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膜污染是指在膜過(guò)濾過(guò)程中，給水中的顆粒、膠體、或溶質(zhì)分子在膜表面發(fā)生物理化學(xué)相互作用，或因?yàn)闈獠顦O化使一些溶質(zhì)在膜表面超過(guò)其溶度積及機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過(guò)流量與分離特性發(fā)生變化的現(xiàn)象。
當(dāng)難溶鹽類(lèi)在膜元件內(nèi)不斷被濃縮且超過(guò)其溶解度極限時(shí)，它們就會(huì)在反滲透或納濾膜表面上發(fā)生結(jié)垢，當(dāng)反滲透水處理系統(tǒng)采用50%回收率操作時(shí)，其濃水中的鹽濃度就會(huì)增加到進(jìn)水濃度的兩倍；當(dāng)回收率75%時(shí)，濃縮4倍?；厥章试礁撸a(chǎn)生結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)性就越大。目前出于水源短缺或?qū)Νh(huán)境影響的考慮，設(shè)置反滲透濃水回收系統(tǒng)以提高回收率成為一種習(xí)慣做法，在這種情況下，采取精心設(shè)計(jì)、考慮周全的結(jié)垢控制措施和防止微溶性鹽類(lèi)超過(guò)其溶解度而引發(fā)沉淀與結(jié)垢尤為重要，RO/NF系統(tǒng)中，常見(jiàn)的難溶鹽為CaSO4 ，CaCO3 ，SiO2，其它可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢的化合物為CaF2 ，BaSO4 ，SrSO4 ，Ca (PO4)2。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行中，可以通過(guò)提高濃水的流速、降低系統(tǒng)的回收率、適當(dāng)?shù)奶岣呓o水的溫度、添加相應(yīng)的阻垢劑等方法來(lái)降低濃差極化，提高系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。
當(dāng)通過(guò)計(jì)算或者軟件模擬發(fā)現(xiàn)反滲透濃水的LSIC或SDI指數(shù)大于0時(shí)、或其他難溶鹽超過(guò)其溶度積時(shí)，為了防止無(wú)機(jī)鹽結(jié)垢，可以在原水中加入阻垢劑。
對(duì)于含鹽量TDS≤10,000mg/L的苦咸水，朗格利爾指數(shù)（LSIC）作為表示CaCO3結(jié)垢可能性的指標(biāo)。
LSIC = pHC - pHS
式中pHC為濃水pH值；pHS為CaCO3飽和時(shí)的pH值
當(dāng)LSIC≥0，就會(huì)出現(xiàn)CaCO3結(jié)垢。
LSIC的調(diào)節(jié)：
大多數(shù)天然水未經(jīng)處理時(shí)，LSIC將會(huì)是正值，為了防止CaCO3結(jié)垢，除非在膜系統(tǒng)進(jìn)水中投加阻垢劑或采取前面介紹的預(yù)防性清洗措施，否則必須確保LSIC為負(fù)值。
控制CaCO3結(jié)垢的條件為：
LSIC<0，不需要投加阻垢劑；
LSIC≤1.8～2.0，單獨(dú)加阻垢劑或完全采用化學(xué)軟化
LSIC>1.8～2.0，加酸至LSIC達(dá)1.8～2.0，然后再投加阻垢劑；或完全采用化學(xué)軟化。
(一)、反滲透/納濾膜的結(jié)垢、沉積物質(zhì)
我們知道反滲透系統(tǒng)的脫鹽率一般在95%～98%，膜孔徑在10nm以下。反滲透系統(tǒng)在脫鹽過(guò)程中，隨著部分給水不斷的透過(guò)膜轉(zhuǎn)化成低含鹽的產(chǎn)品水（淡水），給水中絕大部分鹽類(lèi)保留在濃水側(cè)，導(dǎo)致濃水含鹽量上升。例如反滲透系統(tǒng)的回收率為75%時(shí)，即給水經(jīng)反滲透濃縮后，其從進(jìn)水到排水體積減少至25%，而排水水鹽類(lèi)和其它雜質(zhì)的濃度約為進(jìn)水的4倍。因此反滲透這一快速濃縮過(guò)程將導(dǎo)致難溶鹽類(lèi)的析出和膠體、細(xì)菌的吸附沉積。
膜結(jié)垢的物質(zhì)主要是難溶化合物，最常見(jiàn)的是CaCO3，其次是硅酸化合物（以SiO2表示），對(duì)于其他可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢的化合物還有CaF2、SrSO4和Ca3(PO4)2。
