CN102765827A

CN102765827A - 一种监测并防止反渗透膜生物污染和胶体污染的方法

Info

Publication number: CN102765827A
Application number: CN2012102739818A
Authority: CN
Inventors: 翟葆光
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2012-11-07

Abstract

在反渗透膜堆之前设置一个污染捕集装置，模拟卷式反渗透膜系统的流动状况，当反渗透系统发生胶体颗粒物污染及生物污染时，替代反渗透膜负载通常会在常规反渗透系统进水端膜元件上的污染，并能够通过高精度进出水压差变化对其污染状况进行在线监测。中间设备的核心部分是由惰性材料制成的圆柱形填料元件，可以进行各种强烈的在线化学清洗，能够在发生污染堵塞时快速恢复。

Description

一种监测并防止反渗透膜生物污染和胶体污染的方法

技术领域

本发明涉及一种能够防止和监测反渗透膜生物污染和胶体颗粒物污染的方法。

背景技术

反渗透膜技术是目前水深度净化、脱盐的主流工艺，在除盐水生产、污水回用深度处理、海水淡化及苦咸水淡化中被广泛的应用，胶体颗粒物污染及生物污染始终是反渗透技术无法完全克服的一个重大问题，胶体颗粒物污染及生物污染会造成系统运行维护困难和频繁高强度化学清洗，直接导致运行费用大幅度增加、产能降低、系统性能下降、膜元件使用寿命减少、以及与大量使用化学品相关的环境问题和现场操作安全问题。

胶体颗粒物污染主要来自于预处理系统故障和缺陷，比如预处理设计不当、中空纤维超滤膜断丝和保安过滤器泄露等。目前中空纤维超滤或微滤膜被普遍用于原水水质较差的反渗透预处理工艺，由于使用时间长、运行工艺不当或中空纤维膜本身的特性等原因，中空纤维膜断丝现象时有发生，胶体颗粒物自然会泄露，进入下游设备，如果系统装有保安过滤器，会堵在滤芯上，断丝现象越严重，滤芯的更换频率自然也越高。特别是那些在上游直接与澄清池相连的超滤系统，没有完全沉淀的絮体与颗粒物会被超滤膜丝高度浓缩，形成胶体和颗粒物混合在一起的滤饼状物质，这种滤饼碎片会在膜丝破损后的泄露入下游设备。与泥土、细砂等颗粒物不同，这种滤饼碎片含水量高、有机物比例高且有一定粘性，特别容易堵塞保安过滤器，引发微生物滋生，进而导致反渗透系统生物污染。如果系统没有设置保安过滤器，破损超滤膜丝泄露的滤饼碎片会直接进入膜元件，粘附在进水端膜元件进水网格上，不仅造成胶体与细泥的混合堵塞现象，也极易诱发生物污染，形成胶体、颗粒物与微生物污染并发的复杂污染。

生物污染比较复杂，其特点是发生突然难以预测、一旦发生后生物膜爆发生长、生物膜清洗困难、难以彻底治理，因此一直是反渗透膜应用技术研究的重点领域。对于生物污染的机理，目前比较普遍的看法是，次氯酸钠、二氧化氯及氯胺等氧化性杀菌剂的使用是预处理环节是必不可少的，但氧化剂在杀灭、控制微生物的同时，水中的难降解有机物也会被氧化分解，形成易于被微生物吸收的营养物质(AOC)。由于聚酰胺膜对于氧化剂高度敏感，在反渗透设备进水中投加还原剂去除余氯是标准操作，氧化性环境消除后，进水的抑菌性消失了，在适当的温度和微生物接种条件下，那些在预处理过程中由于与氧化剂接触而产生的小分子有机物会随时为微生物生长提供养分，从而在膜元件上形成菌落生长，进而发展成为生物膜，堵塞膜元件进水流道并覆盖反渗透膜，致使产水阻力和过流阻力大幅度增加，系统压力增加、产水量和脱盐率下降、段间压差增加，严重时膜元件会发生望远镜现象，膜元件端板及外套破裂，最终导致反渗透膜破损。实践中采取的措施有尽量减少中间水箱的使用、减少高压泵与还原剂投加点的距离以及投加非氧化性杀菌剂等等，然而微生物污染问题依然是微污染水及污水回用反渗透系统运行维护中最重要的任务，操作人员不得不采用频繁的、长时间的强烈化学清洗来维持反渗透系统的基本性能。从这样的理解出发，也许摆脱生物污染唯一可行的方式是通过预处理完全消除有机物(COD、BOD)，或者不要使用氧化性杀菌剂，显然这两者都是不可能的，其结论是，反渗透膜必须要面对生物污染。

