利用膜解剖分析，提高反滲透（tòu）工藝效率---旭日東

       近幾十年來，反滲透（RO）已作為廣泛使用的商業水淨化技術。盡管如此，反滲透膜元件作為這（zhè）種淨化工藝的核（hé）心部件，會經常發生過早退化和性能下降等問題，從而對反滲透裝置的運行和維護產生不利（lì）影響。膜（mó）解剖能（néng）有效評（píng）估膜的狀況和確認問題根（gēn）源（yuán）。雖（suī）然技術上它已得（dé）到驗證，但自身價值（zhí）仍未得到（dào）充分開發。最近，國際測認證機構南（nán）德意誌集團（TÜVSÜD）亞太平洋分公司的水服務團隊在IWA國際水協（xié）會期刊《Water Practice & Technology》上發表了一篇關於膜解剖技術的綜述文章，旨在提供商用膜解剖的一般方法學，並使用三個（gè）案例研究（jiū）闡述了膜解剖如何能為操作者和最終用戶創造價值。
什麽是膜解剖
其實膜解剖是一項已經得到充分驗證的技術：它對膜元件進行拆解，以了解其狀況，評（píng）判膜性能損失的程度。通常它包括了（le）對元件外觀的物理檢查、解剖，以及內（nèi）部檢查。隨後對（duì）膜（mó）和表麵沉積物進行一些列的物理、化學和微生物分析測試，以此說明各種類（lèi）型的膜故障和沉積特征。這為故障排除、膜修複和工廠運（yùn）行的改（gǎi）善提供關鍵而可靠的（de）依據。
盡管有這麽多顯而易見（jiàn）的優點，這（zhè）項技術卻還沒有得到充分實踐。大家提到的常見原因包括了膜解剖的破壞性（解剖後的膜無法再使用）、膜解剖和膜更換的相關成本、周轉時間等（děng）。在過去幾年（nián），一方麵（miàn）分（fèn）析技術的改進使得更實惠的價格提供更快的（de）結果交付，並實現更準確的評估；另一方（fāng）麵，膜元件價格的（de）大幅降低使得膜解（jiě）剖這種有破壞性的操作在經濟上變得更難接受。因此（cǐ），需要更加係統性的闡述（shù）定期進行膜解剖（pōu）的益處，使它對膜運行的附加值最大（dà）化，最（zuì）終惠及終（zhōng）端客戶和所用（yòng）的用水者。
此文目的是要描述膜解剖（pōu）的常規操作的一係列關鍵步驟，並從技術和（hé）商業兩個角度重（chóng）點講述如何將膜解剖獲得的分析結果的價值最大化。他們覺得（dé）三個（gè）案例包（bāo）括：
（1）故障分析和（hé）故障排除，
（2）操作優化和日常監控，
（3）資產管理和維護改善。
膜樣本的選擇（zé）
選擇有代表性的膜進行解剖是至關（guān）重要的第一步。當滲透質量是關注對象時，可以進行壓力容器分析（xī）以選擇顯示滲透電導（dǎo）率（lǜ）急劇增加的部件。對於一般設備故障，可以選擇前端元件或尾端元件（jiàn），其中前端元件對顯示膜汙染（fouling）最嚴重的膜元件狀態最有代表性，而尾端元件最可能與嚴重的結垢（scaling）問題相關。
通過徹底的外部和內部的視覺觀察對元件的物理完整性進（jìn）行記錄。詳細檢查將用（yòng）於單項測量，並檢查外部包裝和抗伸縮裝置（Anti-Telescoping Device）、O型環和鹽（yán）水密封完整性、卷軸和出水管的損壞/缺陷情況。元件的（de）解剖分（fèn）析內容還有內膜缺失數、可見型的膜缺陷/補丁，膠層評估和表麵沉積的初步檢（jiǎn）查等。
分析測試
