天津城市建设学院学报第１７卷第２期２０１１年６月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖｏ１．１７ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２０１１ 反渗透系统的硫酸钙污染及清洗 杨小奇，靖大为，罗美莲 （天津城市建设学院膜技术研究中心，天津３００３８４） 摘要：通过单一污染物试验，分析了不同浓度硫酸钙进水对反渗透膜系统的污染过程。指出了膜 表面硫酸钙的过饱和度是决定其污染速度的关键因素．通过分析比较纯水冲洗和化学清洗对不同 浓度硫酸钙污染的清污效果，表明了高浓度硫酸钙快速污染的可恢复性． 关键词：反渗透系统；硫酸钙污染；膜污染清洗 中图分类号：Ｘ７０３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６．６８５３（２０１１）０２．０ｌ１９—０４ 随着反渗透工艺技术的广泛应用及国内水污染 问题的日益严重，反渗透系统的进水水质普遍趋于恶 化，系统的污染愈发严重．要保证系统正常、高效的运 行，掌握膜污染与膜清洗的规律是反渗透系统设计与 运行领域中的两个重要问题． 盐率等参数的变化趋势．系统污染后的膜清洗过程包 括纯水冲洗与化学清洗两项内容．以纯水进行的 ３０ ｍｉｎ水力冲洗，均采用０．４５ １ＴＩ ／ｈ流量．化学清洗的 药剂浓度为质量分数０．１％的氢氧化钠和质量分数 １．Ｏ％的乙二胺四乙酸四钠，清洗流量Ｏ．３５ ｍ ／ｈ，清洗 时间９０ ｍｉｎ，洗液温度２５℃． 反渗透系统污染主要包括有机物污染、无机物污 染和微生物污染三大类别¨Ｊ，而碳酸盐污染和硫酸盐 污染是反渗透系统中最为典型的两类膜污染．与碳酸 盐污染相比，硫酸盐污染更加难以清洗，更需要早期 上述膜污染与膜清洗过程的检测，是针对反渗透 系统的单一硫酸钙污染进行的专项理论分析．试验采 用的小型膜元件系统、较高污染浓度、较高浓差极化 发现与及时清洗．工程上通常采用树脂床软化或投加 阻垢剂的方法来防止硫酸钙污染，并有效提高系统的 度工况、统一的水力冲洗与化学清洗工艺及参数，旨 在较短的试验周期及有限的试验环境中，明确硫酸钙 膜污染的趋势与规律． 回收率．对于树脂床软化工艺而言，在降低系统进水 硫酸钙浓度的前提之下，为提高系统回收率，系统末 端总会呈现硫酸钙的结垢趋势．对于阻垢剂投加工艺 而言，系统末端也常会出现同类现象． 本试验研究以反渗透产出的纯水为原液，相关的 氯化钠、硫酸钙等药剂均为分析纯．试验过程中，从配 置成特定硫酸钙浓度的原水箱中取用系统进水，而系 统的排出浓水与产出淡水均回流至原水箱，随着污染 １膜污染与清洗试验设计 以实验室环境为基础，以膜面积为０．４５ ｍ 的单 支２ ０１２膜元件模拟整个系统．恒定的系统进水条件 为温度２Ｏ℃、ｐＨ值７、氯化钠浓度３００ ｍｇｍ，并配 物在膜表面的沉积，回流至原水箱中的硫酸钙浓度将 相应下降；需要及时补充相应的硫酸钙药液，以恒定 系统原水的污染物浓度．试验中硫酸根及钙离子含量 的测定采用美国Ｄｉｏｎｅｘ公司生产的ＩＣＳ一１５００型离子 色谱仪． 以不同浓度的硫酸钙．恒定的系统运行条件为产水通 量２０ Ｌ／（ｍ ・ｈ）、回收率５０％．经分析可知，浓差极化 度从进水口膜表面的１．０逐步升至浓水口膜表面的 约２．４． ２膜系统的硫酸钙污染分析 本文关于反渗透系统的硫酸钙污染分析，主要衡 量以下三项系统指标： （１）系统中硫酸钙的累积速度＝特定时段内水箱 中补充的硫酸钙质量／特定时段长度； 本试验研究以６００—１ ２００ｍｇ／Ｌ的５个特定浓度 的硫酸钙溶液为系统进水水源，分析系统工作压力上 升２０％过程中膜表面沉积物的总量、工作压力、系统透 收稿日期：２０１１－Ｏ１—１３；修订日期：２０１１－０３．２１ 作者简介：杨小奇（１９８５一），男，河北邯郸人，天津城市建设学院硕士生 ・１２０・ 天津城市建设学院学报２０１１年－笫 ！鲞箜 低．当系统维持恒定的水通量时，系统的运行压力自 然将呈现增长趋势 训．由图２可知，各浓度硫酸钙污 染后系统运行压力呈现出加速上升的趋势，与先慢后 快的硫酸钙沉积速率的变化过程基本相符． （２）系统运行压力上升比＝（污染后系统运行压 力一系统初始运行压力）／系统初始运行压力； （３）系统透盐率上升比＝（污染后系统透盐率一系 统初始透盐率）／系统初始透盐率． ２．１污染物浓度对沉积速度的影晌 溶液温度为２Ｏ℃时，硫酸钙溶液的饱和浓度为 ２ ０００ ｍｇ／Ｌ．