一种纳滤、反渗透膜的高渗透压在线反向清洗方法及装置与流程

本发明属于膜技术领域，特别涉及一种纳滤、反渗透膜的高渗透压在线反向清洗方法及装置。

背景技术：

对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜，当把相同体积的稀溶液(例如淡水)和浓溶液(例如盐水)分别置于半透膜的两侧时，稀溶液中的溶剂将自然穿过半透膜而自发地向浓溶液一侧流动，这一现象称为渗透。当渗透达到平衡时，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一个压差，此压差即为渗透压。渗透压的大小取决于溶液的固有性质，即与浓溶液的种类、浓度和温度有关而与半透膜的性质无关。若在浓溶液一侧施加一个大于渗透压的压力时，溶剂的流动方向将与原来的渗透方向相反，开始从浓溶液向稀溶液一侧流动，这一过程称为反渗透。反渗透是渗透的一种反向迁移运动，是一种在压力驱动下，借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法，它已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩，其中最普遍的应用实例便是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。

膜依据其孔径的不同可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。超滤是一种压力驱动膜过滤过程，主要依靠筛分机理分离水中颗粒物质和大分子有机物，超滤膜的孔径为0.002微米～0.1微米，溶解物质和比超滤膜孔径小的物质能透过滤膜，而比超滤膜孔径大的物质不能透过超滤膜从而被截留下来，随浓缩液排放。因此产水中只含有离子和小分子物质，而胶体物质、颗粒、细菌和病毒被超滤膜去除。

与超滤膜不同，反渗透膜的膜孔径更小，表面微孔的直径一般在0.5～10纳米之间。它是利用反渗透原理进行工作。反渗透膜可以将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右。纳滤主要运用于饮用水和工业用水的纯化，废水净化处理，工艺流体中有价值成份的浓缩等方面。因此，反渗透膜和纳滤膜的分离过程需要压力驱动克服渗透压来生产纯净水(产水)。

膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子和溶质大分子由于与膜存在物理化学作用或机械作用引起的膜表面和膜孔径内吸附、沉积造成的膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特征的不可逆变化现象。对膜污染来说，一旦物料与膜接触，膜污染即开始。反渗透膜的污染类型可分为颗粒污染、胶体污染、化学污染和微生物污染。膜污染物中最常见的为碳酸钙垢、硫酸钙垢、金属氧化物垢、硅沉积物及有机或生物沉积物。基本上所有的原水中都含有微生物，即病毒、细菌、真菌、藻类、热源还有其他高等生物。这些微生物在进入反渗透膜过程中，以渗透膜为载体，借助反渗透浓盐水段浓缩的营养盐而繁殖生长，使产水量和脱盐率下降，并使产品水被污染，且使膜的寿命缩短。

目前阻止膜污染的方法是，1)在预处理中添加各类杀菌剂来阻止微生物的生长，2)添加阻垢剂来缓解各类无机物的结垢，3)当膜通量降低时，用膜的清洗方法去除附着在膜表面难以清洗沉积物和微生物。其中膜的清洗方法有物理方法和化学方法两种，其中物理方法如水力学清洗方法只适用于微滤膜和疏松的超滤膜，大多数情况下仍需化学清洗，膜使用一定时间后，需加入各种化学药剂对膜内的污垢进行清洗。清洗过后，虽然在短时期内对膜通量的恢复具有一定效果，但也同时带来了二次污染，且对膜本身造成了一定程度的损害，导致最终清洗周期越来越短，直接缩短了膜的使用寿命。因此，膜的使用寿命一般最多仅为5年，膜的经济性制约了膜的大规模使用及其优良性能的发挥。同时杀菌剂、阻垢剂、清洗剂、酸和碱的大量使用也进一步提高了运行成本。以海水淡化为例，目前常规工艺需要需要添加十几种化学药剂来保护膜的运行。

反渗透膜、纳滤膜有不同的结构形式，包括中空纤维式、卷式、板框式和管式。目前中空纤维式是最成熟的结构形式，也是应用最为广泛的。中空纤维式反渗透膜、纳滤膜从膜外侧到膜内侧虽然可以承受高达4mpa-8mpa的工作压力，但是由于受到不对称膜结构的限制，背压现象会导致膜片遭受到物理损伤。对于目前所有商用中空纤维式反渗透膜、纳滤膜说明书均要求产水侧(膜内侧)压力不得高于给水侧(膜外侧)压力0.05mpa。因此，目前没有任何关于超滤膜、反渗透膜的反向洗技术的研究。

