反滲透裝置運(yùn)行管理中若干問(wèn)題的探討
純水及超純水是目前微電子、電力（包括核電）、生物工程、基本粒子研究等尖端工業(yè)和科學(xué)研究中不可缺少的基礎(chǔ)材料之一。目前工業(yè)化制造超純水的典型工藝流程是反滲透與離子交換技術(shù)相結(jié)合。由于反滲透工程不僅對(duì)陰陽(yáng)離子具有90％以上的脫除率，而且具有99％的除菌和熱源能力，同時(shí)對(duì)中性的二氧化硅和分子量300以上的微量有機(jī)物具有較高的脫除率。從而使離子交換床的再生周期延長(zhǎng)約10倍，廢水排放量是全離子法的1／10左右，尤其重要的是使隨后的混合床出水的電阻率長(zhǎng)期穩(wěn)定在17-18MΩ-cm（25℃）。因此，近幾年來(lái)，此項(xiàng)技術(shù)日趨成熟，我國(guó)已具有許多專業(yè)生產(chǎn)反滲透設(shè)備廠家，可為電力、治金、輕工、汽車、半導(dǎo)體、化工、制藥、食品、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)提供高品質(zhì)的純水。超純水系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行的關(guān)鍵是反滲透裝置的運(yùn)行管理。本文就這一問(wèn)題作一綜合性的討論，供有關(guān)人員參考。
要使反滲透裝置得到長(zhǎng)期穩(wěn)定的性能，除了選用組件和系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)合理以外，良好的運(yùn)行管理是一個(gè)非常重要的因素，運(yùn)行管理認(rèn)真、仔細(xì)、嚴(yán)格可延長(zhǎng)反滲透膜元件的使用壽命，反之要使反滲透裝置達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)也是困難的，因此，在長(zhǎng)期運(yùn)行管理中應(yīng)著重注意如下問(wèn)題。
1 嚴(yán)格控制運(yùn)行條件
根據(jù)用戶原水分析報(bào)告，為了滿足對(duì)脫鹽率、產(chǎn)水率、回收率、壽命等要求，選擇合適的組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，組裝反滲透裝置。操作壓力、回收率（或濃水排放量）、進(jìn)水的SDI（污染指數(shù)）、PH、余氯和溫度是反滲透裝置的主要運(yùn)行控制參數(shù)；脫鹽率、產(chǎn)水量和裝置的壓力降是三個(gè)主要監(jiān)視性能參數(shù)。操作管理人員必須嚴(yán)格遵守，絕不能隨意改變操作條件。特別要防止提高回收率來(lái)增加產(chǎn)水量，導(dǎo)致反滲透膜面產(chǎn)生結(jié)垢；要防止在SDI值超標(biāo)的情況下繼續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致反滲透膜的堵塞；要防止在允許最大壓差以上繼續(xù)工作而造成膜元件的破壞性損壞。
2 防止碳酸鈣、硫酸鈣和二氧化硅的沉淀
在超純水制造系統(tǒng)中，原水往往是苦咸水或城市自來(lái)水，而CaCO3、CaSO4、SIO2是反滲透膜面形成水垢的三種主要物質(zhì)。在工程中，往往在保安過(guò)濾器前注入酸，降低pH值來(lái)防止CaCO3的沉淀，對(duì)醋纖膜講，調(diào)節(jié)進(jìn)水PH值的另一個(gè)重要作用是降低膜的水解速度；注入SHMP或FLOCON－100絡(luò)合劑來(lái)防止CaSO4的沉淀；或者在預(yù)處理系統(tǒng)中設(shè)置軟化器來(lái)同時(shí)防止CaCO3和CaSO4的沉淀；SiO2的沉淀一般通過(guò)提高進(jìn)水溫度或降低回收率來(lái)防止；但由于原水中的各種離子是隨季節(jié)的變化而變化，特別在工廠改變水源后，變化則更大，因此，己投入運(yùn)行的反滲透系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)水和排放水每季度進(jìn)行一次全面分析，通過(guò)計(jì)算LSI指數(shù)，硫酸鈣濃度積來(lái)預(yù)測(cè)反滲透膜面是否產(chǎn)生碳酸鈣、硫酸鈣的沉淀是十分必要的。