雙級聯(lián)動反滲透系統(tǒng)故障分析
高振1， 聶明2
（藍星東麗膜科技（北京）有限公司，北京，101318；中海油天津化工研究設計院有限公司，天津，300000）
為了提高反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水水質，在工程應用中往往采用雙級反滲透系統(tǒng)，后續(xù)工藝根據(jù)需要采用EDI、混床工藝或直接使用。本文針對某電廠雙級反滲透運行中的故障進行了現(xiàn)場調查，并對故障產(chǎn)生原因進行了分析。
1. 故障概述
現(xiàn)場采用地下水為水源，工藝為超濾+雙級反滲透+EDI，雙級反滲透直接通過管路連接，一級8：6排列，二級6：3排列，均為6芯。啟動系統(tǒng)后約3個月左右，現(xiàn)場一級反滲透系統(tǒng)脫鹽率大幅度降低。
2. 系統(tǒng)檢測與分析
2.1 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)采集與分析
根據(jù)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)看，該系統(tǒng)一級膜組回收率接近80%，但系統(tǒng)壓差較小，脫鹽率較差（僅73%左右）。初步懷疑系統(tǒng)由于回收率過高導致結垢問題。
表1 一級系統(tǒng)原始運行數(shù)據(jù)
|
膜組編號 |
進水溫度 |
運行壓力 |
運行水量 |
電導率 |
一段 壓差 |
二段 壓差 |
回收率 |
脫鹽率 |
|||||
|
進水 |
段間 |
濃水 |
產(chǎn)水 |
產(chǎn)水 |
濃水 |
進水 |
產(chǎn)水 |
||||||
|
℃ |
Bar |
Bar |
Bar |
Bar |
m3/h |
m3/h |
us/cm |
us/cm |
Bar |
Bar |
% |
% |
|
|
一級膜組 |
31 |
6.6 |
6 |
5.6 |
- |
60.3 |
15.5 |
496 |
133 |
0.6 |
0.4 |
79.55 |
73.2 |
2.2膜殼電導率檢測
表2 膜組單支膜殼電導率檢測數(shù)據(jù)
|
膜組信息 |
一級 |
進水電導 (us/cm) |
496 |
產(chǎn)水電導 （us/cm） |
133 |
|
|
|
|
一段膜殼 |
1# |
2# |
3# |
4# |
5# |
6# |
7# |
8# |
|
電導率 (us/cm) |
10.45 |
10.45 |
10.8 |
10.6 |
- |
10.4 |
10.7 |
10.5 |
|
二段膜殼 |
9# |
10# |
11# |
12# |
13# |
14# |
|
|
|
電導率 (us/cm) |
139 |
230 |
471 |
190 |
299 |
278 |
|
|
從膜殼電導率看，一段整體較低且平均，二段約是一段電導率的14-30倍，表明二段存在影響系統(tǒng)整體脫鹽率的故障。
2. 3二段進行探針檢測
探針結果發(fā)現(xiàn)膜殼在濃水側的產(chǎn)水電導率約是進水側產(chǎn)水電導率的2.3-3.6倍，在靠近濃水側均出現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象，且二段單支膜殼電導率波動較大，波動較大不符合結垢現(xiàn)象導致的脫鹽率降低現(xiàn)象，因此暫時無法判斷是否存在結垢問題或者由于機械泄漏導致電導率升高。
2.4根據(jù)數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場模擬計算
根據(jù)現(xiàn)場獲取的水質和運行數(shù)據(jù)，采用計算軟件進行了模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結果存在以下問題（報警信息參考下圖）：
（1） 二段濃水量不足的報警，這表明膜表面濃水量無法滿足系統(tǒng)需要的最低流速，易造成膜污染或結垢；
（2） 濃水LSI較高，系統(tǒng)結垢報警。正常情況下通過阻垢劑可控制系統(tǒng)結垢，但系統(tǒng)由于回收率過高時，原有阻垢劑加藥量可能無法阻止結垢問題的發(fā)生。
