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膜系統常見污染問題及控制

    反滲透系統在日常的運行中,難免會出現系統的無機物結垢、膠體顆粒物的沉積、微生物的滋生、化學污染以及其它問題,這些因素影響著系統安全穩定的運行。下面主要闡述膜系統在日常中出現的問題及控制方法。
 
  一、無機物的結垢
 
  在水中存在Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、CO32-、SO42-、PO43-、SiO2等離子。在一般的情況下是不會造成無機物結垢,但是在反滲透系統中,由于源水一般濃縮4倍,并且pH也有較大的提高,因此比較難溶解的物質就會沉積,在膜表面形成硬垢,導致系統壓力升高、產水量下降,嚴重的還會造成膜表面的損傷,使系統脫鹽率降低。
  衡量水質是否結垢有兩種計算方法:
  控制苦咸水結垢指標
  對于濃水含鹽量TDS≤10,000mg/L的苦咸水,朗格利爾指數(LSIC)作為表示CaCO3結垢可能性的指標:
  LSIC=pHC-pHS
  式中:LSIC:反滲透濃水的朗格利爾指數
  pHC:反滲透濃水pH值
  pHS:CaCO3溶液飽和時的pH值
  當LSIC≥0,就會出現CaCO3結垢。
  控制海水及亞海水結垢指標及處理方法:
  當濃水含鹽量TDS>10,000mg/L的高鹽度苦咸水或海水水源,斯蒂夫和大衛飽和指數(S&DSIC)作為表示CaCO3結垢可能性的指標。
  S&DSIC=pHC-pHS
  式中:S&DSIC:反滲透濃水的斯蒂夫和大衛飽和指數
  pHC:反滲透濃水pH值    
  pHS:CaCO3溶液飽和時的pH值
  當S&DSIC≥0,就會出現CaCO3結垢。
  其它無機鹽結垢預處理的控制方案
  碳酸鈣結垢預處理的控制方案
  在反滲透系統的結垢中,以碳酸鹽垢為主,大多數地表水和地下水中的CaCO3幾乎呈飽和狀態,由下式表示CaCO3化學平衡:
  Ca2+ + HCO3–  <--->  H+ + CaCO3
  從化學平衡式可以看出,要抑制CaCO3的結垢,有幾種途徑:
  降低Ca2+的含量
  降低了Ca2+含量,可以使化學平衡向左側移動,不利于形成CaCO3垢。
  達到這種目的的方法有:離子交換軟化法、石灰軟化法、電滲析、納濾等方法,他們都能有效地降低的Ca2+含量,從而達到抑制鈣垢的生成。
  Ca2+的增溶
  主要是以增加Ca2+的溶解度,從而降低結垢的風險。
  方法:添加螯合劑、阻垢劑,增加Ca2+的溶解度,使平衡向左移動。
  調節pH值
  主要是通過添加無機酸,從而提高H+的濃度,使平衡向左移動。化學原理如下:
  CO2 + H2O <---> H2CO3          ――――⑴
  H2CO3 <---> H+ + HCO3-         ――――⑵
  HCO3- <---> H+ + CO32-          ――――⑶
  
  離子交換除堿法
  主要是通過降低CO32-的濃度來降低碳酸鈣結垢的風險。
  硫酸鈣結垢預處理的控制方案
  離子交換除鈣
  石灰軟化除鈣
  添加反滲透專用阻垢劑
  氟化鈣結垢預處理的控制方案
  離子交換除鈣
  石灰軟化除鈣
  陰樹脂交換
  添加反滲透專用阻垢劑
  硫酸鍶結垢預處理的控制方案
  離子交換除鍶
  陰樹脂交換
  添加反滲透專用阻垢劑
  硫酸鋇結垢預處理的控制方案
  離子交換除鋇
  陰樹脂交換
  添加反滲透專用阻垢劑
  硅酸鹽結垢預處理的控制方案
  預處理中的過濾
  石灰軟化
  提高進水的溫度
  提高進水的pH值
  添加硅分散劑
 