常見(jiàn)難溶鹽的容度積
鹽類(lèi) | Ksp（離子以mol/L計(jì)） | Ksp（離子以mg/L計(jì)） |
CaSO4 | 2.5×10-5 | 96300 |
SrSO4 | 6.3×10-7 | 5300 |
CaF2 | 5.0×10-11 | 723 |
Si(OH)4 | 2.0×10-3 | 96（SiO2 ） |
BaSO4 | 2.0×10-10 | 2.64 |
(二)、鐵、錳沉積
Fe和Mn等過(guò)度金屬對(duì)反滲透系統(tǒng)的危害主要是：①形成污堵。膠態(tài)鐵、錳化合物（如氧化鐵和氧化錳）引起水流通道和膜面的污堵。②為鐵細(xì)菌餌料，滋生生物粘泥。③有時(shí)會(huì)成為氧化反應(yīng)的催化劑。它們存在時(shí)，會(huì)加速膜的氧化和衰老。④降低阻垢劑藥效，例如某阻垢劑，當(dāng)鐵離子濃度從0增加到0.2mg/L時(shí)，阻垢率從73.19%下降到60.17%。
通常情況下這些地下水中的離子呈還原態(tài)，典型特點(diǎn)是鐵、錳在地下水中通常呈溶解性二價(jià)離子狀態(tài)，一旦從地下抽出與大氣接觸，過(guò)飽和的CO2進(jìn)入大氣中，與此同時(shí)，大氣中的O2溶解進(jìn)入水中，使還原態(tài)的低價(jià)鐵、錳氧化成難溶的高價(jià)鐵、錳。當(dāng)水中含氧量超過(guò)5mg/L時(shí)，Fe2+ 、Mn2+將轉(zhuǎn)化成 Fe3+、Mn3+，形成難溶的膠體氫氧化物顆粒。
鐵和錳的氧化反應(yīng)如下：
4Fe(HCO3)2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 + 8CO2
4Mn(HCO3) 2+ 2H2O → 4Mn(OH)3 + 8CO2
(三)、硅酸化合物
大多數(shù)水源中含1～50mg/L的硅酸化合物（常以SiO2 形式表示），天然水中硅酸化合物并不獨(dú)立存在，大致有三種形態(tài)：溶解態(tài)、交態(tài)、懸浮態(tài)。①溶解態(tài)：主要是單硅化合物，如 H2SiO4及其離解的離子。H2SiO4 是很弱的二元酸（pK1≈9, pK2 ≈12）,在pH低于9的范圍內(nèi)，電離度較低，故天然水中溶解的硅酸主要為分子態(tài)。②膠態(tài)：硅酸容易聚合，形成雙硅分子、三硅分子，最后形成完全不溶解的多硅分子聚合物{[ Si(OH)4]n }，而以膠體的形式存在于水中，③懸浮態(tài)：是指吸附在泥沙、粘土、懸浮顆粒、鐵鋁化合物顆粒、碳酸鈣鎂顆粒上的硅酸化合物，這些化合物往往在洪水季節(jié)劇增，可導(dǎo)致進(jìn)入反滲透的硅酸含量增加和SDI升高。
粘土顆?？煽闯墒且环N包含SiO2 和Al2O3 的兩性化合物。例如，某粘土SiO2 含量約占50%，Al2O3和 Fe2O3共占30%。
硅酸化合物三種形態(tài)可以相互轉(zhuǎn)變，大致規(guī)律為：pH值降低、溫度下降、硅酸化合物濃度增加，則膠態(tài)硅酸增加，溶解硅酸減少。在反滲透系統(tǒng)中，這種轉(zhuǎn)變還與反滲透膜密切相關(guān)，因?yàn)榉礉B透膜除硅率一般高達(dá)98%，所以硅酸化合物與Ca2+ 、Mg2+類(lèi)似，也會(huì)在膜表面處濃縮，高濃度的硅酸化合物會(huì)由單硅分子向二硅分子、多硅分子轉(zhuǎn)化，最后變成難溶膠態(tài)硅而沉積在膜表面。沉積的硅垢很難清洗，因?yàn)槟壳吧袩o(wú)適合反滲透系統(tǒng)硅垢清洗的特效藥劑。
(四)、微生物
反滲透給水中的微生物包括細(xì)菌、藻類(lèi)、真菌及其芽孢、孢子和病毒。細(xì)菌顆粒極小，粒徑一般為1～3 u m；病毒更小，粒徑為0.01～0.2 u m；藻類(lèi)、真菌比細(xì)菌大很多。地表水、市政廢水和循環(huán)冷卻水、河灘淺層地下水微生物較多，但以地下水為水源的反滲透系統(tǒng)也常出現(xiàn)細(xì)菌繁殖問(wèn)題。
反滲透裝置中的生物粘泥是微生物在具有有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下的新陳代謝產(chǎn)物。生物粘泥的黏附力較強(qiáng)，難以用水沖走。它既不溶于酸，也難溶于堿。粘泥外殼對(duì)包藏在內(nèi)部的微生物起保護(hù)作用。另外，預(yù)處理系統(tǒng)中的活性炭過(guò)濾器、微濾器和超濾的濾料、濾芯運(yùn)行時(shí)會(huì)截留大量有機(jī)物和微生物，如果不及時(shí)消毒或更換，則將成為微生物的溫床，水經(jīng)過(guò)這些設(shè)備后細(xì)菌不減反增。
