电厂反渗透膜污染及控制策略的研究进展.pdf
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1、传源卤环境污染防治技术ISSN1672-9064CN35-1272/TK电厂反渗透膜污染及控制策略的研究进展郭洪涛1李大强1引张彦海2,3刘兆峰2,3(1国电建投内蒙古能源有限公司内蒙古鄂尔多斯0172092国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京10 2 2 0 93北京低碳清洁能源研究院北京10 2 2 0 9)摘要反渗透系统是电厂锅炉补给水的主流生产工艺,反渗透系统的平稳运行与电厂的安全、经济、高效运营息息相关,反渗透膜的污堵是影响反渗透系统运行的重大问题。针对此问题,首先介绍用于判断反渗透膜污染程度的系统标准化计算流程及判断基准。然后根据原水水源类型界定了反渗透膜污染的基
2、本类型,并分析了电厂反渗透系统中出现膜污染的原因、故障表现及膜污染类型和组成。最后总结出膜污染控制的不同处置思路及其应对策略。通过构建What-Why-How-How(2W2H)膜污染分析流程,为电厂反渗透系统的实际运行操作提供一定的借鉴及参考。关键词反渗透膜污染锅炉补给水污染控制电厂中图分类号:TK227文献标识码:A文章编号:16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 5-110-0 4(1)0引言锅炉补给水主要用于弥补发电厂发电过程中造成的蒸汽损失,且其水质高低直接影响到设备腐蚀速率及结垢程度,从而影响电厂设备的安全性和经济性。与传统电厂锅炉补给水制水工艺(离子交换法)相比,基于反渗
3、透(ReverseOsmosis,RO)技术的全膜法脱盐系统具有水质好、运行稳定、维护简单、占地小及药剂使用少等优势,故已发展成为电厂锅炉补给水的主流制水技术1-2 。RO系统在实际运行过程中,由于原水中不可避免存在污染物,易造成产水水质、产水量下降以及运行压力增大等情况。若不合理进行干预和针对性的处理,将严重影响电厂的正常运行3。因此,膜污染问题已成为制约RO技术应用推广的不利因素。本文针对电厂RO膜污染这一特定问题,通过系统地论述RO膜污染程度的判定基准,明确如何定量确定膜污染(Whatis membrane fouling from the quantitative perspectiv
4、e)。通过明确RO膜污染的类型,分析在电厂RO系统中出现膜污染的原因、故障表现及如何确定膜污染类型(Why ismembrane foulingforming and How to analyze membrane fouling),从而为后续膜污染控制策略提供基础。总结了面向电厂RO系统膜污染控制的不同处置思路及应对策略(Howto control membranefoul-ing)。通过本文的论述及构建的What-Why-How-How(2W2H)膜污染分析流程,以期为电厂RO系统的实际运行操作提供一定的借鉴及参考。1RO膜污染程度的判断基准为评价RO膜的污染程度,首先须对运行数据进行系统
5、标准化计算:基于相同操作压力、操作温度及回收率进行计算,收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 4作者简介:郭洪涛(198 6 一),男,本科,工程师,研究方向为电厂水处理。2023.NO.5.通过系统标准化计算确定压差(进水压力与浓水压力的差值)、脱盐率及产水量。具体计算流程如式(1)(7)所示(4)。1.1脱盐率的系统标准化计算根据测试工况数据,确定系统回收率,见式(1)。式中:Q测产及Q测浓分别为测试工况下的产水流量和浓水流量。之后,计算平均给水浓度,见式(2)。C平给=CmxY2*1-Y式中:C测给为测试工况下的给水浓度。最后,系统标准化计算得到的测试工况下的修正脱盐率见式(3)。C平给
6、-C洲产10 0%测修=C平给系统运行初期时的修正脱盐率见式(4)。初=1-(1-m n)x%TmQ物产*T物1.2压差的系统标准化计算根据测试工况数据,系统标准化计算得到的压差见式(5)。Ap 测丝=Apm(20m+Qm)(5)式中:Ap测为测试工况下的压差;Q初产及Q初浓分别为系统运行初期的产水流量和浓水流量。另外,系统运行初期的压差计算见式(6)。Ap 初=P 初进-P 初浓式中:P初进和p初浓分别为系统运行初期的进水压力与浓水压力。110Q洲10 0%(20初述+初产)1.5(2)(3)(4)(6)传源卤环境1SSN1672-9064CN35-1272/TK污染防治技术1.3产水量的系