本试验的系统回收率恒为５０％，如果不考 虑盐效应影响，１ ０００ ｍｇ／Ｌ及以上高浓度的硫酸钙溶 液在到达流程末端的浓水中业已饱和，而９００ ｍｇ／Ｌ 及以下低浓度的硫酸钙溶液在系统给／浓水中均未饱 和．但因系统末端膜表面的浓差极化度高达２．４，故各 试验浓度的硫酸钙溶液在系统末端膜表面均为过饱 和状态，进而均会发生硫酸钙沉积． 不同进水浓度硫酸钙溶液在系统中的沉淀速率 如图ｌ所示．由图１知曲线主要呈现三大特征：一是 无论进水浓度高低，沉积速率均从零速率开始逐步上 升；二是随着进水浓度增高，沉积速率在污染中期存 在一个加速过程；三是经过一段加速过程后，污染物 的沉积速率趋于稳定． 斟 遥 ０ 图１不同进水浓度污染系统ＣａＳ０４沉积速率随时间的 变化曲线 根据晶体生长理论，结晶过程分为晶核形成与晶 体成长两个部分【２Ｊ．晶核形成过程的速度较慢，而晶体 成长过程的速度加快的规律【３Ｊ成为试验曲线中第一 特征的理论依据；晶体生长理论的另一内容是晶体成 长速度均与溶液过饱和度的幂级数成正比Ｉ２】，试验曲 线中的第二特征也成为该理论的实际佐证．因此可以 认为，反渗透系统中硫酸钙类难溶盐在膜表面的结垢 沉积过程与晶体生长理论基本吻合．沉积速率后期的 趋于稳定，则可以解释为沉积层达到较高水平后，给／ 浓水流道相对变窄，给／浓水流速逐步加快，产生了对 于污染物沉积的更大阻碍作用． ２．２污染物浓度对系统运行压力变化的影响 图２示出了一系列污染试验中膜系统运行压力 的变化过程．硫酸钙在膜表面结垢的不断加重，必然 导致膜表面渗透压的增加和膜元件纯水透过率的降 图２不同进水浓度污染系统运行压力随时间的变化曲线 与低浓度硫酸钙污染相比，高浓度硫酸钙压力上 升２０％所用时间极短．硫酸钙污染时间随浓度的降低 而延长，但在低于１ ０００ ｍｇ／Ｌ的某个浓度范围内，污 染延长的时间较长，污染时间的变化与浓度的变化呈 非线性关系． ２．３污染物浓度对系统透盐率变化的影响 不同浓度硫酸钙污染后的系统透盐率变化过程 如图３所示．在水通量恒定的条件下，特定元件的透 盐率是与反渗透膜两侧的盐浓度差成正比【５ｊ．浓差极 化层和结垢层的存在都使膜表面的盐浓度不断升高， 与之相比，产水侧的盐浓度始终保持较低水平，所以 膜两侧的盐浓度差在不断加大．因此，各浓度硫酸钙 污染后系统的透盐率均不断升高，且与硫酸钙的沉积 速度逐渐升高的趋势相近，其变化过程也均呈现加速 上升趋势．由于高浓度硫酸钙的结垢速率快，膜表面 盐浓度高，其透盐率上升的速度快，污染最终造成系 统透盐率的增量也更加显著． 鬟 静 蚓 图３不同进水浓度污染系统透盐率随时间的变化曲线 ３污染后膜系统的清洗恢复 水力冲洗和化学清洗对不同浓度硫酸钙污染的 清污效果主要是通过以下两个指标衡量： 婆 壹壅塑堂 学 杨小奇等：反渗透系统的硫酸钙污染及清洗 （１）压力变化比＝清污后的系统运行压力／污染 前的系统运行压力； （２）透盐率变化比＝清污后的系统透盐率／污染 前的系统透盐率． ３．１纯水冲洗对不同浓度污染的恢复效果 ・ｌ２ｌ・ 以纯水冲洗方式进行被污染膜系统清污时，系统 性能的变化过程分别见图４及图５． 图４水力冲洗对不同浓度硫酸钙污染的压力恢复情况 鬟 丑 斟 蛔 图５水力冲洗对不同浓度硫酸钙污染的透盐率恢复情况 物理性质的水力冲洗过程，可清除膜表面的浓差 极化层，并对结垢表层有一定的去除效果．图示曲线 表明：高浓度硫酸钙进水形成的快速污染经水力冲洗 后的恢复速度较快，恢复效果也较好；而对低浓度硫 酸钙慢速污染的冲洗效果较差．换言之，水力冲洗对 短时间内形成的结垢污染更有效，所以在结垢初期对 系统及时的冲洗或可避免污染的加重． ３．２化学清洗对不同浓度污染的恢复效果 在水力冲洗的基础上继续进行化学清洗，系统性 能的变化过程分别如图６及图７所示． 图６化学清洗对不同浓度硫酸钙污染的压力恢复情况 清洗时Ｉ盱Ｊ／ｍｉＴ １图７化学清洗对不同浓度硫酸钙污染的透盐率恢复情况 图６、图７所示曲线表明，化学清洗可以对膜元件 性能做进一步恢复．对比最终清洗效果，化学清洗对 高浓度硫酸钙快速污染的性能恢复较为容易且彻底， 对低浓度硫酸钙慢速污染的性能恢复难度则大得 多．上述现象可解释为：化学清洗是通过药剂溶解硫 酸钙垢，从而将其去除；快速生长晶体的形状不尽规 则，晶体化学稳定性较差；慢速生长晶体的形状较为 规则，晶体化学稳定性较好【６ｊ．因此，硫酸钙对于反渗 透系统的污染必须及时进行化学清洗，系统性能才能 获得较好的恢复，否则会对膜系统形成不可逆污染． ４结论 （１）硫酸钙类难溶盐对于反渗透系统的污染是一 个逐步发展的过程，而污染的速度变化与硫酸钙浓度 呈非线性关系．