生物污染會(huì)嚴(yán)重影響膜性能，運(yùn)行時(shí)反滲透膜面上一旦出現(xiàn)細(xì)菌群落，短則數(shù)天，長(zhǎng)則一、二個(gè)月，就會(huì)生成較厚粘泥膜，造成給水壓力升高，水通量下降。嚴(yán)重時(shí)還可導(dǎo)致膜元件變形并引起機(jī)械損傷。
反滲透(納濾)裝置的清洗
反滲透系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中，受溫度、壓力、pH值、進(jìn)水水質(zhì)等因素的影響。膜表面會(huì)逐漸積累各種污染物，如膠體、微生物、無(wú)機(jī)物垢、金屬氧化物等。這些物質(zhì)沉積在膜表面上，會(huì)引起反滲透裝置性能的下降。為了恢復(fù)膜的性能，需對(duì)膜進(jìn)行化學(xué)清洗和消毒。
一、清洗的判斷標(biāo)準(zhǔn)
反滲透系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，必須密切注意系統(tǒng)的脫鹽率、濃水量、透過(guò)水量以及膜組件給水側(cè)進(jìn)出口壓差的變化，盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并根據(jù)原水分析報(bào)告預(yù)測(cè)可能發(fā)生的污染，調(diào)整預(yù)處理方法和變更操作條件。為了準(zhǔn)確的判斷系統(tǒng)的清洗時(shí)機(jī)，應(yīng)依據(jù)膜元件生產(chǎn)商提供的系統(tǒng)設(shè)計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)化軟件對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，并和系統(tǒng)初始穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比，當(dāng)出現(xiàn)下列情形之一時(shí)需對(duì)反滲透系統(tǒng)(或膜元件)進(jìn)行清洗：
①運(yùn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，鹽透過(guò)率比初始值增加10％以上；
②運(yùn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，系統(tǒng)產(chǎn)水比初始值下降15％以上；
③運(yùn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，壓力容器壓差比初始值超過(guò)15%以上；
④作為日常維護(hù)，一般在正常運(yùn)行3～6個(gè)月后；
⑤需長(zhǎng)期停用，在用保護(hù)液進(jìn)行保護(hù)前。
二、清洗的方式
清洗的方式大致可分為：物理清洗（沖洗）、化學(xué)清洗（藥品清洗）和離線清洗（將膜元件取出清洗）三種方式。
1、 物理清洗（沖洗）
不改變污染物的性質(zhì)，采用低壓大流量水流沖洗出膜元件中的污染物，恢復(fù)膜元件的性能。物理沖洗最好在每次開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)進(jìn)行，這對(duì)于及時(shí)清除膜的污染物效果顯著。
沖洗的流速：裝置運(yùn)行時(shí)，顆粒污染物逐漸堆積在膜的表面。如果沖洗時(shí)的流速和制水時(shí)的流速相等或略低，則很難把污染物從膜元件中沖出來(lái)。因此，沖洗時(shí)要使用比正常運(yùn)行時(shí)更高的流速。通常單支壓力容器內(nèi)的沖洗流量(流量=流速×截面積)為：
8 英寸膜元件：7.2～12 m3/h；
4 英寸膜元件：1.8～2.5 m3/h。
沖洗的壓力：系統(tǒng)在正常高壓運(yùn)行時(shí)，污染物被壓向膜表面造成污染。所以在沖洗時(shí)，如果采用同樣的高壓，污染物仍會(huì)被壓在膜表面上，清洗的效果不會(huì)理想。因此在沖洗時(shí)，應(yīng)盡可能的通過(guò)低壓、高流速的方式，增加水平方向的剪切力，把污染物沖出膜元件。沖洗壓力通?？刂圃?.3 Mpa以下。