氯胺的使用在市政废水回用处理中被证明可以有效地控制反渗透系统的生物污染，但对于工业废水及微污染地表水来说，可检出的微量亚铁离子无处不在，氯胺对于聚酰胺膜的催化氧化的威胁阻止了推广使用的可能性。

反渗透膜系统发生生物污染和胶体颗粒物污染的普遍现象是，微生物生长和胶体颗粒物堵塞基本局限于第一段，而最严重的是进水端的第一支膜元件。据此我们可以推理，造成第一段压差增加、系统性能下降的主要也是第一支膜元件。在进行化学清洗时，虽然是整个系统或平行的整段膜壳在清洗液中浸泡循环，其实针对的主要是进水端的首支膜元件，结果是其他的膜元件大部分时间里都在陪洗。由于清洗环境相同，先洗净的膜直接暴露在清洗液中的时间较长，受到清洗液的化学腐蚀也较为最严重。

本发明的目的是提供一种能够有效防止并连续监测反渗透膜系统的生物污染和胶体颗粒无污染的方法以及实施这种方法的设备。

发明内容

本发明解决微生物污染及胶体颗粒物堵塞的技术方案是在反渗透膜堆8之前设置一个污染捕集装置4，参见附图3、4。所述污染捕集装置可以安装在反渗透系统高压泵7之前或之后，进水5在进入反渗透膜堆8之前先流经所述污染捕集装置4，但所述污染捕集装置不是类似于保安过滤器的精细过滤设备。所述污染捕集装置的作用原理是模拟卷式反渗透膜系统的流动状况，当反渗透系统发生胶体颗粒物污染及生物污染时，替代反渗透膜负载通常会在常规反渗透系统进水端膜元件上的污染。所述污染捕集装置能够通过高精度进出水压差变化对其污染状况进行在线监测，压差报警系统能够提醒操作人员及时发现所述污染捕集装置的污染状况和反渗透系统可能发生污染的趋势，及时对所述污染捕集装置进行有效化学清洗，避免污染继续向反渗透膜堆的蔓延，同时可以采取其它必要的措施以改善污染趋势的恶化。

所述污染捕集装置安装在高压泵之后，反渗透进水可以全部通过所述污染捕集装置，如附图4所示。所述污染捕集装置也可以直接串联在反渗透膜堆的第一段中的一支膜壳之前，参见附图5，所述污染捕集装置由一支压力容器装配安装一支填料元件构成，对其进出水压差进行在线监测，专门作为污染监测之用，不能对整套系统提供保护。

所述污染捕集装置有几个主要特性：1)内部结构和流动状况与卷式反渗透膜元件类似，可以模拟和放大反渗透膜元件的污染现象；2)透水阻力小，轻度的生物膜生长或胶体颗粒物阻塞不会造成膜系统明显的水头损失和能量消耗；3)由化学稳定性好的惰性材料制成，当所述污染捕集装置上发生微生物生长甚或发生生物膜现象时，可以采用氧化性清洗剂、强酸强碱和较高温度等强烈的化学清洗液进行快速有效的在线清洗，停机维护时间短；4)流程短、水头阻力小，可以进行双向在线化学清洗或水力物理清洗；5)类似于卷式反渗透膜系统的元件式设计，可以按照流量和水质条件对元件进行并联和串联。

所述污染捕集装置结构与反渗透膜系统类似，由圆柱形的压力容器和装配在其中的圆柱形填料元件4构成，与压力容器相配合，可以像反渗透膜元件一样进行并联和串联。单支填料元件有额定的过流量范围，轴向流速0.01-1.0m/s，推荐0.1-0.3m/s。一般情况下按具体进水流量选定并联数量即可。如果水质较差或者生物污染的风险非常大(比如运行温度高且AOC浓度高)，可以考虑2-6支填料元件串联方式以增加设备的流程和纳污量，推荐2-3支填料元件串联。

