水污染的膜系统规划探索

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一、无机物的结垢

在水中存在Ca2＋、Mg2＋、Ba2＋、Sr2＋、CO32－、SO42－、PO43－、SiO2等离子。在一般的情况下是不会造成无机物结垢，但是在反渗透系统中，由于源水一般浓缩4倍，并且pH也有较大的提高，因此比较难溶解的物质就会沉积，在膜表面形成硬垢，导致系统压力升高、产水量下降，严重的还会造成膜表面的损伤，使系统脱盐率降低。

衡量水质是否结垢有两种计算方法：

控制苦咸水结垢指标

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

LSIC=pHC-pHS

式中：LSIC：反渗透浓水的朗格利尔指数

pHC：反渗透浓水pH值

pHS：CaCO3溶液饱和时的pH值

当LSIC≥0，就会出现CaCO3结垢。

控制海水及亚海水结垢指标及处理方法：

当浓水含盐量TDS>10,000mg/L的高盐度苦咸水或海水水源，斯蒂夫和大卫饱和指数（S&DSIC）作为表示CaCO3结垢可能性的指标。

S&DSIC=pHC-pHS

式中：S&DSIC：反渗透浓水的斯蒂夫和大卫饱和指数

pHC：反渗透浓水pH值

pHS：CaCO3溶液饱和时的pH值

当S&DSIC≥0，就会出现CaCO3结垢。

其它无机盐结垢预处理的控制方案

碳酸钙结垢预处理的控制方案

在反渗透系统的结垢中，以碳酸盐垢为主，大多数地表水和地下水中的CaCO3几乎呈饱和状态，由下式表示CaCO3化学平衡：

Ca2++HCO3–<——>H++CaCO3

从化学平衡式可以看出，要抑制CaCO3的结垢，有几种途径：

降低Ca2+的含量

降低了Ca2+含量，可以使化学平衡向左侧移动，不利于形成CaCO3垢。

达到这种目的的方法有：离子交换软化法、石灰软化法、电渗析、纳滤等方法，他们都能有效地降低的Ca2+含量，从而达到抑制钙垢的生成。

Ca2+的增溶

主要是以增加Ca2+的溶解度，从而降低结垢的风险。

方法：添加螯合剂、阻垢剂，增加Ca2+的溶解度，使平衡向左移动。

调节pH值

主要是通过添加无机酸，从而提高H+的浓度，使平衡向左移动。化学原理如下：

CO2+H2O<——>H2CO3――――⑴

H2CO3<——>H++HCO3-――――⑵

HCO3-<——>H++CO32-――――⑶

离子交换除碱法

主要是通过降低CO32-的浓度来降低碳酸钙结垢的风险。

硫酸钙结垢预处理的控制方案

离子交换除钙

石灰软化除钙

添加反渗透专用阻垢剂

氟化钙结垢预处理的控制方案

离子交换除钙

石灰软化除钙

阴树脂交换

添加反渗透专用阻垢剂

硫酸锶结垢预处理的控制方案

离子交换除锶

阴树脂交换

添加反渗透专用阻垢剂

硫酸钡结垢预处理的控制方案

离子交换除钡

阴树脂交换

添加反渗透专用阻垢剂

硅酸盐结垢预处理的控制方案

预处理中的过滤

石灰软化

提高进水的温度

提高进水的pH值

添加硅分散剂

二、胶体、颗粒物沉积

胶体、颗粒物污染是比较常见的反渗透系统污染。水中大量存在粘泥、胶体硅、金属的氧化物及有机质等颗粒物，在反渗透系统预处理中可以将源水中的这些污染源控制在一定程度，不致使对系统短期运行造成一定的影响。但由于系统长时间的运行预处理处理效果不理想、预处理反冲洗不彻底、操作人员的日常操作不到位等原因，都会造成系统胶体、颗粒物的污染。

