农村苦咸水淡化设备运行中出现的问题及技术分析
以反渗透技术为核心的苦咸水淡化设备现已被广泛应用于农村苦咸水、高氟水处理领域，并取得良好效果。但是因为在设备的设计、加工以及运行维护中存在对细节的忽略，造成这些设备在使用一段时间后往往会出现各种故障，包括产水水量降低、水质恶化、设备无法运行等。经过分析，产生这些故障的原因各不相同，但是都与设备的设计、使用、维护的细节有关。
本文结合对反渗透水处理设备的现场运行、维护、调研等过程中遇到的各种技术故障，讨论了故障的成因并给出了解决方法，进而分析了产生故障的原因，为设计、使用这类设备提供了参考。从这些故障分析可以看出，设计加工反渗透设备并不是简单的元件的堆砌，而运行反渗透设备也不可能是简单的启闭操作，只有严格地对待设计与运行中的细节才能保证设备的稳定运行。而如果要在中国农村推广该类设备，既需要更系统更全面的设计，同时也面临着成本提高与设备折旧费用之间的矛盾。
一、前言
以卷式反渗透膜为核心的水处理设备因其具有运行成本低、淡化处理效果好等特点被广泛使用于海水淡化、苦咸水淡化领域。近年来随着国家对农村饮水安全的投入加大，反渗透式苦咸水淡化设备被广泛用于农村地区，以解决当地高氟水、苦咸水的问题，并取得了良好效果。
但是在农村推广这些水处理设备时也遇到技术与管理上的若干问题，使得很多设备在安装初期运行良好，但是使用一段时间之后会出现各种故障，以至于设备无法正常运行。这些故障包括设备启动故障、产水水质变差、产水水量不足等；严重的造成设备破损，无法继续运行。造成这些现象既有技术上的问题，也有管理上的问题。
本文将结合曾经完成的水利部948项目、以及农村饮水安全相关调研中遇到的技术问题进行探讨，总结问题所在，并对设备的技术改进与管理模式提出方案。
二、研究背景
本文中涉及的现场事例来源于项目组承担的水利部948项目“含氟苦咸水饮用安全技术”，以及相关的反渗透除氟降盐设备的现场调研。设备运行地点为天津市静海县及大港区，设备处理的原水为地下水，原水含盐量从1.5g/L到12g/L不等，氟化物含量从1.5mg/L到3.3mg/L不等。设备包括引进的国外设备，也包括国产的反渗透设备。这些反渗透设备都采用了相同的流程，即入水经过砂滤罐F-1过滤之后，流经保安过滤器CF进入高压泵HP，被增压后进入反渗透器件RO，盐、水分离之后产水被收集罐装。流程见图1。
三、现场实例及分析
1、现场实例1：设备启动故障及保安过滤芯堵塞过快
(1) 背景
天津市静海县某水厂，使用设备为进口苦咸水淡化设备，每小时产水1吨，每天运行3-4小时。该设备的优点是预处理保护完善，按照水质进行了相关设计；自动化程度高。该设备在安装前，经取样检测了原水中的铁锰离子、COD、氨氮等指标，其中铁锰离子未检出。该地区供水为深井水通过变频泵直接供给，除深井泵和主管路为铁质，其他管路都是PVC材质，井泵每天供水16小时。设备运行约1个月之后，为了保障该设备的正常运转，在设备的供水管路中接入了储水罐和增压泵P1（见图1），增压泵P1的作用是使得设备的入水带有一定压力，以保证高压泵的启动。储水罐为铁质外壳，玻璃钢内衬；增压泵为普通铁质材料。原水水质为TDS达到1.5g/L，氟化物含量1.5mg/L，产水水质为TDS<50mg/L，氟化物<0.1mg/L。
(2) 故障现象
设备运行初期产水正常，保安过滤芯CF连续使用3个月之后两侧的压降不超过0.3bar；拆卸下来的PP棉喷熔保安过滤芯保持白色，内部含有灰色杂质。通过目测，入水一侧的杂质明显多于出水一侧，杂质呈不均匀分布。但是设备在运行7个多月后出现故障，表现为设备启动之后大约1-2天新更换的保安过滤芯就发生堵塞，滤芯呈现棕黄色，且污堵分布均匀，看不出进水、出水端污堵物的空间分布。同时伴随产水水质变差，电导率升高。如图2所示。严重的时候设备则无法启动。
(3) 相应检查
对故障发生后的设备进行了水质化验。取样分析了设备入水水质，同时现场测试了前置砂滤罐F-1出水的浊度。现场启动设备，对各监测仪表、指示灯的变化进行记录分析。拆出反渗透膜进行目测。
