膜处理技术在火电厂应用广泛，但膜污染问题增多，某火电厂补给水处理工艺包含中水处理且面临挑战

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    反渗透脱盐技术所代表的膜处理技术在过去 30 年里成为新火力发电厂水处理的首选。随之，全膜处理工艺也发展起来，并在电厂中得到广泛应用。膜技术广泛应用的同时，因膜污染而引发的生产问题也在增多。

    国家对环保要求提高了，也在推行城市中水回用。随着这些变化，越来越多已建的电厂把锅炉补给水的膜处理工艺纳入技改项目。城市水污染性较高，在回用过程中，多家发电企业的化学制水系统和循环水系统经常出现问题。

    系统概况

    某火力发电厂发电机组的补给水处理工艺为：

    城市中的中水进入中水处理系统，中水处理系统中的清水泵开始工作，接着生水加热器开始运作，随后自清洗过滤器开始过滤，之后进入超滤装置，经过超滤装置处理后的水流入超滤水箱，再由超滤水泵抽取，接着经过反渗透保安过滤器，再进入反渗透装置，之后水流入中间水箱，接着进入阳床，再进入阴床，然后进入混床，最后流入除盐水箱。

    水库的来水是备用水源。

    近年来，城市污水厂二级处理出水水质发生了较大改变，与中水处理系统进水设计值不同。在电厂实际生产运行中，采用了污水厂来水与水库来水的混合水。中水处理系统的工艺流程见图 1。

    图 1中水处理系统工艺流程

    回收率控制在 75%。

    膜处理设备压差异常

    这两种情况严重地影响了制水的水质和水量。

    反渗透膜元件表面有白色晶体。其中二段末端膜元件质量增重约 15kg。刮取的白色晶体样品能够全部溶于稀盐酸，并且有大量气泡排出。据此判定其主要成分为碳酸盐。

    为使设备性能得以恢复，实施了在线化学清洗。清洗工艺依次为碱洗，接着杀菌，然后酸洗，最后再碱洗。在投运之后，设备性能得到了恢复，然而反渗透保安过滤器的滤芯使用周期依然不足 1 个月。经检查可以发现，滤芯表面呈现出深棕色，在局部地方还有黑色斑块。

    膜处理设备污染分析

    3.1

    反渗透预处理水质分析

    膜处理设备出现了严重污染的情况，这表明中水处理系统的出水是不合格的。同时，反渗透预处理各项目的水质分析结果详见表 1。

    表 1反渗透预处理各项目水质分析结果

    从表 1 能够看出，中水处理系统几乎没有处理效果，那些关键指标不但没有降低，反而呈现上升的态势。其原因在于：

    石灰软化系统将澄清池出水碱度低于 2mmol/L 作为控制指标来调整加药量，这样做导致了石灰投加过量的情况出现，使得出水硬度超过了进水硬度，并且 pH 高于混凝的最佳 pH 值。

    澄清池后的加酸调 pH 系统按照设计值将 pH 控制在 7.0 到 8.5 之间。然而，控制值偏高，这最终使得反渗透进水具有一定的结垢倾向，朗格里尔指数 LSI 约为 1.27。

    3.2

    机械搅拌澄清池

   

    城市中水的占比提高之后，澄清池出水浊度时常会超出标准，偶尔还会出现翻池的情况。主要有以下原因：

    中水处理系统未设计加热装置。冬季时，水温较低，水的黏度变得较大，这对胶体凝聚是不利的。

    （2）澄清池未投加杀菌剂，存在微生物滋生问题；

    池内污泥回流不顺畅，致使污泥沉积在池底。随着时间的推移，这些污泥发生腐化发酵，形成了大块松散的腐殖物。同时，还夹带了腐败气体，漂浮在水面上。

    石灰加药量不合理，导致出水硬度比进水高。因为运行状况不佳，混凝澄清对 COD 的去除率比较低，这使得后续膜工艺设备的污染倾向更加严重，并且还增大了后续杀菌剂的用量。