當(dāng)反滲透濃水的 LSI＜0，濃度積＜10×10-5時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生碳酸鈣、硫酸鈣的沉淀。對(duì)于SiO2沉淀，同反滲透裝置的進(jìn)水溫度密切有關(guān)，濃水中的二氧化硅濃度，25℃時(shí)不能超過(guò)100mg/l，5℃時(shí)則不能超過(guò)25mg/l。因此，當(dāng)預(yù)處理系統(tǒng)中無(wú)加熱設(shè)備時(shí)，在冬季要十分注意二氧化硅沉淀物對(duì)膜元件的污染問(wèn)題，嚴(yán)格控制濃水中的二氧化硅含量，其值不能超過(guò)在該溫度下的溶解度。值得一提的是SHMP在四小時(shí)以后將失效，因此，如反滲透裝置停運(yùn)4h以上時(shí)，應(yīng)低壓運(yùn)行10min，將反滲透裝置中的濃水置換掉。
3 防止膠體對(duì)反滲透膜的污染
由于反滲透膜對(duì)膠體具有非常高的去除效果。從而使反滲透裝置中膜面的膠體濃度，沿水流方向不斷提高，當(dāng)回收率75％時(shí)，裝置中最后一級(jí)膜元件水中的膠體濃度大約是第一級(jí)的四倍。膠體在膜面的沉淀主要取決于二個(gè)因素，即膠體的濃度和凝聚速率常數(shù)。膠體的濃度可以用污染指數(shù)（SDI值）測(cè)量，而速率常數(shù)與2ETA電位有關(guān)。人們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)踐中，已經(jīng)找到了為防止膜被膠體的污染而需要控制的SDI值，就卷式裝置來(lái)說(shuō)，SDI值要控制在4以下或MF值小于150S。中空裝置，SDI值應(yīng)控制在3或4以下，這樣可使膠體污染程度降到反滲透裝置可以正常運(yùn)行的地步。值得一提的是當(dāng)進(jìn)水的2ETA電位大于負(fù)30毫伏時(shí)，反滲透進(jìn)水的SDI值可以提高。如中空纖維組件可以從SDI＜3提高到SDI＞5。一般講，膠體污染多半存在于以地表水為水源的系統(tǒng)中，由于膠體的種類及真濃度將隨季節(jié)的變化而變化，盡管預(yù)處理設(shè)備選用時(shí)考慮了這種變化，但由于波動(dòng)太大，往往原有預(yù)處理系統(tǒng)不適應(yīng)，從而導(dǎo)致SDI值經(jīng)常超標(biāo)。因此，SDI值的監(jiān)測(cè)在反滲透運(yùn)行管理中就顯得尤為重要。操作人員應(yīng)該通過(guò)日常小試驗(yàn)來(lái)確定實(shí)際運(yùn)行中化學(xué)藥劑的最佳注入量，同時(shí)要防止注入藥劑過(guò)量而產(chǎn)生新的膠體污染。
4 防止微生物對(duì)膜的侵蝕和污染
目前商品化的反滲透膜材料主要有醋酸纖維和聚酰胺二大類，而醋酸纖維素膜裝置是目前超純水制造系統(tǒng)中常用且經(jīng)濟(jì)的反滲透裝置。但真最大的缺點(diǎn)之一就是抗微生物的侵蝕能力較差。聚酰胺類膜盡管能抗微生物侵蝕，但污染問(wèn)題仍然存在。大量微生物在膜、組件內(nèi)的大量繁殖，將造成三方面的不良后果，第一是微生物要吞食反滲透膜，脫鹽層被侵蝕而使脫鹽率下降（僅對(duì)CA膜）；第二是微生物的大量繁殖和代謝，產(chǎn)生大量的膠體物質(zhì)，致使膜被堵塞造成通水量下降；第三將造成產(chǎn)水中細(xì)菌總數(shù)的增加，這一點(diǎn)特別對(duì)超純水系統(tǒng)的可靠長(zhǎng)期運(yùn)行是十分不利的，大量的細(xì)菌進(jìn)人后面的離子交換設(shè)備，將造成最終超純水的電阻率逐漸下降，TOC，細(xì)菌總數(shù)和微顆粒總數(shù)也隨之增大。因此，微生物對(duì)膜的侵蝕和污染不僅直接影響反滲透裝置的性能，而且對(duì)整個(gè)超純水系統(tǒng)的長(zhǎng)期性能也影響極大，必須引起高度重視造成微生物在組件內(nèi)的大量繁殖有二方面的原因，其一進(jìn)水的余氯值控制得偏低（對(duì)CA膜）；另外是反滲透裝置的容量選擇過(guò)大而導(dǎo)致運(yùn)行率太低。實(shí)踐證明，醋酸纖維素膜，在其進(jìn)水中能維持0.2－0.5mg／l的余氯，就可防止微生物的繁殖。定期地分析進(jìn)水、濃水中的細(xì)菌總數(shù)可以判斷反滲透裝置內(nèi)部是否有微生物大量繁殖。如果進(jìn)水中含有大量微生物，往往會(huì)出現(xiàn)SDI值達(dá)不到指標(biāo)的現(xiàn)象。
5 防止膜的水解和氧化
在長(zhǎng)期運(yùn)行管理中，注意控制醋酸纖維素膜的水解速度是十分重要的。水解速度與進(jìn)水的PH值和溫度密切有關(guān)，在較低或較高的pH值下都會(huì)造成較快的水解速度，真水解速度最低的pH值范圍是4-6。同時(shí)，水解速度隨進(jìn)水溫度的升高而加快。因此，在實(shí)際管理中，除了正常的pH檢測(cè)以外，還必須對(duì)PH測(cè)量、顯示儀表定期地進(jìn)行校正，防止PH值失控而加快膜的水解。從而延長(zhǎng)膜的使用壽命，而聚酰胺類膜的突出問(wèn)題是防止其被氧化。進(jìn)水余氯值和強(qiáng)氧化均對(duì)其造成不利的影響，必須嚴(yán)格控制，美國(guó)ESPA1型中空纖維膜，進(jìn)水余氯值必須小于0.01mg／l。值得一提的是南方許多城市自來(lái)水的余氯值隨時(shí)間變化很大，特別在夏季余氯值往往高達(dá)數(shù)+mg／l，這時(shí)，對(duì)CA膜可以將原次氯酸鈉改成亞硫酸鈉，對(duì)聚酰胺膜，可以采用過(guò)量的亞硫酸鈉去余氯，從而防止膜的氧化。
6 防止金屬氧化物對(duì)膜的污染
原水中溶解性的金屬鹽，在反滲透裝置中可能會(huì)產(chǎn)生沉淀而污染膜。最常見(jiàn)的有氫氧化鐵、氫氧化鋁和氧化錳。氫氧化鐵產(chǎn)生的原因有：（1）二價(jià)鐵的氧化；（2）預(yù)處理系統(tǒng)管閥件和設(shè)備的腐蝕；（3）調(diào)節(jié)pH用酸中的含鐵量超標(biāo)。
表1 反滲透進(jìn)水鐵離子的控制值
氧含量（mg/l) pH值 Fe++控制值（mg/l）
＜0.5 ＜6 4
0.5-5 6-7 0.5
5-10 ＞7 0.05
為了防止鐵的污染，首先必須控制進(jìn)水中鐵的濃度，而該值與進(jìn)水中的含氧量和PH值密切有關(guān)（表1）。目前，工程中除鐵的方法是氧化--過(guò)濾法，即首先用次氯酸鈉氧化，隨后經(jīng)雙層過(guò)濾器將其除掉。軟化器具有除鐵功能，但如果原水中鐵含量大于1mg/l，樹脂同樣受到鐵的污染。鋁對(duì)膜的污染是由于氫氧化鋁沉淀而導(dǎo)致的，氫氧化鋁沉淀物通常以膠體形式存在，鋁離子是一種兩性離子（鋁能和酸或堿反應(yīng)）并在6.5－6.7的pH范圍內(nèi)具有最小的溶解度，如果鋁凝聚過(guò)程在太高或太低的PH值下進(jìn)行，鋁離子將進(jìn)入反滲透裝置中造成膜的污染，因此對(duì)于采用鋁鹽為聚凝劑的預(yù)處理系統(tǒng)，其PH值最好控制在6.5－6.7，使鋁的溶解度達(dá)到最小，并且定期監(jiān)測(cè)經(jīng)預(yù)處理過(guò)的水中的鋁含量，控制在0.05mg／L以下。
7 反滲透膜的清洗
反滲透裝置盡管采用了合理的預(yù)處理系統(tǒng)，和良好的運(yùn)行管理，它只能使反滲透膜的污染程度降到最低限度，要完全消除膜的污染是不可能的。因此，反滲透裝置在正常運(yùn)行一段時(shí)間之后，將受到各種微量有機(jī)物、無(wú)機(jī)物的污染。當(dāng)膜受到污染后，往往會(huì)出現(xiàn)反滲透裝置的產(chǎn)水量、脫鹽率和裝置進(jìn)出口壓力降增大等明顯征狀。當(dāng)裝置的產(chǎn)水量下降10％（在同溫度和壓力下），鹽透過(guò)量增加一倍，壓降增加一倍，這三種現(xiàn)象出現(xiàn)其中一個(gè)時(shí)，進(jìn)行化學(xué)清洗是必要的。同時(shí)當(dāng)反滲透裝置需要長(zhǎng)期停用而進(jìn)行保護(hù)之前，也需要進(jìn)行化學(xué)清洗。值得注意的是，如果進(jìn)水溫度降低也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)水量下降，這是正常的，并不表明膜被污染，預(yù)處理、高壓等方面產(chǎn)生故障也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水壓力、進(jìn)水流量、產(chǎn)水流量和脫鹽率的下降。化學(xué)清洗時(shí)，首先是要判斷污染物的種類，然后根據(jù)膜的特性選擇合適的清洗配方和清洗工藝（表2）。要注意控制清洗液的PH值、溫度和每根組件的進(jìn)入流量，清洗效果可以通過(guò)比較清洗前后裝置的脫鹽率、產(chǎn)水量和壓力降等性能來(lái)確認(rèn)，除了周期性的化學(xué)清洗之外，每次停車之后，用預(yù)處理水或反滲透水進(jìn)行低壓大流量沖洗，這對(duì)于降低膜污染的速度，延長(zhǎng)化學(xué)清洗的周期和膜的使用壽命是有效的。
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8 RO系統(tǒng)控制自動(dòng)化
由于微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)日見(jiàn)成效，RO系統(tǒng)控制己經(jīng)完全自動(dòng)化。
8.1 整套系統(tǒng)采用可編程控制器控制
控制系統(tǒng)具有集成功能，實(shí)時(shí)特性，因此可以滿足流程控制需要，亦可增加彩色觸摸屏CRT顯示器終端與可編程控制器（PLC）配合，可實(shí)現(xiàn)流程動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)和流程自動(dòng)顯示，輕觸操作，數(shù)據(jù)表格顯示，定時(shí)、即時(shí)打印，并能通過(guò)串行口和辦公室計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。該自動(dòng)控制系統(tǒng)采用程序 控制自動(dòng)開機(jī)，壓力、流量、電導(dǎo)、水箱液位等數(shù)據(jù)采集，故障判斷報(bào)警及自動(dòng)故障處理。
8.2 信息參數(shù)
所有制水流程中的流量、壓力、電導(dǎo)率等都在管道中在線設(shè)置傳感元件現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。
8.3 檢測(cè)儀表及控制保護(hù)
反滲透產(chǎn)水管路均安裝了一臺(tái)連續(xù)檢測(cè)的電導(dǎo)儀，以監(jiān)測(cè)反滲透裝置運(yùn)行性能及產(chǎn)水電導(dǎo)率。
在反滲透的濃水管路上設(shè)置了一臺(tái)快關(guān)的電磁閥。開機(jī)時(shí)，電磁閥處于全開狀態(tài)，這時(shí)可對(duì)反滲透膜進(jìn)行低壓沖洗，沖洗一段時(shí)間后電磁閥關(guān)閉，反滲透設(shè)備正常產(chǎn)水，這樣還可避免由于高壓泵突然起動(dòng)升壓對(duì)反滲透膜的沖擊損壞作用；停機(jī)的，先打開電磁閥，沖洗掉反滲透膜表面上的濃縮物質(zhì)，沖洗一段時(shí)間后再停機(jī)。在高壓泵的進(jìn)口處設(shè)置的低壓保護(hù)開關(guān)，當(dāng)預(yù)處理部分供水不足使高壓泵入口水壓低于某一設(shè)定值的，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉高壓泵，保護(hù)了高壓泵不在空轉(zhuǎn)情況下工作；當(dāng)真它原因操作時(shí)，使高壓泵出口壓力超過(guò)某設(shè)定值時(shí)，高壓泵出口處設(shè)置的高壓保護(hù)開關(guān)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉高壓泵，以保護(hù)高壓泵不在超壓下運(yùn)行。
該系統(tǒng)裝設(shè)下列儀表：進(jìn)水流量表；產(chǎn)水電導(dǎo)率表；產(chǎn)水流量表；各級(jí)進(jìn)出口壓力表；高壓系進(jìn)出口壓力控制器。
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