较高的硫酸钙过饱和度将急剧加快污 染速度． （２）水力冲洗对于高浓度硫酸钙快速污染具有明 显的清污效果，对于低浓度慢速污染的清污效果则较 差；高浓度硫酸钙快速污染后的系统性能在化学清洗 后可以基本恢复，低浓度慢速污染后的系统性能则难 以恢复． （３）冲击性高浓度硫酸钙污染将造成系统性能的 急剧恶化，但及时的水力冲洗与化学清洗的效果将十 分明显． 参考文献： ［１］靖大为．反渗透系统优化设计［Ｍ］．北京：化学工业出 版社，２００６：２７—２８． ［２］刘家祺．分离过程与技术［Ｍ］．天津：天津大学出版 社，２００１：９０－９２． ［３］ＤＵＴＲＩＺＡＣ Ｊ Ｅ．Ｃａｌｃｉｕｍ ｓｕｌｐｈａｔｅ ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ｓｉｍｕ— ｌａｔｅｄ ｚｉｎｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ， ２００２，６５：１０９・１３５． ［４］靖大为．反渗透膜元件的性能指标与测试条件评 析［Ｊ］．净水技术，２０１０，２９（３）：６６—６８． ・１２２・ 天津城市建设学院学报２０ 生筮 ！鲞箜至塑 湛．膜分离技术基础［Ｍ］．北京：化学工业出版 ［５］王［６］姚连增．晶体生长基础［Ｍ］．合肥：中国科技大学出版 社，１９９５：４１２—４１３． 社，２０００：５５—５７． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃａｌｃｉｕｍ Ｓｕｌｆａｔｅ Ｆｏｕｌｉｎｇ ａｎｄ Ｃｌｅａｎｉｎｇ ｉｎ ＲＯ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｙｓｔｅｍ ＹＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｑｉ，ＪＩＮＧ Ｄａ－ｗｅｉ，ＬＵＯ Ｍｅｉ－ｌｉａｎ （Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ，ＴＩＵＣ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｎｇｌｅ ｆｏｕｌｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｆｏｕｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ＲＯ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＣａＳＯ４ ａｇｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈａｔ ｓｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ＣａＳＯ４ ｆｏｕｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ．Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｆｌｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｕｌｉｎｇ ｂｙ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＣａＳＯ４，ｉｔ ｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｆａｓｔ ｆｏｕｌｉｎｇ ｂｙ ｈｉｇｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ＣａＳＯ４ ｒｅｓｔｏｒｅｓ ｅａｓｉｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＲＯ ｓｙｓｔｅｍ；ＣａＳ０４ ｆｏｕｌｉｎｇ；ｍｅｍｂｒａｎｅ ｃｌｅａｎｉｎｇ （上接第９５页） ＧＩＳ—ｂａｓｅｄ Ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｌａｎｄ： Ａ Ｃａｓｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｅｎｔｒａｌ Ａｒｅａ ｏｆ Ｌａｎｇａｏ Ｃｏｕｎｔｙ ＺＨＯＵ Ｃｈａｏ 一．