针对胶体污染，通过淤泥密度指数（SiltDensityIndex，SDI）来衡量。SDI数值反应了在规定时间内，孔径为0.45um测试膜片被测试给水中的淤泥、胶体、黏土、硅胶体、铁的氧化物、腐植质等污染物堵塞的比率和污染程度。

测试如下：首先应充分排除过滤池中的空气压力，使给水以30psi的恒定压力通过直径为Φ47mm、孔径为0.45um的测试滤膜后开始测定：首先测定开始通过滤膜的500毫升水所需要的时间T0；在使水连续通过滤膜15分钟（T）后，再次测得通过滤膜的500毫升水所需要的时间T1；在取得以上3个时间数据之后，由此可以计算出该水源的SDI值：

即SDI=（1-T0/T1）×100/T

在实际中，当T1为T0的四倍时，SDI为5；在SDI为6.7时，水会完全堵塞测试膜，而无法取得时间数据T1，在这种情况下需要对反渗透预处理系统进行调整，使其SDI值降至5.0以下。SDI值不能反应完全反渗透系统的污堵情况，因为SDI仪测试是死端过滤，而反渗透系统是错流过滤。

为了防止反渗透系统胶体污染，我们要求进水SDI值小于5（最好是小于3），这样有利于系统长期安全运行。

降低反渗透进水胶体、颗粒物污染最有效的方法：

合适的预处理（锰砂过滤、多介质过滤、活性炭过滤、超滤、微滤等等）；

添加胶体分散剂；

系统预防性的清洗；

三、微生物的污染

自来水一般通过控制余氯来抑制微生物的滋生，但是余氯有较强的氧化性，它能使反渗透膜表面氧化，影响膜的寿命和产水水质，因此反渗透系统运行对余氯要求非常严格（<0.1），这给微生物的生存繁殖提供了有利的环境。微生物生长及排泄出的酸性粘泥会堵塞膜的微孔，致使压差上升，给系统的安全运行埋下了严重的安全隐患。

微生物的污染也是最常见的污染，经过大量的元件解剖及污染物分析实验，大多数污染是由微生物的繁殖引起的。

微生物污染过程主要有以下阶段：第一阶段腐殖质、聚糖至于其他微生物代谢产物等大分子在膜面上的吸附，形成具备微生物生存条件的生物膜；第二阶段进水微生物中黏附速度快的细胞形成初期黏附过程（生物膜生长缓慢）；第三阶段后续大量菌种的黏附，特别是EPS（细胞聚合物，ExtracelluarPolymers.它黏附在膜面上的细胞体包裹起来，形成黏度很大的税和凝胶层，进一步增强了污垢和膜的结合力）的形成，加剧了微生物的繁殖和群聚；第四阶段生物污染的最终形成阶段，生物膜的生长和脱除达到平衡。造成膜的不可逆的堵塞氏过滤阻力上升，膜通量下降。

抑制反渗透系统微生物繁殖的方法：

反渗透进水微生物的控制。通过源水的菌藻控制（一般通过控制余氯），尽量减少预处理的死角，防止微生物繁殖；

反渗透系统微生物控制。通过连续式或间歇式加入非氧化性且对膜没有影响的杀菌剂，可以有效地控制和杀死反渗透系统滋生的微生物，再通过浓水将其带出系统。

四、化学污染

化学污染是指进水中某些物质与膜面发生化学反应，从而引起沉积、沉淀以及膜表面的非常规老化，使膜表面发生污染或使膜的性能变差。

常见的情况有：预处理时絮凝剂选用不当；运行时阻垢剂的选用不当；清洗时清洗药剂选用不当；预处理控制不严格，致使进水中带入对膜有危害的物质（如：余氯的超标导致膜面活性层的氧化）。

化学污染处理主要从系统预处理的完善及操作人员技术水平的提高来进行预防，污染一旦产生很难清洗或者很难使膜的性能恢复。

除了上述几种常见的问题，我们也会碰到沙砾、活性进入膜系统造成膜的划伤，这些主要是预处理的缺陷或者操作的失误造成，这些也应该引起足够的重视。