(4) 测试结果及分析
经现场测试，发现设备无法启动是因为入水管路上的压力保护开关以及高压泵前的压力保护开关的过水通道被铁锈堵死，无法感应压力，也就无法输出信号给PLC控制程序，导致设备无法启动。经测试沙滤罐出水的浊度不高于1.0NTU，满足进入保安过滤器的要求，保安过滤器不存在被固体杂质堵塞的可能性。同时水质分析显示此时水体中的铁离子含量高达0.5ppm，而拆下的反渗透膜内肉眼可见大片黄褐色斑块，膜两端有黄褐色物质堆积。
从堵塞的保安过滤器上割取大小相同的切片放入稀盐酸溶液，5分钟后可以看到盐酸溶液中的保安过滤芯切片恢复了白色。如图3所示。拆卸压力保护开关，发现压力保护开关的入水管路已经被黄褐色物质堵塞。清洗该管路后压力保护开关可以正常地反映过水水压。
通过上述现象可以判断，造成设备无法正常启动以及保安过滤器堵塞的原因是原水中铁离子增加。这些铁离子在原水中为还原态的亚铁离子，可以溶于水中。这些水经过保安过滤器吸附或积存在压力开关的管路中，在设备停机后被空气中的氧气氧化，变成了难溶于水的三价铁不溶物，造成了保安过滤芯和管路的堵塞，影响了设备的正常运行。
通过对设备入水管路排查，发现引起铁离子增多的原因是增压泵的使用。引入增压泵是为了保证设备入水有足够的压力，以满足砂滤的压力需要，并保证高压泵有足够的启动压力。但是原水含盐量高达1.5g/L，不适当的选用增压泵使得增压泵迅速腐蚀，引起大量铁离子进入管路。而该设备根据原水进行的设计，并没有安装处理铁离子的装置，造成了突然引入的铁离子影响了设备的安全运行。停止使用增压泵，并清洗了压力保护开关的过水管路后，设备恢复正常运行。
对此给出的建议是，在使用反渗透设备的时候，一定要考虑到入水管路中可能存在的锈蚀问题。这些问题可能在设备运行初期不会显现，但是随着设备的运行使用，锈蚀将严重影响到设备的运行。如果采用加药手段对铁离子进行去除，则加药点要选择在最靠近入水口的地方。因为需要保护的不仅仅是反渗透膜和保安过滤芯，还包括各监控仪表。
2、现场实例2：设备产水水质变差
(1) 背景
出现该问题的设备分别为天津静海县和大港区的两套水处理设备。该设备为进口设备，产水量为每小时1-2吨。在设备调试阶段以及重新安装反渗透膜之后出现产水水质突然间变差的现象。两套设备使用的都是BEL公司的压力膜壳，长度为5米，内装5支陶氏BWLE-4040的反渗透膜。设备处理原水水质分别为1.5g/L和12g/L。运行压力分别为17bar和22bar。
(2) 故障现象
该故障表现为突发性的产水电导率升高。设备在上次停机之前运行正常，再次启动后一切压力都很正常，但是产水的电导率升高，产水的TDS可以高达原水TDS的10%以上，同时伴随轻微的产水流量增加。
(3) 相应检查
检查了进水的水质、各运行仪表的读数，包括膜壳进出口压力、各管路流量。拆开压力膜壳检查了反渗透膜以及压力膜壳的密封状况。
(4) 测试结果及分析
经检查，入水水质没有明显变化，反渗透膜没有破损，从现象判断为密封元件损坏。经拆卸检查，发现压力膜壳入水端有一个O型橡胶密封圈破损。如图4所示。更换后重新启动设备，会再次破损。通过在膜壳盖和反渗透膜之间增加PVC垫片，解决了O型圈破损的问题，后期的运行再未出现O型圈破损。
该现象在两套进口设备上都曾出现。二者的运行压力分别为17bar和22bar。对比另外一套国内生产的设备，其运行压力为19bar，该国产设备使用的是国产的乐普的膜壳，内装2支4寸反渗透膜，并未添加垫片，但是没有出现这种密封圈破损的现象。从这里可以推断出运行压力不是影响O型圈脱落的唯一原因。随着高压泵的启动、停止，膜壳会相应的拉伸、缩短，造成反渗透膜组件在膜壳内的移动、摩擦；而当膜壳比较长的时候，很难保证膜的位移与膜壳的形变同步，此时产生的相对滑动会造成O型圈脱落、破损。所以在使用4寸膜，且膜壳较长的时候，应当适当使用垫片以调整反渗透膜的位置，避免O型圈的脱落。
3、现场实例3：反渗透膜及管路的生物污染
(1) 背景
反渗透膜及管路遭受生物污染是设备运行中非常常见的现象，很多设备因此无法产水，或者严重影响行产水水质。本次涉及的设备为调研中所遇到的国产反渗透设备。这些设备使用时间大多为1-2年，所处理原水为深层地下水，TDS在0.7-1.5g/L之间。
(2) 故障现象
其表现为设备运行1-2年之后，产水和浓缩液的流量计内大量生长绿色藻类，产水有腥味，严重的会出现反渗透膜堵塞，产水量下降严重，甚至完全不产水。
(3) 相应检查
对已经不能产水的反渗透膜进行化学清洗，分别包括酸洗、碱洗。测量清洗后的产水量。
(4) 测试结果及分析
对不产水的反渗透膜进行酸洗之后，产水通量基本没有恢复，即便长时间浸泡也不能做到产水通量的恢复；而对该膜在进行碱洗之后，排出大量黑绿色液体，经过pH为11的碱液隔夜浸泡，再进行冲洗，该反渗透膜的通量基本恢复，可以正常产水。该现象说明造成反渗透膜污堵的主要是生物物质。为了延长膜的使用寿命，防止生物污染至关重要。
引进的国外设备在运行1年之后没有出现类似现象，分析后有以下几条原因：其一是一部分设备对原水进行了了预氧化，起到了杀菌作用，杀灭了大部分生物，而用作还原剂的焦亚硫酸钠也具有抑制微生物的作用，避免了微生物的生长；其二是设备管路中合理地使用了止回阀等装置，避免了设备停机时把大量空气抽入设备中，也就避免了空气中的微生物进入反渗透设备；其三是必要的维护和及时的化学清洗，在设备没有出现产水量明显变化时就定期清洗，有效的防止了微生物的生长。
四、讨论与结果
通过对反渗透设备的现场调试、运行以及调查，发现大部分反渗透设备运行中出现的故障都是来源于保护不当和使用不当。
为了保证反渗透设备的稳定运行，完备的设计是第一位的。这要求设计者在设计产品、工程的过程中要充分考虑到农村苦咸水处理的复杂性，考虑到制水环节中的细节，包括水质、产水规模、设备运转状况、使用地点、使用者的专业背景等，而不是简单的完成各部件的连接。对于原水水质以及设备运行过程中可能发生的水质变化要做到充分了解，并配以保护措施。在设备设计方面，理论上可选择的保护措施包括预处理加药保护、预处理流程的优化、监控仪器的完善。但是针对农村用户，这里存在着使用者专业技术背景欠缺和设备成本的问题。通常农村使用的反渗透设备是由村里来维护、运行，大多数设备使用者缺乏专业背景，不能很好的完成设备的维护与管理。在这种情况下，自动化程度高、操作维护简单的设备会更方便农民使用。
但是随着设备自动化程度的增加，设备的投资也随之增加；而自动化的设备又存在监测控制元件过多，设备过于敏感，故障率偏高的特点。这些故障往往不是设备本身引起的，而是来自于监控设备的故障，比如前文提到的压力保护开关的堵塞。其结果是农村使用者花费较高的价钱买来了自动化程度高的设备，反而不能保证设备的连续运行。所以在技术上，过于自动化的设备并不适合目前的农村市场，而在线清洗装置却是必要的，同时可以考虑模块化的设计，便于设备的更换与维护。
从这里可以看出，在设备的设计与实际操作使用中间出现了一个平衡关系。既要保证设备的运行维护简便、运行安全可靠，又要保证设备成本不会过高。而平衡这个关系的关键则是成本，包括设备自身的成本、折旧年限与设备产生的经济效益。通过平衡这些成本可以优化出合理的设备选型。目前在这方面还欠缺必要的研究。
经实际操作发现，一些设计很完备的设备也会出现运行故障。这是由于运行维护不善造成的。调研中发现，很多设备每周的运行时间不超过5个小时，设备长时间处于停机状态，这不仅增加了反渗透膜被生物膜和无机盐堵塞的风险，增加了管路锈蚀和生物污染的风险，缩短了设备的使用寿命；也造成了设备的闲置，影响到了设备的经济效益。所以为了解决农村苦咸水淡化中出现的问题，既要解决设备设计问题，又要解决设备的运行管理问题。如何有效地让设备充分的运转起来是其中的关键。
苦咸水淡化设备的推广不仅仅是安装一套设备，调试之后可以产水就算完成了，这是一个系统的工程，包括规划、选址、成本核算、设备选型、运行监测以及后期运行管理等。在这些管理、服务领域还有大量的研究需要完成。
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