ＮＡＮ Ｘｉａｏ—ｎａ。 （１．Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｉｙｉｎ Ｉｎｓｔｉｕｔｅ ｏｆ ｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉ’ａｎ ２２３００１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｐａｒｔ— ｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｉｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｔｒｏｎｍｅｎｔ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ｎ ７１０１２７，Ｃｈｉａｎａ；３．Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｔｗｏ—ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｆｏｒｅｓｔ Ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ ｎｄ ａＰｌｎｎｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｕｔｔｅ ｏｆＳｈａａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１００８２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｌａｎｄ ａｎｄ ｓｐａｃｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｌａｎｄ ｆｏｒ ａ ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ａｒｅａ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｅｘ ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｓ ｍｏｒｅ ｉｎ ｎｅｅｄ ｏｆｒｅｓｅａｒｃｈ；ｈｏｗｅｖｅｒ，ｕｐ ｔｏ ｎｏｗ ａ ｕｎｉｉｅｄ ｆｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｔｈｅｏｒｙ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｈａｓ ｎｏｔ ｂｅｅｎ ｆｏｒｍｅｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｉｓ，ａｎｄ ｕｓｉｎｇ Ｌａｎｇａｏ Ｃｏｕｎｔｙ Ｃｅｎｔｒａｌ ａｒｅａ ａｓ ａ ｃａｓｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｕｂｊｅｃｔ ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａ ｍｏｕｎ— ｍｉｎｏｕｓ ａｒｅａ，ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉ・ｆａｃｔｏｒ ｒａｔｉｎｇ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｉｎｄｅｘ ｓｕｍｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＲＣｇｉｓ，ｔｈｕｓ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ａｒｅａｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＩＳ；ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ａｒｅａ；ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ；ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ
