的地方。有條件的地方可以定期對(duì)反滲透給水化學(xué)耗氧量(COD)進(jìn)行測(cè)定，以便及時(shí)掌握給水的水質(zhì)情況，盡快采取切實(shí)措施，有效預(yù)防反滲透膜的氧化降解。
4．2．2 生物降解
在自然環(huán)境中每一個(gè)表面都是被細(xì)菌占據(jù)著的。由于反滲透膜具有很大的表面積，這就為細(xì)菌的大量粘附提供了場(chǎng)所。從微生物總的圖譜來看，膜材料也*易遭受細(xì)菌的污染。膜的生物降解的一個(gè)常見原因是原水預(yù)處理時(shí)的絮凝劑加入過量。另外，磷系阻垢劑既是微生物源，也是微生物薄膜的營(yíng)養(yǎng)源，它的加入也會(huì)為微生物的繁殖提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。
要有效控制和預(yù)防膜的生物降解的發(fā)生，就要切斷所有可能引起生物污染的因素。如在設(shè)計(jì)方面應(yīng)盡量避免管道的彎曲，少留死角，不能使用帶有龜裂、死端的附件和未消毒的儲(chǔ)槽等；在給水方面，須控制給水溫度，有機(jī)物、無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物、細(xì)菌的數(shù)量和SDI等不宜過高；在操作方面，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，禁止使用被微生物污染的預(yù)處理藥劑并嚴(yán)格控制加藥劑量。另外，適時(shí)加強(qiáng)生物污染可能性的預(yù)測(cè)也是非常重要的，即通過進(jìn)行水質(zhì)分析，檢驗(yàn)含鹽量、TOC、COD、pH和電導(dǎo)率等都可以得到生物污染隱患的線索。
4．2．3 物理降解
研究還發(fā)現(xiàn)，一些物理因素也能導(dǎo)致反滲透膜的降解和性能的降低。例如，振動(dòng)及其所產(chǎn)生的超聲波能夠引起膜的惡化。當(dāng)一些無(wú)機(jī)鹽的硬晶體接觸到膜表面并伴隨著振動(dòng)時(shí)，它能對(duì)膜表面造成劃痕，以致使膜表面的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而惡化。安裝適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)吸收器與進(jìn)行合理的管線布置能夠有效消除機(jī)械振動(dòng)和超聲波對(duì)膜的影響，防止膜的物理降解。
5 發(fā)展趨勢(shì)與研究方向
隨著工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，膜分離技術(shù)在水質(zhì)凈化和環(huán)境工程中的地位越來越突出。
反滲透技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)開始向飲用水方面探索與發(fā)展。由于膜分離技術(shù)能夠有效地去除污染水體中的病毒、微生物和微量污染物等混凝過濾和離子交換所無(wú)法處理的成分，因此在日本、美國(guó)和歐洲，超濾膜和微濾膜系統(tǒng)已經(jīng)開始代替?zhèn)鹘y(tǒng)的預(yù)處理方式被應(yīng)用于城市飲用水的處理。不久，膜分離必將成為新的行之有效的反滲透預(yù)處理方式。