反渗透膜元件清洗方案
摘要： 在正常运行一段时间后，反渗透膜元件会受到给水中可能存在的悬浮物或难溶盐的污染，这些污染中最常见的是碳酸钙沉淀、硫酸钙沉淀、金属(铁、锰、铜、镍、铝等)氧化物沉淀、硅沉积物、无机或有机沉积混合物、NOM天然有机物质、合成有机物(如：阻垢剂/分散剂，阳离子聚合电解质)、微生物 (藻类、霉菌、真菌)等污染。
关键词： 反渗透膜元件 污染 清洗
1 反渗透膜元件的污染与清洗
在正常运行一段时间后，反渗透膜元件会受到给水中可能存在的悬浮物或难溶盐的污染，这些污染中最常见的是碳酸钙沉淀、硫酸钙沉淀、金属(铁、锰、铜、镍、铝等)氧化物沉淀、硅沉积物、无机或有机沉积混合物、NOM天然有机物质、合成有机物(如：阻垢剂/分散剂，阳离子聚合电解质)、微生物 (藻类、霉菌、真菌)等污染。
污染性质和污染速度取决于各种因素，如给水水质和系统回收率。通常污染是渐进发展的，如不尽早控制，污染将会在相对较短的时间内损坏膜元件。当膜元件确证已被污染，或是在长期停机之前，或是作为定期日常维护，建议对膜元件进行清洗。
当反渗透系统（或装置）出现以下症状时，需要进行化学清洗或物理冲洗：
在正常给水压力下，产水量较正常值下降10～15%；
为维持正常的产水量，经温度校正后的给水压力增加10～15%；
产水水质降低10～15%，透盐率增加10～15%；
给水压力增加10～15%；
系统各段之间压差明显增加。
保持稳定的运行参数主要是指产水流量、产水背压、回收率、温度及TDS。如果这些运行参数起伏不定，建议检查是否有污染发生，或者在关键运行参数有变化的前提下反渗透的实际运行是否正常。
定时监测系统整体性能是确认膜元件是否已发生污染的基本方法。污染对膜元件的影响是渐进的，并且影响的程度取决于污染的性质。表1“反渗透膜污染特征及处理方法”列出了常见的污染现象和相应处理方法。
已受污染的反渗透膜的清洗周期根据现场实际情况而定。正常的清洗周期是每3-12个月一次。
当膜元件仅仅是发生了轻度污染时，重要的是清洗膜元件。重度污染会因阻碍化学药剂深入渗透至污染层，影响清洗效果。
清洗何种污染物以及如何清洗要根据现场污染情况而进行。对于几种污染同时存在的复杂情况，清洗方法是采用低PH和高PH的清洗液交替清洗（应先低PH后高PH值清洗）。
| 表1 反渗透膜污染特征及处理方法 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2 污染情况分析
碳酸钙垢：
碳酸钙垢是一种矿物结垢。当阻垢剂/分散剂添加系统出现故障时，或是加酸pH调节系统出故障而引起给水pH增高时，碳酸钙垢有可能沉积出来。尽早地检测碳酸钙垢，对于防止膜层表面沉积的晶体损伤膜元件是极为必要的。早期检测出的碳酸钙垢可由降低给水的pH值至3~5，运行1~2小时的方法去除。对于沉积时间长的碳酸钙垢，可用低pH值的柠檬酸溶液清洗去除。
硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶垢：
硫酸盐垢是比碳酸钙垢硬很多的矿物质垢，且不易去除。硫酸盐垢可在阻垢剂/分散剂添加系统出现故障或加硫酸调节pH时沉积出来。尽早地检测硫酸盐垢对于防止膜层表面沉积的晶体损伤膜元件是极为必要的。硫酸钡和硫酸锶垢较难去除，因为它们几乎在所有的清洗溶液中难以溶解，所以，应加以特别的注意以防止此类结垢的生成。
金属氧化物/氢氧化物污染：
典型的金属氧化物和金属氢氧化物污染为铁、锌、锰、铜、铝等。这种垢的形成导因可能是装置管路、容器(罐/槽)的腐蚀产物，或是空气中氧化的金属离子、氯、臭氧、钾、高锰酸盐，或是由在预处理过滤系统中使用铁或铝助凝剂所致。
聚合硅垢：
硅凝胶层垢由溶解性硅的过饱和态及聚合物所致，且非常难以去除。需要注意的是，这种硅的污染不同于硅胶体物的污染。硅胶体物污染可能是由与金属氢氧化物缔合或是与有机物缔合而造成的。硅垢的去除很艰难，可采用传统的化学清洗方法。如果传统的方法不能解决这种垢的去除问题，请与海德能公司技术部门联系。现有的化学清洗药剂，如氟化氢铵，已在一些项目上得到了成功的使用，但使用时须考虑此方法的操作危害和对设备的损坏，加以防护措施。
胶体污染：
胶体是悬浮在水中的无机物或是有机与无机混合物的颗粒，它不会由于自身重力而沉淀。胶体物通常含有以下一个或多个主要组份，如：铁、铝、硅、硫或有机物。