  二:膠體、顆粒物沉積
 
  膠體、顆粒物污染是比較常見的反滲透系統污染。水中大量存在粘泥、膠體硅、金屬的氧化物及有機質等顆粒物,在反滲透系統預處理中可以將源水中的這些污染源控制在一定程度,不致使對系統短期運行造成一定的影響。但由于系統長時間的運行預處理處理效果不理想、預處理反沖洗不徹底、操作人員的日常操作不到位等原因,都會造成系統膠體、顆粒物的污染。
  針對膠體污染,通過淤泥密度指數(Silt Density Index ,SDI)來衡量。SDI數值反應了在規定時間內,孔徑為0.45um測試膜片被測試給水中的淤泥、膠體、黏土、硅膠體、鐵的氧化物、腐植質等污染物堵塞的比率和污染程度。
  
  測試如下:首先應充分排除過濾池中的空氣壓力,使給水以30psi 的恒定壓力通過直徑為Φ 47mm 、孔徑為0.45um的測試濾膜后開始測定:首先測定開始通過濾膜的500毫升水所需要的時間T0;在使水連續通過濾膜15分鐘(T)后,再次測得通過濾膜的500毫升水所需要的時間T1;在取得以上3個時間數據之后,由此可以計算出該水源的SDI值:
  即 SDI=(1-T0 /T1)×100/T
  在實際中,當T1為T0的四倍時,SDI為5;在SDI為6.7時,水會完全堵塞測試膜,而無法取得時間數據T1,在這種情況下需要對反滲透預處理系統進行調整,使其SDI值降至5.0以下。SDI值不能反應完全反滲透系統的污堵情況,因為SDI儀測試是死端過濾,而反滲透系統是錯流過濾。
  為了防止反滲透系統膠體污染,我們要求進水SDI值小于5(最好是小于3),這樣有利于系統長期安全運行。
  降低反滲透進水膠體、顆粒物污染最有效的方法:
  合適的預處理(錳砂過濾、多介質過濾、活性炭過濾、超濾、微濾等等);
  添加膠體分散劑;
  系統預防性的清洗;
 
  三、微生物的污染
 
  自來水一般通過控制余氯來抑制微生物的滋生,但是余氯有較強的氧化性,它能使反滲透膜表面氧化,影響膜的壽命和產水水質,因此反滲透系統運行對余氯要求非常嚴格(<0.1),這給微生物的生存繁殖提供了有利的環境。微生物生長及排泄出的酸性粘泥會堵塞膜的微孔,致使壓差上升,給系統的安全運行埋下了嚴重的安全隱患。
  微生物的污染也是最常見的污染,經過大量的元件解剖及污染物分析實驗,大多數污染是由微生物的繁殖引起的。
  微生物污染過程主要有以下階段:第一階段腐殖質、聚糖至于其他微生物代謝產物等大分子在膜面上的吸附,形成具備微生物生存條件的生物膜;第二階段進水微生物中黏附速度快的細胞形成初期黏附過程(生物膜生長緩慢);第三階段后續大量菌種的黏附,特別是EPS(細胞聚合物,Extracelluar Polymers。它黏附在膜面上的細胞體包裹起來,形成黏度很大的稅和凝膠層,進一步增強了污垢和膜的結合力)的形成,加劇了微生物的繁殖和群聚;第四階段生物污染的最終形成階段,生物膜的生長和脫除達到平衡。造成膜的不可逆的堵塞氏過濾阻力上升,膜通量下降。
  抑制反滲透系統微生物繁殖的方法:
  反滲透進水微生物的控制。通過源水的菌藻控制(一般通過控制余氯),盡量減少預處理的死角,防止微生物繁殖;
  反滲透系統微生物控制。通過連續式或間歇式加入非氧化性且對膜沒有影響的殺菌劑,可以有效地控制和殺死反滲透系統滋生的微生物,再通過濃水將其帶出系統。
 
  四、化學污染
 
  化學污染是指進水中某些物質與膜面發生化學反應,從而引起沉積、沉淀以及膜表面的非常規老化,使膜表面發生污染或使膜的性能變差。
  常見的情況有:預處理時絮凝劑選用不當;運行時阻垢劑的選用不當;清洗時清洗藥劑選用不當;預處理控制不嚴格,致使進水中帶入對膜有危害的物質(如:余氯的超標導致膜面活性層的氧化)。
  化學污染處理主要從系統預處理的完善及操作人員技術水平的提高來進行預防,污染一旦產生很難清洗或者很難使膜的性能恢復。
  除了上述幾種常見的問題,我們也會碰到沙礫、活性進入膜系統造成膜的劃傷,這些主要是預處理的缺陷或者操作的失誤造成,這些也應該引起足夠的重視。

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