    3.3

    超滤水箱

    超滤出水是合格的。然而，反渗透保安过滤器出现了污堵的情况。基于此，考虑到超滤水箱可能存在污染。经检查可以发现，水箱的内壁四周附着有一层松软的黑色泥状物，用手能够擦除，其厚度大约为 0.1 毫米。并且，局部还有大块透明黏膜附着，这种透明黏膜类似琼脂，黏膜内部包裹着白色颗粒状物体，同时透明黏膜还散发着腥臭味。水箱底部的防腐层手感较为粗糙，上面覆盖着较多的铁屑。

    对黑色泥状物进行分析：该样品不能溶解于 NaOH 以及丙酮溶液；把它置于 0.1 mol/L 的 HCl 溶液中 24 小时后，样品基本溶解了，并且溶液呈现淡黄色；将样品在 105℃下烘干至恒重，接着在 850℃下灼烧 2 小时，其灼烧减量是 33.3%。这表明黑色泥状物中大部分是无机化合物。

    对微生物黏膜内白色颗粒状物质进行分析：首先把样品放置在 0.1 mol/L HCl 溶液中，此时会有气泡产生；接着将样品在 105℃下烘至恒重，之后在 850℃下灼烧 2 小时，其灼烧减量为 44.7%；灼烧完毕后进行 XRF 分析，分析结果列于表 2 中。分析结果显示，白色颗粒物质的主要成分是碳酸钙。超滤产水有结垢倾向，即 LSI＞1。推测是 Ca2+与 HCO3-在大块透明黏膜内发生浓缩，之后经过反应形成了碳酸钙。

    表 2样品XRF分析结果

    综上，超滤水箱内有有机物、微生物以及无机盐的混合污染。膜处理设备投运后，超滤水箱内的污染物持续被携带进入反渗透保安过滤器，且被滤芯截留，从而形成了黑色斑块。

    解决措施及效果

    4.1

    增设曝气生物滤池

    曝气生物滤池能够将固液分离和生物降解有机物这两项功能集于一身，是一种污水处理设备，能够有效把水中的 COD、氨氮、总磷等去除掉。如果把它设置在机械搅拌澄清池之前，一方面能够解决澄清池生长生物膜以及滤床阻塞结块的问题，另一方面还能避免在澄清池投加杀菌剂时，出现因低剂量杀菌效果不够而导致澄清效果变差，以及因高剂量对絮凝剂产生较大副作用而同样造成澄清效果差的这种两难局面。

    一方面，有机物污染是超滤膜污染的主要因素，尤其是粒径远小于膜孔径的小分子有机物。所以，通过某种方式可降低超滤膜污染，进而延长膜的寿命。而混凝澄清处理只能去除大部分悬浮物、胶体粒径范围的有机物，无法有效去除导致超滤膜污染的主要因素。

    此外，曝气生物滤池具备抗冲击负荷能力较强的特性。它能够有效地减轻城市中水供水质量频繁波动所给预处理带来的不良影响。

    根据技术资料可知，拟修建的生物滤池对 COD 的去除情况约为 40%；对氨氮的去除情况约为 60%；对浊度的去除情况约为 50%；对总碱度的去除情况约为 20%。

    4.2

    调整软化混凝条件

    合理改变运行方式，可以使澄清池出水水质明显提升。具体措施：

    优化搅拌机的转速。在正常运行状态下，搅拌机的转速被控制在 350 至 400 转每分钟。因为城市中水的占比有所增加，这导致泥渣的生成量也随之增大。所以将转速调低至 280 至 350 转每分钟，这样可以降低回流比。一方面能够保证第一反应室内的进水与泥渣充分接触，另一方面也可以避免提升水量过大而冲击分离区的泥渣层。

    优化澄清池的排泥周期。将第 2 反应区 5 分钟的沉降比控制在 10%到 20%之间，比原来下调了 5%。每 2 小时取样进行一次化验，然后依据化验结果进行手动排泥。

    低温运行时增加助凝剂的使用量，在冬季的时候投加量增加到 2mg/L。

   