非溶性的天然有机物污染(NOM)：
非溶性天然有机物污染(NOM——Natural Organic Matter)通常是由地表水或深井水中的营养物的分解而导致的。有机污染的化学机理很复杂，主要的有机组份或是腐植酸，或是灰黄霉酸。非溶性NOM被吸附到膜表面可造成RO膜元件的快速污染，一旦吸收作用产生，渐渐地结成凝胶或块状的污染过程就会开始。
微生物沉积：
有机沉积物是由细菌粘泥、真菌、霉菌等生成的，这种污染物较难去除，尤其是在给水通路被完全堵塞的情况下。给水通路堵塞会使清洁的进水难以充分均匀的进入膜元件内。为抑制这种沉积物的进一步生长，重要的是不仅要清洁和维护RO系统，同时还要清洁预处理、管道及端头等。对膜元件采用氧化性杀菌时，请与宜兴市富华水处理设备有限公司技术支持部门联系，使用认可的杀菌剂。
3 清洗液的选择和使用
选择适宜的化学清洗药剂及合理的清洗方案涉及许多因素。首先要与设备制造商、RO膜元件厂商或RO特用化学药剂及服务人员取得联系。确定主要的污染物，选择合适的化学清洗药剂。有时针对某种特殊的污染物或污染状况，要使用RO药剂制造商的专用化学清洗药剂，并且在应用时，要遵循药剂供应商提供的产品性能及使用说明。有的时候可针对具体情况，从反渗透装置取出已发生污染的单支膜元件进行测试和清洗试验，以确定合适的化学药剂和清洗方案。
为达到最佳的清洗效果，有时会使用一些不同的化学清洗药剂进行组合清洗。
典型地程序是先在低pH值范围的情况下进行清洗，去除矿物质垢污染物，然后再进行高pH值清洗，去除有机物。有些清洗溶液中加入了洗涤剂以帮助去除严重的生物和有机碎片垢物，同时，可用其它药剂如EDTA螯合物来辅助去除胶体、有机物、微生物及硫酸盐垢。
需要慎重考虑的是如果选择了不适当的化学清洗方法和药剂，污染情况会更加恶化。
4 化学清洗药剂的选择及使用准则
选用的专用化学药剂，首先要确保其已由化学供应商认定并符合用于海德能公司膜元件的要求。药剂供应商的指导/建议不应与海德能公司此技术服务公告中推荐的清洗参数和限定的化学药剂种类相冲突；
如果正在使用指定的化学药剂，要确认其已在此海德能公司技术服务公告中列出，并符合海德能公司膜元件的要求（咨询富华公司）；
采用组合式方法完成清洗工作，包括适宜的清洗pH、温度及接触时间等参数，这将会有利于增强清洗效果；
在推荐的最佳温度下进行清洗，以求达到最好的清洗效率和延长膜元件寿命的效果；
以最少的化学药剂接触次数进行清洗，对延续膜寿命有益；
谨慎地由低至高调节pH值范围，可延长膜元件的使用寿命。pH范围为2~12(勿超出)；
典型地、最有效的清洗方法是从低pH至高pH溶液进行清洗。对油污染膜元件的清洗不能从低pH值开始，因为油在低pH时会固化；
清洗和冲洗流向应保持相同的方向；
当清洗多段反渗透装置时，最有效的清洗方法分段清洗，这样可控制最佳清洗流速和清洗液浓度，避免前段的污染物进入下游膜元件；
用较高pH产品水冲洗洗涤剂可减少泡沫的产生；
如果系统已发生生物污染，就要考虑在清洗之后，加入一个杀菌剂化学清洗步骤。杀菌剂必须可在清洗后立即进行，也可在运行期间定期进行(如一星期一次)连续加入一定的剂量。必须确认所使用的杀菌剂与膜元件相容，不会带来任何对人的健康有害的风险，并能有效地控制生物活性，且成本低；
为保证安全，溶解化学药品时，切记要慢慢地将化学药剂加入充足的水中并同时进行搅拌；
从安全方面考虑，不能将酸与苛性(腐蚀性)物质混合。在要使用下一种溶液之前，从RO系统中彻底冲洗干净滞留的前一种化学清洗溶液。
5 清洗液的选择
表2-常规清洗液配方提供的清洗溶液是将一定重量(或体积)的化学药品加入到100加仑(379升)的洁净水中(RO产品水或不含游离氯的水)。溶液是按所用化学药品和水量的比例配制的。溶剂是RO产品水或去离子水，无游离氯和硬度。清洗液进入膜元件之前，要求彻底混和均匀，并按照目标值调pH值且胺目标温度值稳定温度。常规的清洗方法基于化学清洗溶液循环清洗一小时和一种任选的化学药剂浸泡一小时的操作而设定的。
| 表2 常规清洗液配方(以100加仑，即379升为基准) | ||||||||||||||||||||
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6 常规清洗液介绍
