反渗透铝污染的判断及应对措施

1.1 项目概况

该热电厂除盐水处系统来水为市政自来水厂提供的自来水，以反渗透作为预脱盐装置，再经离子交换脱盐处理后的超纯水供给锅炉作为补给水。反渗透装置共五套，设计出力5×206t/h，装置采用三段式设计，压力容器排列比例为24:12:6，膜元件采用BW30-400/34，共5×252支，系统回收率90%。

1.2 系统工艺流程

市政自来水→沉淀池→空气擦洗滤池→活性炭过滤器→超滤装置→超滤水箱→水反渗透给水泵→(阻垢剂/还原剂/非氧化性杀菌剂)→保安过滤器→高压泵→反渗透装置→紫外线杀菌器(未使用)→反渗透产水箱→RO水泵→阳床→除碳器/中间水箱→中间水泵→阴床→混床→去用水点。

来水为市政自来水，因此沉淀池入口没有投加混凝剂只投加次氯酸钠，次氯酸钠投加量根据出水余氯值调整，活性炭过滤器产水余氯一直维持在0.01ppm以内，满足反渗透进水需求。反渗透进口母管自动投加还原剂、阻垢剂，手动定期冲击投加非氧化杀菌剂。

1.3 水质报告

2.1 系统运行状况

（1）查看5套反渗透的以往运行数据，发现化学清洗周期在30天左右，清洗频繁。化学清洗采用“碱洗浸泡过夜+酸洗”步骤，碱洗采用0.1%的NaOH溶液及1.0%的Na4-EDTA溶液，控制pH在12.0左右，酸洗采用0.2%的HCl溶液，控制pH在2.0左右，每次清洗一套反渗透加上准备工作需要花费完整的两个工作日，遇到生产高峰期根本不具备如此长时间停机清洗条件，运行压力非常大。经过化学清洗（碱洗+酸洗）之后反渗透整体压力下降、产水量恢复至额定产水量206t/h左右，但很快运行参数又会反弹至清洗前状态。清洗前后数据对比可发现，清洗前系统在压力升高的同时产水量下降，但段间压差（尤其是二、三段压差）并没有很大变化，污染物在膜表面的沉积的影响要大于通道的污堵。

以4#RO为例，在碱洗+酸洗后的一个清洗周期内进水压力与段间压差变化趋势如下图一所示：

由图一可知：在一个月内4#RO的运行压力逐渐上升，且上升幅度较大，而一段和二段段间压差并没有明显的变化，甚至第三段压差还变小了。很显然反渗透膜元件确实已污堵了。

（2）2020年9月初运行数据记录如下表1所示：

由上表可以看出运行数据表可知：1#、2#、4#一级RO，即使在水温较高的情况之下，进水压力还是偏高的，且系统产水量相对偏低。从现场运行数据来看，每次化学清洗之后可以相对稳定的运行一个月之后就会出现产水量下降超过10%，进水压力升高可能会超过20%（进水水温相对稳定）的情况，严重影响高峰期制水能力。

2.2 系统检查

3.1 污染物形成因分析

（1）自来水混凝剂投加量存在超标不稳定情况

由于该厂的原水为市政自来水其混凝剂投加量随着季节变化、水质波动而调整，为确保出水水质稳定PAC量往往会过量投加，使得过量的铝盐以不同的形态残留在处理水中，进而引起后续RO膜的污染。近年来许多膜污染物研究分析如：采用SEM-EDS 分析发现膜表面有微量铝元素的存在，证实残留铝对膜表面污染有加剧效应。混凝阶段投加后残留的溶解性铝在进入RO系统后由于浓缩、pH变化等因素的存在会发生“后絮凝”现象易与周围的硅及其它有机污染物结合形成胶体，从而加剧膜污染。

（2）来水Al³⁺超标

根据水质检测报告，来水Al³⁺含量为0.157mg/L，即使经过超滤等预处理设施还是无法避免进入反渗透膜元件中，铝离子进入反渗透后经过逐渐浓缩，最终浓水中铝浓度约是进水的几倍，这样大量铝的化合物就会析出而沉积在膜元件表面。

（3）铝在水中存在形态，受pH影响大

铝在水中有多种存在形态，主要受pH、温度及共存离子的影响。其中，pH是最主要的影响因素。在酸性环境中，当溶液pH＜5时，铝主要以Al^{3 +} 、Al(OH) ²⁺ 、Al(OH)²⁺等单核羟基配位离子为主。当溶液pH =5～7时，水解后的单核物质间则趋向于发生聚合反应，形成多核羟基聚合物，随着溶液pH升至中性(pH=7～8)，溶液中的各种水解聚合产物开始形成无定形Al(OH)₃凝胶或沉淀。而在碱性环境中，新生成的沉淀则逐渐转化为溶解性的Al(OH)₄^－。Al(OH)₃的溶解度随PH变化如下图四所示：

（4）膜表面浓差极化加剧铝污染

由于RO膜可以脱除溶解性的离子而不能脱除溶解性的气体，RO产水中的CO₂总量与RO进水中CO₂的总量基本相同，考虑到水体中到CO₂和HCO^3-之间的平衡，浓水侧pH往往会比进水侧有1~2个pH值的升高，尤其是在近膜表面的水层受到浓差极化的影响这种变化更为剧烈，随着铝离子浓度及pH的升高，铝的形态也会从迅速的从离子态转变成不溶于水的胶体态，最终在反渗透膜表面形成密实的无机污染层。

3.2 针对性的酸洗

为验证我们判断的准确性，以及探究最快捷、经济的清洗方法，现场对2#、4#一级RO进行酸洗，酸洗采用0.2%浓度的HCl，PH控制在2.0左右，温度30℃，单套系统酸洗总时长为2h，即：一段循环1h，二段循环30min，三段循环30min，冲洗投运后对比结果如下表2所示：

如表2所示：2#、4#一级RO仅经过2h的酸洗后其进水压力就有了大幅降低，产水量也升高至接近额定产水量206t/h，短时间的酸洗恢复效果相较于之前的碱洗+酸洗获得几乎相同的清洗效果，但却大大缩短了清洗时间，提高了工作效率，为客户提供了更便捷的解决办法。

经过一段时间的观察之后，发现酸洗之后的稳定运行周期可以达到一个月以上与“碱洗+酸洗”后运行周期没有明显差异，证明了短时间酸洗的有效及可靠性。

“碱洗+酸洗”及仅“酸洗”后反渗透（2#、4#RO）稳定周期及运行压力与产水量变化如下图五、六所示：