這個研究用到的分析內容包括了（le）Fujiwara餘氯氧化測（cè）試、能譜掃（sǎo）描電鏡（SEM-EDX）、X射線光電子能譜分析（XPS）、傅立葉變換紅外光（guāng）譜（FTIR）、灼減量（WLOI-Weightloss on ignition）、微生物計數（TMC）。
作者們對非破壞性和破（pò）壞性（xìng）分析檢查的結果進行匯編和分析，對膜解（jiě）剖分析情況和導致性能下降的可能（néng）原因做（zuò）整（zhěng）體總結，提出建議（yì），最終（zhōng）目（mù）的都是（shì）找到（dào）潛在設備故障，簡化操作效（xiào）率、減（jiǎn）少膜汙染頻率和程度，延長係統壽命。
 案例分析（xī）結果與討論
案例一
東南亞的一家水廠（chǎng）遇到了RO膜汙染嚴重、鹽分透過率高、膜更換頻繁等問題。工（gōng）廠操作員利用膜解剖來了解膜係統故障的潛在問題（tí）。
物理檢測顯示了嚴重的膜汙染，表明可（kě）能是前（qián）處理工藝效果不佳，並解釋（shì）了低通量和高替換率的原因。放大的SEM圖像（xiàng）清晰地描繪了沉積物對膜（mó）表麵的磨損損傷，解釋了滲透質量差的原因。使用WLOI的（de）灼減量分析發現，黑色/棕（zōng）色（sè）沉積物主要是無機物質（86％），然後用EDX-RF等技術得到（dào）進一步證實（見下（xià）表1），表明沉積物構成高含量的無機錳和（hé）鐵。
根據膜（mó）解剖的結果，研究（jiū）團隊對水廠（chǎng）進行核（hé）查（chá）來驗證膜解剖的結（jié）果，並製定了相應的（de）技術方案。結果發（fā）現進水水源高度缺氧，並含有大量膠體和溶解性的（de）錳和鐵。預處理的沉置段和過濾介（jiè）質尺（chǐ）寸過小，導致膠體/顆粒物的去除效果不佳。他們發現RO前端的進料罐外露，導致外界空氣氧（yǎng）化（huà）了溶解的金屬變成（chéng）不溶性沉澱物。前端（duān）濾（lǜ）芯的尺寸過大，維護工作也沒有做好，不能給下遊的反滲透工藝提（tí）供功（gōng）能（néng）保護。研究團隊向工廠業主提供的建議（yì）包（bāo）括了對預處理段進行改造，例如增加沉澱池和介質過濾池；調整前端過濾的規格、封裝水箱減少對外界的暴露、更換濾芯以獲得更合（hé）適的（de）容量。業主（zhǔ）采（cǎi）納了這（zhè）些建（jiàn）議後對工藝進行整改，膜汙（wū）染問題得到了顯著緩解，原位清（qīng）洗（CIP）和膜（mó）替換率也大大（dà）降低。單單膜更換這一項就為工廠每年（nián）節省（shěng）了100-150萬美元（yuán）。近期的（de）數據也顯示水廠在出水通量和水質上都有明顯（xiǎn）改善（shàn），過程中斷故障率也低了很多（duō）。這些都是運行優（yōu）化帶來的效益（yì）。
在這個案例裏，膜解剖為膜狀況提供了法醫（yī）般專業的評估分析，這為水處理廠的運行問題提供了依據，並從而實施適當的修複和故（gù）障排查建議，有效地解決了運行失常的問題。
案（àn）例二
中東地區一個大型（xíng）海水（shuǐ）反滲透工廠（SWRO）的（de）運營維護團隊需要技術谘詢，以（yǐ）優化（huà）水廠的運行表現並簡化運維流程。膜解剖通過對使用過的元件進行詳細（xì）的檢查和（hé）分析來（lái）進行，以此測量（liàng）元件的完（wán）整性，全麵了解汙垢成分。這為（wéi）運行維護實踐做出分析（xī）和建議之（zhī）前提供了關（guān）鍵而可靠的補充信息。