所述污染捕集装置4在高压泵7前安装时(附图2)，可以在其后配置袋式过滤器7，袋式过滤器的作用是防止从填料上脱落的生物膜及胶体颗粒物进入膜系统。

所述污染捕集装置的圆柱形填料元件由三部分组成，参见附图1：1)填料3，采用聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龙等化学稳定性好的惰性高分子材料，推荐聚丙烯或聚酯，包括几种形式：(a)用挤出塑料丝网或编织塑料塑料丝网紧密缠绕而成的圆柱形填料，挤出塑料丝网或编织塑料丝网的厚度0.2-2.0mm，推荐0.3-1.0mm；(b)无纺布与挤出塑料丝网或编制塑料丝网交替层叠紧密缠绕而成的圆柱形填料，无纺布为厚度0.01-0.5mm，推荐0.02-0.2mm，无纺布的材质为聚丙烯或聚酯，推荐聚酯，挤出塑料丝网或编织塑料丝网的厚度0.2-2.0mm，推荐0.3-1.0mm；(c)多层叠放的＞20目的规整塑料填料。2)端板1，安装在圆柱形的上下两底位置，采用PVC或ABS工程塑料材料注塑成型，外径与填料元件相同，中心开孔12，中心孔与填料元件中心管外径相同，在中心孔与外缘之间均布小孔13，小孔直径φ5-15mm，推荐8-12mm，小孔间距20-50mm，推荐30-40mm。如果填料为多层叠放的规整塑料填料，则端板不需要中心开孔，端板固定在压力容器在卡槽和端盖之间。端板的作用是固定填料和配水器。3)中心管2，中心管两端通过端板中心孔与端板粘接，端面与端板平齐，中心管的材质为PVC或ABS。如果填料为多层叠放的规整塑料填料，则不需要中心管。中心管的作用是填料元件与压力容器之间的配合连接，同时与端板一起固定填料在压力容器中的位置。

所述污染捕集装置采用两种压力容器规格，一种是常压规格，另一种是与反渗透系统相同的压力规格。当所述污染捕集装置在反渗透高压泵之前安装时，采用常压规格，当所述污染捕集装置安装在压力容器之后时，采用与反渗透系统相同的压力规格，可以使用φ4-18吋的标准反渗透压力容器，推荐使用φ16吋或φ18吋的大口径压力容器，可以节约空间和连接管道。采用标准反渗透压力容器时要改变其常规端盖设计，将反渗透产水集水管的部位改为能够承压的实心设计。

所述污染捕集装置的进出口都配置就地的高精度压力表和在线高精度压力传感器，并配置压差报警系统，当所述污染捕集装置发生堵塞或微生物生长导致压差增加值达到5-10％时，要对所述污染捕集装置进行在线的化学清洗。

在所述污染捕集装置的进出口都设置截止阀F1、F2，并设置与化学清洗系统的独立连接(进口9、截止阀F3，出口91、截止阀F4，参见附图2及附图3)，在进行化学清洗时，关闭进出口闸阀F1、F2，将其与上下游设备管路隔离。化学清洗完成后要进行充分原水冲洗，以防残留氧化性清洗剂成分进入反渗透膜系统。

所述污染捕集装置起到两个作用，一个是监测作用，通过与其堵塞状况相关联的压差变化(可以设置压差自动报警功能)连续监测膜系统可能发生生物污染或胶体颗粒物污染的状态，在膜元件尚未受到严重污染之前及时采取措施。另一个是保护作用，将本来会在常规反渗透系统中要在膜元件上发生的污染负载由所述污染捕集装置承担，对反渗透系统带来了多方面的保护：1)减少因进水端膜元件堵塞造成的压差增加以及相关的能耗、系统效率损失并保证产水水质的稳定；2)负担大部分针对进水端膜元件污染所必须的化学清洗，从而减少反渗透膜的化学清洗频率，减少反渗透与化学品的接触；3)及时对所述污染捕集装置进行独立的强烈化学清洗，清洗效果可靠。