沖洗的頻率：條件允許的情況下，建議經(jīng)常對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行沖洗。增加沖洗的次數(shù)比進(jìn)行一次化學(xué)清洗更有效果。一般沖洗的頻度率推薦以一天1～2次為好。根據(jù)具體的情況，用戶(hù)可以自行控制沖洗的頻率。
沖洗的步驟：
①停止反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行。緩慢地降低操作壓力并停止裝置。如果快速停止裝置，壓力會(huì)急速下降，這可能會(huì)對(duì)管道、壓力容器以及膜元件造成損壞。
②開(kāi)關(guān)相關(guān)閥門(mén)：順序?yàn)槿_(kāi)濃縮水閥門(mén)——關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)——全開(kāi)產(chǎn)水閥門(mén)（如果運(yùn)行時(shí)產(chǎn)水閥門(mén)沒(méi)有全開(kāi)的情況）。如果錯(cuò)誤的關(guān)閉產(chǎn)水閥門(mén)，壓力容器中的后半部的膜元件可能發(fā)生產(chǎn)水背壓，造成膜元件破損。
③調(diào)節(jié)相關(guān)閥門(mén)完成沖洗作業(yè)：?jiǎn)?dòng)低壓沖洗泵；在緩慢打開(kāi)進(jìn)水泵的同時(shí)，查看濃縮水流量計(jì)的流量；調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門(mén)，調(diào)節(jié)流量和壓力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值；10～15 分鐘后慢慢地關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)，停止進(jìn)水泵。
④恢復(fù)正常運(yùn)行。按日常啟動(dòng)程序啟動(dòng)系統(tǒng)。
注意事項(xiàng)：
①進(jìn)水水泵需要滿足正常運(yùn)行時(shí)的進(jìn)水流量（進(jìn)水流量=產(chǎn)水流量+濃縮水流量），同時(shí)必須考慮滿足沖洗流量的要求。
②濃縮水管路和閥門(mén)的選擇也要考慮沖洗時(shí)的大流量。制水時(shí)，因?yàn)榛厥章矢?，濃縮水流量相對(duì)很小。沖洗作業(yè)時(shí)，要求低壓高流量，幾乎所有的進(jìn)水都從濃水管路排除，所以設(shè)計(jì)濃水管路和閥門(mén)時(shí)不僅要考慮造水時(shí)的流量也要考慮符合沖洗時(shí)的流量需要。如果僅僅考慮造水時(shí)的流量來(lái)設(shè)計(jì)管路和閥門(mén)，則在沖洗時(shí)濃水管路以及濃水閥門(mén)處的壓降升高，有可能達(dá)不到要求的流量或超過(guò)沖洗要求壓力。當(dāng)然，也可以考慮另外設(shè)置沖洗專(zhuān)用管路。
③選定流量計(jì)時(shí)要考慮到可以讀取沖洗時(shí)的最大流量。
④對(duì)于多段反滲透系統(tǒng)，為了能夠更有效的沖洗膜元件，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有必要按可以分段沖洗進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：如果進(jìn)行全段沖洗，前段的沖洗水和污染物會(huì)一起流入后一段中，容易造成后段的堵塞。段數(shù)的增加同時(shí)也意味著沖洗水流經(jīng)的膜元件數(shù)量增加。為了能夠達(dá)到流量要求，需要加大進(jìn)水壓力。由可能會(huì)超過(guò)沖洗壓力的允許值，導(dǎo)致膜表面的壓力升高，降低沖洗的效果。進(jìn)行第一段沖洗時(shí)，全開(kāi)第一段沖洗濃水排水管路的閥門(mén)，關(guān)閉第一段濃水和第二段進(jìn)水間閥門(mén)、第二段和第三段的進(jìn)水沖洗閥門(mén)。進(jìn)行第二段沖洗時(shí)，全開(kāi)第二段沖洗濃水排水管路的閥門(mén)，關(guān)閉第一段，第三段的進(jìn)水沖洗閥門(mén)，關(guān)閉第一段濃水和第二段進(jìn)水間閥門(mén)，關(guān)閉第二段濃水和第三段進(jìn)水間閥門(mén)。進(jìn)行第三段沖洗時(shí)，全開(kāi)第三段沖洗濃水排水管路的閥門(mén)，關(guān)閉第一段，第三段的進(jìn)水沖洗閥門(mén)，關(guān)閉第二段濃水和第三段進(jìn)水間閥門(mén)。
如下圖所示：