對膜表麵的仔（zǎi）細檢查著重突出了膜表麵上存在的褶皺狀的折痕線，特別是沿著（zhe）膜間的膠層（céng），在此處即使是（shì）最小的運動也（yě）是被禁止的。對此大家推測是因為長年膜表麵的麵內擠（jǐ）壓已經達（dá）到臨界點（diǎn），以致膜的麵外（wài）變形，從而在表麵上產生（shēng）折痕/皺紋和撕（sī）裂狀損壞。對於汙垢沉積物（wù），WLOI分析揭示（shì）了水分和有機物含量很高。綜合過往經驗、相關化學環境（jìng）以及FTIR-ATR和XPS分析結果，顧問團隊猜測現（xiàn）有的預處理工（gōng）序不足以去除進水中的天然有機物（wù）質（NOM）。
·      根據膜（mó）解剖的分析（xī），他們就預處（chù）理運行、清洗和替（tì）換工作提出了合理的建議，例如：建議運營團隊嚴格遵守適當的反滲（shèn）透係統啟動/關閉程序，並以受（shòu）控（kòng）速率對反滲透（tòu）係統進行加壓；
·      另外也要密切監視進氣壓力和（hé）壓差ΔP，以其作為啟動CIP和元件更換（huàn）的（de）關鍵指標，防（fáng）止壓力過大和膜（mó）變形；
·      應該增設DAF和優化混凝劑量等預處理工藝，從而更有效地去除進水中的NOM。
針對給出的上述建議，運營團隊循序漸（jiàn）進地開（kāi）展（zhǎn）實施工作，如今已經看到了通量的提高以及CIP時間（jiān）的延長。他（tā）們將定期進行膜解（jiě）剖來記（jì）錄和（hé）分（fèn）析性能的改（gǎi）善情況。
在這個案例裏膜解剖提供了一種跟蹤反滲透係（xì）統（tǒng）性能的方法，並（bìng）通過改進措施來識（shí）別運行問題，升級運行工作和優化整個係統的性能。
案例三
廢舊膜元件的溶質截留率一般很差（chà），但有化學品可以恢複這些舊元件的性能，而膜解剖可以用來評估這些化學（xué）品對膜（mó）的功效和潛在影響。位於印度尼西亞的一座SWRO工廠找到研究團隊對一種化學品進行（háng）評估。這種（zhǒng）化學處理一般先對廢舊膜（mó）元件進行檢查和性能評估，接著進行化學處理，然後再對性能進行重新評估。膜解剖用在最後一步的（de）檢驗裏，來驗證化學處理的作用成效。
膜元件在化學處理前後的電（diàn）導率曲線顯示膜元件的溶（róng）質截（jié）留（liú）率僅有（yǒu）輕微改善。SEM圖像清楚表明，此化學處理無法修複膜上的大片磨損損傷。因此他們建議修改化學（xué）處理工序以提（tí）高修複效果，或者尋找其他有（yǒu）效的化學品。
在這個案例裏膜解剖作為驗證步驟，可以直（zhí）接對反滲（shèn）透膜化學處理方案的有效性進行評估。相同的方法可以用（yòng）來幫助運行人員針對特定的膜汙染，選擇有效的清潔化學品，並協（xié）助設（shè）計改進的（de）清洗/替換方案，來改善（shàn）資產管理水平。 
小結
在評估膜性能狀況方（fāng）麵，膜解剖是一種很（hěn）有價值的工具，它能幫助找出（chū）係統性（xìng）能損失的潛（qián）在成因。它有作（zuò）為一種常規獨立技術的靈活性，也（yě）能與其他程序協同工作，例（lì）如工廠審計和（hé）性能表現數據的分析，幫助運營者在不同場景中找出係統的（de）問題，加強工廠的運（yùn）維（wéi）能力。水廠的管理者（zhě）如果能（néng）以係統化（huà）、專業化的方式來運用膜解剖技術，那麽（me）其就能為工廠（chǎng）運維創造寶貴的附加價值，並最終惠及所有的用水（shuǐ）客戶。