2.5拆膜殼檢測
綜合以上情況，現(xiàn)場拆膜殼進行檢測，開啟膜殼后發(fā)現(xiàn)二段膜元件存在較為嚴重的結垢問題（見下圖）：
（1）濃水側端蓋存在較多白色垢體，經(jīng)過鹽酸處理，出現(xiàn)較多泡沫，之后溶解（初步判斷為碳酸鹽結垢）；
（2）二段濃水側最后兩支膜元件存在明顯結垢現(xiàn)象，前四支膜元件結垢現(xiàn)象不能通過眼睛觀察到。
但由于二段膜殼產(chǎn)水電導率波動較大，不符合反滲透系統(tǒng)結垢后二段膜殼電導率相對均勻升高的現(xiàn)象，盡管發(fā)現(xiàn)有結垢問題，仍不能排除存在其它故障。為了安全起見，后期從現(xiàn)場取走一支二段膜元件進行了膜元件解剖分析。
2.6膜元件分析結果
（1）膜元件超重：膜元件重量17.04Kg，超重較多；
（2）膜元件脫鹽率非常低：產(chǎn)水電導率接近原水；
（3）膜元件解剖
Ø 膜表面觀察無明顯污染物，但手觸摸存在顆粒物，滴酸產(chǎn)生氣泡，表明存在碳酸鹽結垢；
Ø 膜表面存在鼓泡現(xiàn)象，表明二段存在背壓現(xiàn)象；
Ø 膜片染色試驗發(fā)現(xiàn)膜片存在明顯滲漏，表明膜元件膜片損傷；
Ø SEM觀察發(fā)現(xiàn)大量片狀結垢，主要成分為碳酸鹽，同時存在磷酸鹽。見下圖；
通過膜元件分析，表明二段膜元件存在嚴重的結垢問題導致系統(tǒng)脫鹽率降低，同時二段存在背壓現(xiàn)象，這使得二段膜殼產(chǎn)水電導率分布不均衡。因此，系統(tǒng)同時存在背壓和結垢兩種故障導致整體脫鹽率降低。
3．系統(tǒng)故障處理過程
3.1化學清洗
由于現(xiàn)場檢測時無法判斷是否存在背壓，僅發(fā)現(xiàn)嚴重結垢問題，因此現(xiàn)場對結垢嚴重的二段膜元件進行了徹底在線清洗。清洗過程中及時檢測pH值的變動，及時補充藥劑直至pH不再增長為止。清洗前后數(shù)據(jù)如下：
3.1.1二段清洗前后膜殼電導率變化
表3 清洗前后膜殼電導率變化
|
化學清洗前 單位：（us/cm） |
||||
|
143 |
234 |
458 |
|
|
|
188 |
295 |
273 |
二段平均 |
265.2 |
|
化學清洗后 單位：（us/cm） |
||||
|
138 |
228 |
503 |
|
|
|
186 |
309 |
314 |
二段平均 |
279.7 |
3.1.2系統(tǒng)清洗前后運行數(shù)據(jù)對比（數(shù)據(jù)見表4）
通過清洗前后對比發(fā)現(xiàn)：清洗后系統(tǒng)脫鹽率進一步降低，表明碳酸鹽結垢問題處理之后，系統(tǒng)仍存在明顯的故障導致脫鹽率降低，這說明二段可能存在機械泄漏或背壓問題，這一點在后來的膜元件檢測中得到了驗證。
表4 清洗前后運行數(shù)據(jù)變化
|
膜組編號 |
進水溫度 |
運行壓力 |
運行水量 |
電導率 |
一段 壓差 |
二段 壓差 |
回收率 |
脫鹽率 |
|||||
|
進水 |
段間 |
濃水 |
產(chǎn)水 |
產(chǎn)水 |
濃水 |
進水 |
產(chǎn)水 |
||||||
|
℃ |
Bar |
Bar |
Bar |
Bar |
m3/h |
m3/h |
us/cm |
us/cm |
Bar |
Bar |
% |
% |
|
|
化學清洗前 |
31 |
7.2 |
5.8 |
5.6 |
1.2 |
60 |
19 |
500 |
117 |
1.4 |
0.2 |
75.6 |
76.7 |
|
化學清洗后 |
30.3 |
7.2 |
5.8 |
5.6 |
1.3 |
61 |
19 |
500 |
134 |
1.4 |
0.2 |
76.5 |
73.2 |
3.2回收率調節(jié)
根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)模擬結果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)回收率過高，現(xiàn)場對回收率進行了調節(jié)，從80%左右降低到75%左右，調節(jié)前后運行數(shù)據(jù)對比如下：