附图说明

图1本发明所述监测和防止反渗透膜生物污染和胶体污染方法所用填料元件结构

图2本发明述监测和防止反渗透膜生物污染和胶体污染方法所用填料元件端板

图3本发明所述监测和防止反渗透膜生物污染和胶体污染方法第1种实施方案

图4本发明所述监测和防止反渗透膜生物污染和胶体污染方法第2种实施方案

图5本发明所述监测和防止反渗透膜生物污染和胶体污染方法第3种实施方案

具体实施方式

方案1

对于预处理系统有胶体颗粒物泄露风险的反渗透系统，特别是有断丝可能的采用超滤、微滤膜法预处理的大型反渗透系统，所述污染捕集装置4要安装在高压泵之前，可以有效截留破损膜丝的泄露滤饼碎片，防止其进入反渗透膜元件。由于膜法预处理可以去除绝大部分胶体和颗粒物，少量的断丝泄露物质都是尺寸较大的胶体颗粒，安装了所述污染捕集装置后，可以省略保安过滤器。由于所述污染捕集装置可以进行双向在线强烈化学清洗，可以保证清洗效果，基本消除要将进水端膜元件进行离线清洗的必要性。实际上这类膜污染严重的反渗透系统，频繁更换保安过滤器及化学清洗的费用会占运行费用很高的比例，采用本发明的反渗透系统污染监测与负载设备不仅大大增加设备的运行稳定性，也会明显降低运行费用。

在高压泵前配置反渗透膜污染监测和负载设备，所述污染捕集装置的压力容器为常压容器，按照进水流量并联一定数量的基本组件就可。所述污染捕集装置的位置要尽可能离高压泵近一些，一定要在还原剂加药点之后。

方案2

参见附图4，对于胶体颗粒物泄露很少但生物污染风险较高的系统，所述污染捕集装置4要安装在高压泵之后，完全模拟常规反渗透系统进水端膜元件的膜污染状况。这种应用场合采用与反渗透系统完全相同的压力容器等级，在水温较高、有机物浓度也较高时，需要考虑最多3个填料元件串联的模式，尽可能在生物污染发生时绝大部分都限制在所述污染捕集装置。

方案3

参见附图5，所述污染捕集装置也可以直接串联在反渗透膜堆的第一段中的一支膜壳之前，参见附图5，所述污染捕集装置由一支压力容器装配安装一支填料元件构成，对其进出水压差进行在线监测，专门作为污染监测之用，不能对整套系统提供保护。

Claims

1.一种监测和防止微生物污染及胶体颗粒物堵塞的方法，其特征是在反渗透膜堆8之前设置一个污染捕集装置4。所述污染捕集装置可以安装在反渗透系统高压泵7之前或之后，进水5在进入反渗透膜堆8之前先流经所述污染捕集装置4，但所述污染捕集装置不是类似于保安过滤器的精细过滤设备。

2.如权利要求1所述污染捕集装置，其特征是模拟卷式反渗透膜系统的流动状况，当反渗透系统发生胶体颗粒物污染及生物污染时，替代反渗透膜负载通常会在常规反渗透系统进水端膜元件上的污染；所述污染捕集装置能够通过高精度进出水压差变化对其污染状况进行在线监测，压差报警系统能够提醒操作人员及时发现所述中间装置的污染状况和反渗透系统可能发生污染的趋势，及时对所述污染捕集装置进行有效化学清洗，避免污染继续向反渗透膜堆的蔓延，同时可以采取其它必要的措施以改善污染趋势的恶化。

3.如权利要求2所述污染捕集装置，其特征是结构与反渗透膜系统类似，由圆柱形的压力容器和装配在其中的圆柱形填料元件4构成，与压力容器相配合，可以像反渗透膜元件一样进行并联和串联；单支填料元件有额定的过流量范围，轴向流速0.01-1.0m/s，推荐0.1-0.3m/s；一般情况下按具体进水流量选定并联数量即可；如果水质较差或者生物污染的风险非常大(比如运行温度高且AOC浓度高)，可以考虑2-6支填料元件串联方式以增加设备的流程和纳污量，推荐2-3支填料元件串联。

4.如权利要求3所述的圆柱形填料元件，其特征是采用聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龙等化学稳定性好的惰性高分子材料，推荐聚丙烯或聚酯。

5.如权利要求3所述的圆柱形填料元件，其特征是包括几种结构形式：(a)用挤出塑料丝网或编织塑料塑料丝网紧密缠绕而成的圆柱形填料，挤出塑料丝网或编织塑料丝网的厚度0.2-2.0mm，推荐0.3-1.0mm；(b)无纺布与挤出塑料丝网或编制塑料丝网交替层叠紧密缠绕而成的圆柱形填料，无纺布为厚度0.01-0.5mm，推荐0.02-0.2mm，无纺布的材质为聚丙烯或聚酯，推荐聚酯，挤出塑料丝网或编织塑料丝网的厚度0.2-2.0mm，推荐0.3-1.0mm；(c)多层叠放的＞20目的规整塑料填料。