[溶液1] 2.0%(W)柠檬酸(C6H8O7)的低pH(pH值为3~4)清洗液。以于去除无机盐垢(如碳酸钙垢、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶垢等)、金属氧化物/氢氧化物(铁、锰、铜、镍、铝等)及无机胶体十分有效。
[溶液2] 0.5%(W)盐酸低pH清洗液(pH为2.5)，主要用于去除无机物垢(如碳酸钙垢、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶垢等)，金属氧化物/氢氧化物(铁、锰、铜、镍、铝等)，及无机胶体。这种清洗液比溶液1要强烈些，因为盐酸(HCl)是强酸。盐酸的下述浓度值是有效的：(18°波美=27.9%，20°波美=31.4%，22°波美=36.0%)。
[溶液3] 0.1%(W)氢氧化钠高pH清洗液(pH为11.5)。用于去除聚合硅垢。这一洗液是一种较为强烈的碱性清洗液。
7 RO膜元件的清洁和冲洗程序
RO膜元件可置于压力容器中，在高流速的情况下，用循环的清洁水(RO产品水或不含游离氯的洁净水)流过膜元件的方式进行清洗。RO的清洗程序完全取决于具体情况，必要时更换用于循环的清洁水。
RO膜元件的常规清洗程序如下：
在60psi(4bar)或更低压力条件下进行低压冲洗，即从清洗罐中(或相当的水源)向压力容器中泵入清洁水然后排放掉，运行几分钟。冲洗水必须是洁净的、去除硬度、不含过渡金属和余氯的RO产品水或去离子水。
在清洗罐中配制特定的清洗溶液。配制用水必须是去除硬度、不含过渡金属和余氯的RO产品水或去离子水。温度和pH应调到所要求的值。
启动清洗泵将清洗液泵入膜组件内，循环清洗约一小时或是要求的时间（咨询供应商技术人员）。在起始阶段，清洗液返回至RO清洗罐之前，将最初的的回流液排放掉，以免系统内滞留的水对清洗溶液造成稀释。在最初的5分钟内，慢慢地将流速调节到最大设计流速的1/3。这可以减少由污物的大量沉积而造成的潜在污堵。在第二个5分钟内，增加流速至最大设计流速的2/3，然后，再增加流速至设计的最大流速值。如果需要，当pH的变化大于1，就要重新调回到原数值。
根据需要，可交替采用循环清洗和浸泡程序。浸泡时间建议选择1至8小时（请咨询富华公司）。要谨慎地保持合适的温度和pH。
化学清洗结束之后，要用清洁水(去除硬度、不含金属离子如铁和氯的RO产品水或去离子水)进行低压冲洗，从清洗装置/部件中去除化学药剂的残留部分，排放并冲洗清洗罐，然后再用清洁水完全注满清洗罐以作冲洗之用。从清洗罐中泵入所有的冲洗水冲洗压力容器至排放。如果需要，可进行第二次清洗。
一旦RO系统已用贮水罐中的清洁水完全冲洗后，就可用预处理给水进行最终的低压冲洗。给水压力应低于60psi(4bar)，最终冲洗持续进行直至冲洗水干净，且不含任何泡沫和清洗剂残余物。通常这需要15~60分钟。操作人员可用干净的烧瓶取样，摇匀，监测排放口处冲洗水中洗涤剂和泡沫的残留情况。洗液的去除情况可用测试电导的方法进行，如冲洗水至排放出水的电导在给水电导的10~20%以内，可认为冲洗已接近终点；pH表也可用于测定，来比较冲洗水至排放出水与给水的pH值是否接近。
一旦所有级段已清洗干净，且化学药剂也已冲洗掉，RO可重新开始置于运行程序中，但初始的产品水要进行排放并监测，直至RO产水可满足工艺要求(电导、pH值等)。为得到稳定的RO产水水质，这一段恢复时间有时需要从几小时到几天，尤其是在经过高pH清洗后。
8 反渗透膜的化学清洗与水冲洗
清洗时将清洗溶液以低压大流量在膜的高压侧循环，此时膜元件仍装在压力容器内而且需要专门的清洗装置来完成该工作。
清洗反渗透膜元件的一般步骤：
一、用泵将干净、无游离氯的反渗透产品水从清洗箱(或相应水源)打入压力容器中并排放几分钟。
二、用干净的产品水在清洗箱中配制清洗液。
三、将清洗液在压力容器中循环1小时或预先设定的时间。
四、清洗完成以后，排净清洗箱并进行冲洗，然后向清洗箱中充满干净的产品水以备下一步冲洗。
五、用泵将干净、无游离氯的产品水从清洗箱(或相应水源)打入压力容器中并排放几分钟。
六、在冲洗反渗透系统后，在产品水排放阀打开状态下运行反渗透系统，直到产品水清洁、无泡沫或无清洗剂(通常15~30分钟)。
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