    合理地对石灰加药量进行调整，以降低出水的硬度。从图 2 可以看出城市中水所占的体积分数与 Ca（OH）2 理论投加量之间的关系。

    图 2城市中水所占体积分数与Ca(OH)2理论投加量关系

    在实际处理过程中，常常有诸多因素会对化学反应产生影响。因此，石灰的实际投加量需要通过调整试验来确定。从图 3 可以看出，城市中水占比 70%的混合水水质会随着 Ca（OH）2 加药量的变化而发生改变。

    图 3Ca（OH）2加药量与试验水水质变化曲线

    从图 3能够看出，对于城市中水占比 70%且水库来水占比 30%的混合水，通过软化混凝试验得出的最佳 Ca（OH）2 投加量为 248mg/L。然而，如果以出水碱度低于 2mmol/L 作为控制指标来调整加药量，就会导致石灰投加过量，使得水中的镁硬转化为钙硬，这样一来就会增加反渗透浓水的碳酸盐结垢倾向。

    4.3

    维护超滤水箱

    对超滤水箱进行了全面的清洗工作。清洗分为三个步骤，首先是用清水进行冲洗，接着进行杀菌冲洗，最后进行除盐水冲洗。在进行清洗的同时，还检查了水箱内壁环氧树脂防腐层的完整性。

    日后在停运检修的时候，要加强对水箱内部的清洗工作以及检查工作。如果水箱内部存在防腐层的缺陷，就应该重新给水箱涂刷防腐涂层。

    运行中，超滤进水需维持余氯在 1 至 2 毫克每升。这样能抑制超滤膜以及超滤水箱的微生物滋生。同时，还需添加亚硫氢钠还原剂，以去除反渗透进水中的余氯。并且要控制反渗透进水的氧化还原电位（ORP）小于 200 毫伏。

    4.4

    防止反渗透膜结垢

    一是对反渗透进水、浓水均进行结垢倾向的计算。

    以城市中水占比 70%的软化混凝出水为例，经测定得知，其全碱度为 2./L，硬度为 6./L，1/2Ca2+浓度为 3./L，溶解固形物为 /L，pH 为 9.97。

    不考虑离子活度，也忽略加酸对溶解固形物的影响。当水温处于 25℃这个状态时，如果想要让反渗透进水的 LSI 值变为 0，那么进水的 pH 就需要低于 7.50。也就是说，加酸系统要把进水的 pH 控制在低于 7.5 的水平。

    若反渗透装置的回收率是 75%，膜表面离子浓度与主体水流离子浓度的比值为 1.13，膜对 HCO3-的透过率为 5%，且水温与进水相同。那么反渗透膜面浓水的 pH 为 8.09，LSI 值为 1.84。通过添加阻垢剂，能够满足浓水侧不结垢的要求。美国清力公司的 PTP - 0100 药剂能使浓水中的 LSI 值最大维持为 2.8 ；美国清力公司的 PTP - 2000 药剂能使浓水中的 LSI 值最大维持为 3.2 。

    当然 pH 不能过低。pH 过低会带来两个问题，一是会造成加酸的浪费，二是会使膜对 HCO3-的透过率升高。同时，pH 过低还会加剧反渗透给水管道的腐蚀。

    更换反渗透系统的药剂时，需要进行药剂的配伍性试验。要分别检测混合后杀菌剂的杀菌性能，以及检测阻垢剂的阻垢性能。

    结 语

    膜处理工艺运行工况进行调整后，设备的运行状况良好且相对稳定。反渗透膜的化学清洗周期得以延长，延长的幅度为 2 至 3 倍。然而，超滤和反渗透设备的膜元件都出现了不可逆的通量损失。

    可见，若日常维护情况较差，或者对出现的问题采取的措施不当，就会对系统的安全运行产生严重影响，并且会使膜元件的使用寿命大大缩短。因为膜组件的污染会受到水源、季节、处理方式、设备条件、维护方式等诸多因素的影响，所以运行人员应当将膜处理工艺视为系统工程，加强监测，持续总结经验，从而形成因地制宜的防控方法。

    《工业水处理》2021 年第 2 期为来源，参考文献略。其他网站或公号若要转载，需先获得本号授权。若要订阅 2021 年期刊，可联系《工业水处理》编辑部：苗毅。

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