3.2.1系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)對比
表5 回收率調節(jié)前后運行數(shù)據(jù)變化
|
膜組編號 |
進水 溫度 |
運行壓力 |
運行水量 |
電導率 |
一段 壓差 |
二段 壓差 |
回收率 |
脫鹽率 |
|||||
|
進水 |
段間 |
濃水 |
產(chǎn)水 |
產(chǎn)水 |
濃水 |
進水 |
產(chǎn)水 |
||||||
|
℃ |
Bar |
Bar |
Bar |
Bar |
m3/h |
m3/h |
us/cm |
us/cm |
Bar |
Bar |
% |
% |
|
|
回收率 調整前 |
31 |
7.4 |
5.9 |
5.7 |
1.3 |
61 |
14.8 |
500 |
126 |
1.5 |
0.2 |
80.47 |
74.8 |
|
回收率 調整后 |
31 |
7 |
5.5 |
5.3 |
1.1 |
60 |
20.7 |
500 |
107.8 |
1.5 |
0.2 |
74.35 |
78.4 |
3.2.2二段膜殼電導率數(shù)據(jù)對比
表6 回收率調節(jié)前后二段膜殼電導率變化
|
調整前（80%左右回收率） 單位：（us/cm） |
||||
|
143 |
234 |
458 |
|
|
|
188 |
295 |
273 |
二段平均 |
265.2 |
|
調整后（75%左右回收率） 單位：（us/cm） |
||||
|
113 |
191 |
355 |
|
|
|
162 |
253 |
222 |
二段平均 |
216.0 |
通過回收率調節(jié)，二段膜殼電導率平均值降低了49.2us/cm。
4.故障原因分析
4.1結垢原因分析
（1）系統(tǒng)結垢的主要原因是系統(tǒng)回收率過高，一般6芯兩段系統(tǒng)的典型回收率是75%，回收率過高易造成二段結垢問題，該系統(tǒng)結垢主要是由于過高的回收率導致；
（2）通過現(xiàn)場調查了解到導致結垢的另一個特殊原因：現(xiàn)場安裝二段膜元件時膜元件安裝方向錯誤，即膜元件鹽水密封圈放置在了膜元件前端，由于鹽水密封圈為楔形結構，導致部分原水（N1）未經(jīng)過膜元件過濾，直接經(jīng)過膜元件外壁與膜殼的縫隙成為濃水的一部分，使得膜系統(tǒng)在產(chǎn)水量（P）相同情況下，實際的濃水量（N2）數(shù)值上低于表觀濃水量（N1+N2），實際膜系統(tǒng)的回收率（R=P/（P+N2））高于表觀回收率（R表=P/（N1+N2）），導致嚴重的結垢問題。
（3）膜表面污染物中含有較多的磷元素，不能排除阻垢劑問題導致結垢。
4.2背壓原因分析
現(xiàn)場檢測沒有發(fā)現(xiàn)明顯的可能導致背壓現(xiàn)象的故障，但初步懷疑背壓的產(chǎn)生與兩級反滲透之間直接管路連接有關，在系統(tǒng)停機時，兩級反滲透同時停機，導致一級產(chǎn)水管出現(xiàn)瞬時背壓問題。但現(xiàn)場儀表無法顯示背壓的產(chǎn)生。一般來講，在運行中常見的背壓故障發(fā)生的情況如下：（1）分段化學清洗時產(chǎn)水側回流閥未開啟導致未清洗的膜元件背壓受損；（2）產(chǎn)水側壓力較高，意外停機導致背壓；（3）產(chǎn)水管路出口過高，且膜組產(chǎn)水管路未設置單向閥或單向閥失效；（4）膜組產(chǎn)水管路閥門內漏，且產(chǎn)水管路單向閥失效，導致未運行膜組反向進水導致背壓。由于內漏產(chǎn)生的背壓很難在運行過程中被發(fā)現(xiàn)。
5．故障處理的建議
5.1系統(tǒng)故障建議
（1）系統(tǒng)回收率需要控制，不可盲目提高回收率；
（2）對于兩級聯(lián)動系統(tǒng)，建議考慮在一級系統(tǒng)和二級系統(tǒng)之間增設緩沖水箱，防止由于故障停機或系統(tǒng)自控問題導致的背壓問題；
（3）安裝膜元件時必須按照正確的安裝方法進行；
5.2其它問題建議
（1）考慮在一級反滲透進水加酸控制pH值，降低碳酸鹽結垢趨勢；
（2）對于新項目，現(xiàn)場運行最好考慮進行水質全分析，以防建設期水質檢測與運行期水質不符，導致系統(tǒng)污堵或結垢。