7、统标准化计算由于原水中二氧化硅水解形成原硅酸,其溶解度低,很难通根据测试工况数据,系统标准化计算得到的产水量计算过前端过滤器有效去除;Fe和Mn等金属氧化物由于浓缩见式(7)。效应及pH变化形成胶体的氢氧化物,将造成过滤器的污堵。M(P 平初二P 初产-T 初)造成电厂RO系统胶体污染的原因在于原水中含有形成Q测修=Q 测产(7)T初*(P平测一P测产-T测)式中:P平初和p平测为系统运行初期及测试工况下的料液侧平均压力(即进水压力与浓水压力的算术平均值),P初产和p测产为系统运行初期及测试工况下的产水压力,T初和测为系统运行初期及测试工况下的膜两侧的渗透压差(可用范霍夫公式近似计算)。基于以
8、上结果,若脱盐率下降5%以上即(n 初修-n 测修)m 初修5%或进水与浓水之间的压差增加15%以上即(Ap测修-Ap初)Ap初15%)或产水量下降10%以上即(Q初产-Q测修)/Q初产10%,则判定反渗透膜污堵程度较为严重,下一步须立即对膜污染进行针对性分析(若膜性能下降至原性能的30%50%,则很难清洗恢复膜的初始性能5),判定产生原因并做出膜污染控制措施。2RO膜污染类型、产生原因及故障表现绝大多数电厂锅炉补给水的水源为地表水或地下水(极少数使用海水作为原水3.6 ),根据原水水质组成及处理工艺的差异,造成反渗透膜污染类型主要有微生物污染、无机垢污染、胶体污染及有机物污染4类7 。但在实
9、际运行条件下,膜污染通常由以上4类共同作用所致。2.1微生物污染产生原因及故障表现为保证RO系统的运行效率,原水温度通常保持在2 5左右。由于膜的浓缩效应,浓水侧营养物质不断浓缩富集。因此,一旦原水存在微生物(无论是细菌、真菌或者酵母)及含有一定量的营养物可生物降解有机碳((Biodegradable dissolvedorganiccarbon,BDOC),膜表面将为其提供了理想的生存环境8 。微生物快速繁殖,通过胞外聚合物黏附于膜表面,且膜表面水流造成的表面剪切力及化学消毒药剂难以有效将其根除。通常造成电厂RO系统微生物污染的原因在于原水污染物含量较高,同时水质波动较大,造成预处理阶段杀毒
10、效果不佳,从而为微生物污染提供了可能9。微生物污染通常将造成故障表现为:产水量的下降及反渗透膜进水与浓水压力差的剧增,但脱盐率通常不受影响。因此,可通过运行数据中3个指标的变化情况,初步判定是否为微生物污染。2.2无机垢污染无机垢的形成主要是水中难溶盐不断浓缩,浓水出口端离子浓度超过其离子浓度积时,将在膜表面形成致密且难以清洗的泥饼层。通常,电厂反渗透系统中无机垢主要有钙的难溶盐(如碳酸钙、硫酸钙或磷酸氢钙等)、二氧化硅垢、硫酸钡等。由于原水中难溶盐离子浓度较高,且预处理不当增加结垢风险或回收率过高10 。另外,无机垢污染造成的故障表现为:脱盐率下降、水通量下降且运行压差增大。因此,可通过运行
11、数据中3个指标的变化情况,初步判定是否为无机垢污染。2.3胶体污染胶体是具有1nmlm粒径的微粒子,胶体污染主要是:胶体的金属离子或二氧化硅浓度较高,或者RO前端保安过滤器失效10 。另外,胶体污染造成的故障表现为:脱盐率下降、水通量下降且运行压差增大。因此,可通过运行数据中3个指标的变化情况,初步判定是否为胶体污染。2.4有机物污染常规的芳香族聚酰胺RO膜通常表面带负电,若水体中有机物带正电,即使浓度再低,也极易吸附在膜表面造成膜性能的大幅衰减。造成电厂RO系统胶体污染的原因在于:原水中含有的部分天然有机物,其浓度通常与季节有强关联性;运行过程中加人化学品(如絮凝剂、阻垢剂、还原剂或杀菌剂)
12、11。另外,有机物污染造成的故障表现为:脱盐率不变、水通量下降且运行压差不变。因此,可通过运行数据中3个指标的变化情况,初步判定是否为有机物污染。3RO膜污染类型的分析方法通过系统标准化计算得到的水通量、脱盐率及运行压差的变化,可初步预估是哪一类污染,但无法确定污染物类型,将无法有效开展后续清洗及污染控制操作。通常而言,膜元件性能下降及污染物质的确认方法主要有膜元件的外观及性能检查、附着物外观观察、FT-IR分析及SEM-EDS/XMA/XRD分析等12 。3.1膜元件的外观及性能检查首先,通过外观观察及称重测试,初步判断膜元件是否有明显的物理破损或者污染物附着。其次,通过真空检查、水密检测,
13、判断膜是否出现破损,并可确定破损位置。最后,膜用标准测试条件复测膜元件,通过脱盐率、产水量及压差的变化情况,初判膜污染类型。需要注意的是:出现膜劣化、机械损伤或连接件密封不严时,脱盐率下降、水通量上升及压差不变。3.2附着物的外观观察及组成分析首先,根据污染物颜色、触摸手感及气味判断。如气味腥臭、膜元件及膜壳内壁光滑,通常为微生物污染。其次,对膜元件进行解体,采集附着物样本及膜样本。最后,通过FT-IR提供信息,初步判定污染物成分;通过SEM-EDS.XMA、X R D 分析,推测污染物大小、类型、程度、元素组成、晶体晶型。4RO污染的控制策略根据污染物分析手段确定污染物类型,确定膜污染控制及
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