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反渗透膜污染原因分析

膜污染是指在膜过滤过程中，给水中的颗粒、胶体、或溶质ぷ分子在膜表面发生物理化学相互作用，或因为浓差极化使一些溶质在膜表面超过其溶度积及机械作用而引起的在膜表面ζ　或膜孔内吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流卐量与分离特性发生变化的现象。

当难溶盐类在膜元件内不断〗被浓缩且超过其溶解度极限时，它们就会在反渗透或纳滤膜表面上发生结垢，当反渗透①水处理系统采用50%回收率操→作时，其浓水中的Ψ 盐浓度就会增加到进水浓度的两倍；当回收率75%时，浓缩4倍。回收率越▂高，产生结垢的风险性就越大。目前出于水源短缺或对环境影响的考虑，设置反渗透浓水回收系统以提高回收率成为一种习惯做法→，在这种情况下▅，采取精心设计、考虑周全的♂结垢控制措施和防止微溶⊙性盐类超过其溶解度而引发沉淀与结垢尤为重要，RO/NF系统中，常见的难溶盐为CaSO4 ，CaCO3 ，SiO2，其它可能会产生结垢的化合物为CaF2 ，BaSO4 ，SrSO4 ，Ca (PO4)2。

在系统设计、运行中，可以通过提高浓水的流速、降低系统的回收率※、适当的『提高给水的温度、添加相应的阻垢剂等方法来降低〖浓差极化，提高系统的运行质量。

当通过计算◥或者软件模拟发现反渗透浓水的LSIC或SDI指数大于0时、或其他难溶盐超过其溶度积时，为了防止无机盐结垢，可以在原水中加︾入阻垢剂。

对于含盐量TDS≤10,000mg/L的苦咸水，朗格利尔ζ　指数（LSIC）作为表示CaCO3结垢可能性的指标。

LSIC = pHC - pHS

式中pHC为浓水pH值；pHS为CaCO3饱和时的pH值

当LSIC≥0，就会出现CaCO3结垢。

LSI C 的调节：

大多数天然水未经处理】时，LSIC将会是正【值，为了防止CaCO3结垢，除非在膜系统进水中投加阻垢剂或采取前面介绍的预防性清洗措施，否则必须确保LSIC为负值。

控制 CaCO 3 结垢的条件为：

LSIC<0，不需要投加阻垢剂；

LSIC≤1.8～2.0，单独加阻垢剂或完全々采用化学软化

LSIC>1.8～2.0，加酸至LSIC达1.8～2.0，然后再○投加阻垢剂；或完全采用化学软化。

(一)、反渗透/纳滤膜的结垢、沉积物质

我们知道反渗透系统的脱盐率一般在95%～98%，膜孔径在10nm以下。反渗透系统在脱盐过程中，随着部分给水不断的透过膜转化成低含◤盐的产品水（淡水），给水中绝大部分盐类保留在浓水侧，导致︽浓水含盐量上升。例如反渗■透系统的回收率为75%时，即给水经反渗∮透浓缩后，其从进水〖到排水体积减少至25%，而排水水盐类和其它杂质的浓度约为进水的4倍。因此反渗透这一快速浓缩过程将导致难溶盐类的析出和胶体、细菌的吸附沉积。

膜结垢的物质主要是难溶化合物，最常□见的是CaCO3，其次是硅酸化合¤物（以SiO2表示），对于其他可能会产生结垢的化合物还有CaF2、SrSO4和Ca3(PO4)2。

常见难溶盐的容度积

盐类 | Ksp（离子以mol/L计） | Ksp（离子以mg/L计）
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)、铁、锰沉积

Fe和Mn等过度金属对反渗透系统的危害主要是：①形成污堵。胶态铁、锰化合物（如氧化铁和氧化锰）引起水流通道和膜面的污堵。②为铁细菌饵①料，滋生生物粘▆泥。③有时会成为氧化反应的催化剂。它们存在时□　，会加速╳膜的氧化和衰老。④降低阻垢剂药效，例如某阻垢剂，当铁离子浓度从0增加到0.2mg/L时，阻垢率从73.19%下降到60.17%。

通常情况下这些地下水中的离子呈还原态，典型特点是铁、锰在地下水中通常呈溶解性→二价离子状态，一旦从地下抽出与大气∩接触，过饱和的CO2进入大①气中，与此同时，大气中的O2溶解进入水中，使还原态的低价铁、锰氧化成难溶的高价铁、锰。当水中含氧量超过5mg/L时，Fe2+ 、Mn2+将转化成 Fe3+、Mn3+，形成难溶的胶体氢氧化物颗粒。

铁和锰的氧↓化反应如下：

4Fe(HCO3)2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 + 8CO2

4Mn(HCO3) 2+ 2H2O → 4Mn(OH)3 + 8CO2

(三)、硅酸№化合物

大多数水源中含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独立存在，大致有三种形态：溶解态、交态、悬浮态。①溶解态：主要是单硅化合物，如 H2SiO4及其离解的离子。H2SiO4 是很弱的二元酸（pK1≈9, pK2 ≈12）,在pH低于9的范围内，电离度较低，故天然『水中溶解的硅酸主要为分子态。②胶态：硅酸容▽易聚合，形成※双硅分子、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 }，而以胶体的形式存在于水中，③悬浮态：是指吸附在泥沙、粘土、悬浮颗粒、铁铝化合物颗粒、碳酸⌒　钙镁颗粒上的硅酸化合物，这些化合物往往在洪水季节剧增，可导致进入反渗透的硅酸含↑量增加和 SDI升高。

粘土颗粒可看成是一种包含SiO2 和Al2O3 的两性∑化合物。例如，某粘土SiO2 含量约占50%，Al2O3和 Fe2O3共占30%。

硅酸化合物三种形态可以相互转变，大致规律为：pH值降低、温度下降、硅酸化合物浓度增加，则胶态硅酸增加，溶解∏硅酸减少。在反渗透系统中，这种转变还与反渗透膜密▼切相关，因为反渗透膜除硅率一々般高达98%，所以硅酸化合物与Ca2+ 、Mg2+类似，也会在膜表面处浓缩，高浓度的硅酸化合物会由单硅分子向二硅分子、多硅分子转化，最后变成难溶胶态硅而ㄨ沉积在膜表面。沉积的硅◤垢很难清洗，因为目前尚无适合反渗透系统硅垢清洗的特效药剂。

(四)、微生物

反●渗透给水中的微生物包括细菌、藻类、真菌及其芽孢、孢子和病毒。细菌颗粒极小，粒径一般为1～3 u m；病毒更小，粒径为0.01～0.2 u m；藻类、真菌比细菌大很多。地表水、市政废水和循环冷却水、河滩浅层地◥下水微生物较多，但以地下水为□水源的反渗透系统也常出现细菌繁殖问题。

反渗透装置中的生物粘泥是微生物在具有有机物和无机物的营养环境下的新陈代谢产物。生物粘泥的黏附力较强，难ぷ以用水冲走。它既不溶于酸①，也难溶于碱。粘泥外壳对包藏在内部的微生物起保护作用。另外，预处理系统☆中的活性炭过滤器、微滤器和超滤的滤料、滤芯运行时会截留大量有机物和微生物，如果不及时消毒或更换，则将成为微生物的温床，水经过这些设备后细菌不减反增。

生物污染会严重影响膜性能∩，运行时反渗透膜面上一旦出现细菌群落，短则数天，长则一、二个月，就会生成较厚粘泥膜◣，造成给水压力升高，水通量下降。严重时还可导致膜元件变形并引起机械损伤。

反渗透(纳滤)装置的清洗

反渗透系统在长期运行中，受温度、压力、pH值、进水水质等因素的影≡响。膜表面会逐渐积累↓各种污染物，如胶体、微生物、无机物垢、金属氧化物等。这些物质沉积在膜表面上↘，会引起反渗透装置性能的下降。为了恢复膜的性能，需对膜进行化学清洗和消毒。

一、清洗的判断标准

反渗透系统运行过程中，必须密切注意系统的脱盐率、浓水量、透过水量以及膜组件▽给水侧进出口压差』的变化√，尽早发现问题，并根据原水分析报告预测可能发生的污染，调整预处理方法和变更操作条件。为了准确的判断系统的清洗时机，应依据膜元件生产商提供的系统设计或标准︻化软件对运行数据进行标准化计算，并和系统初始稳定运◢行时的数据对比，当出现下⌒　列情形之一时需对反渗透系统(或膜元件)进行清洗：

①运行数据标准化后，盐透过率比初★始值增加10％以上；

②运行数据标准化后，系统产水比初始值下降15％以上；

③运行数据标准化后，压力容器压差比初始值超过15%以上；

④作为日常维☆护，一般在正常运行3～6个月后；

⑤需长△期停用，在用保护液进行保护前。

二、清洗的方式

清洗的方式大致可分为：物理清洗（冲洗）、化学清洗（药品清洗）和离线清洗（将膜元件取出清洗）三种方式。

1、 物理清洗（冲洗）

不改变污染物的性质，采用低压大流量水流冲洗出膜●元件中的污染≡物，恢复膜元件的性能。物理冲洗最好在每次开机和关机时进行，这对于及ζ　时清除膜的污染物效果显著。

冲洗的流速：装置运行时，颗粒污染物逐渐堆积在膜的表面。如果冲洗时的流速和制水时的流速相等或♂略低，则很难把污染物从膜元件中冲＠出来。因此，冲洗时要使用比正常运行时更『高的流速。通常单支压力容器◥内的冲洗流量(流量=流速×截面积)为：

8 英寸膜元件：7.2～12 m3/h；

4 英寸膜元件：1.8～2.5 m3/h。

冲洗的压力：系统在正常高压运行时，污染物被压向膜表面造成污染。所以在◥冲洗时，如果▂采用同样的高压，污染物仍会被压在膜表面上，清洗的效果不会理想。因此在冲洗【时，应尽可能的通过低压、高流速的方式，增加水平方向的剪切力，把污】染物冲出膜元件。冲洗压力通常控制在0.3 Mpa以下。

冲洗◥的频率：条件允许「的情况下，建议经∩常对系统进行冲洗。增加冲洗的次数比进行一次化学清洗更有效果。一般冲洗的频度率推荐以一天1～2次为好。根据具体的情况，用户≡可以自行控制冲洗的频率。

冲←洗的步骤：

①停止反渗透系统的◥运行。缓慢地降低操作压力并停止装置。如果快速▆停止装置，压力会急速下降，这可能会对管道、压力容器以及膜元件造成损坏。

②开关相关阀㊣门：顺序为全开浓缩水阀门——关闭进水阀门——全开产水阀》门（如果运行时产水阀门没有全◆开的情况）。如果错误的关闭产水阀门，压力容器中的后半部的膜元件可能发生产水背压，造成膜元件破损。

③调节相关阀门完成冲洗作业：启动低压冲◢洗泵；在缓慢打开进水泵∞的同时，查看浓缩水︻流量计的流量；调节进水阀门，调节流量和压力达到标准值；10～15 分钟后慢慢地关闭进水阀门，停止进水泵。

④恢复正╳常运行。按日常启动程序启动系统。

注意事项：

①进水∮水泵需要满足正常运行时的进水流量（进水流量=产水流量+浓缩水流量），同时必须考虑满足冲洗流◆量的要求。

②浓缩水管路和√阀门的选择也要考虑冲洗时的大流量。制水时，因为回收率高，浓缩水流量相对很小。冲洗作业时，要求低压高流量，几乎♂所有的进水都从浓水管路排除，所●以设计浓水管路和阀门时不仅要考虑造水时的流量也要考虑符合冲洗时的流量需要。如果仅仅考虑造︾水时的流量来设计管路和阀门，则在冲洗时浓水管路以及浓水阀门处的压降升高★，有可能达不到要求的流▲量或超过冲洗要求压力。当然，也『可以考虑另外设置冲洗专用管路。

③选定流量计时要考虑到可以读取冲洗ξ时的最大流量。

④对于多段反渗透系统，为了能够更有效的冲洗膜元件，系统的设计有必要按可以分段冲洗进行设计。这样的系统具有以下优点：如果进行全段冲洗，前段的冲洗水和污染物〓会一起流入后一段中，容易造成后段的堵塞。段数的增加同时也意味着冲洗水流经◤的膜元件数量增加。为了能够达到流量要求，需要加大进水压力。由可能会超过冲洗压力的允许值，导致膜表∑面的压力升高，降低冲▓洗的效果。进行第一段冲洗时，全开第一段冲洗浓水排水管路的阀门，关闭第一←段←浓水和第二段进水间阀门、第二段和第三◥段的进水冲洗阀门。进行第二段冲洗时，全开第二段冲洗浓水排水管路的阀门，关闭第一段，第三段的进水冲『洗阀门，关闭第一段浓水和第二段进水间△阀门，关闭第二段浓水和第三段进水间阀门。进行第↘三段冲洗时，全开第三段冲洗浓水排水管路的阀门，关闭第一段，第三段的进水冲洗阀门，关闭第二段浓水和第三段进水间阀门。

如下图所示●：

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