例如，中国专利cn201521116300报道了一种自动化的添加化学药剂的离线清洗的方法，本质上属于离线清洗。中国专利cn201210295481.4.报道了一种在线清洗膜分离组件的电镀废水系统及其工艺，该工艺只适用于浸没式分离膜组件，与本发明所涉及的纳滤、反渗透膜不是一种结构形式的膜组件。中国专利cn103265095a用于水处理的自清洗膜处理装置，该方法采用背压技术对超滤膜进行反清洗。不适用于中空纤维式纳滤、反渗透膜。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纳滤、反渗透膜的高渗透压在线反向清洗方法及装置，针对膜分离技术应用中的膜污染严重、传统的化学清洗存在二次污染且清洗频繁等问题，依据渗透原理，在膜系统运行时，通过改变原水的渗透压和膜的运行压力，使得产水(渗透液)在浓水渗透压的作用下被反向“吸回”到膜系统，并随浓盐水一起排出膜系统，实现对膜进行反向清洗。本发明的反向清洗过程中，高压泵并没有停止工作，反渗透膜依然工作在正压状态，不会发生“背压”。本发明具有降低膜表面结垢速率和结垢附着力，杀灭膜表面细菌，阻止胶体颗粒沉积的作用，从而降低膜污染的速度，实现了膜的免加药运行和免加药清洗。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种纳滤、反渗透膜的高渗透压在线反向清洗方法，包括如下步骤：

a)在线反向清洗的启动：如反渗透系统连续24小时运行，每天启动一次清洗；如反渗透系统不连续运行，在每次关机前进行清洗；

b)在线反向清洗的准备：在反渗透系统生产过程中，将反渗透产生的浓盐水进行收集到浓盐水罐中，其容积为反渗透正常生产30分钟所产生的浓盐水体积；同时，将反渗透生产的产水收集到反向清洗水罐中，其容积应大于反渗透系统正常生产15分钟所产生的产水体积。反向清洗水罐的高度应在纳滤、反渗透膜压力容器顶端1米以上。

c)在线反向清洗的启动：将高压泵工作压力由反渗透工况下的压力p1降低到反清洗压力p4，稳定在恒压，缓慢打开浓盐水出口的背压阀到全开状态，将浓盐水罐中的浓盐水送入膜中，同时关闭原水进水和产水出水，在浓盐水渗透压得驱动下，反向清洗水罐的产水反方向流向膜的外侧，与浓盐水一并从膜中排出；

d)在线反向清洗：维持恒压状态不变，直至收集的浓盐水水位进入低液位。如出现产水水位进入低液位状态时，应立即中断反向清洗过程；

e)原水清洗：打开原水进水阀和产水出水阀，直至浓盐水侧电导率与进水侧电导率一致；

f)清洗结束：调节高压泵进水流量，使其与正常的反渗透工作状态流量一致，缓慢关闭浓盐水出口的背压阀。当进水侧压力等于反渗透工作压力时停止，系统恢复到反渗透工况，正常产水。

过程中的压力条件：

a)在正常反渗透工况下，原水的渗透压p2，高压泵工作压力为p1，产水(渗透液)压力为p5，渗透液的渗透压很低，忽略不计。此时膜内侧(渗透液)与外侧之间压差λp1＝p1–p2–p5；

b)在线反向清洗工况下，高压泵工作压力为p4，膜的进水流量为反渗透工况下进水流量的2倍，由于背压阀全开，此时p4小于p1和浓盐水的渗透压p3；

c)在线反向工况下，膜内侧渗透液(产水)压力为p6，此时膜内侧(渗透液)与外侧的压差λp2＝p3+p6-p4，其中λp2的方向与λp1相反。λp2小于λp1的60％，并大于1mpa。依据渗透原理，渗透液(产水)从膜内侧向膜外侧流动，随浓盐水一起从膜中排出。

如果反渗透过程中产生的浓盐水的渗透压不足以满足所述压力条件，则在每次清洗之前，在浓盐水中投放氯化钠，使其渗透压以满足要求。

其中，需要注意的是：

1、在设计过程中，要仔细测算λp2的理论数值。λp2压力过高会导致产水流量过大，损伤反渗透膜。λp2过低则会是的产水流量过低，达不到清洗效果。特别是在进水水温变化大的系统中，水温会显著的影响膜的回收率，因而带来浓盐水的渗透压的变化。

2、在阀门和高压泵的调节过程中，调节速度应参考膜的说明书，避免介质变化和高压泵压力剧烈变化对膜造成的冲击。

3、在正常反渗透工况下、清洗工况下以及工况的切换过程中，确保渗透液充满膜的内侧。

本发明还提供了一种纳滤、反渗透膜的高渗透压在线反向清洗装置，包括：

浓盐水储存系统，包括浓盐水罐5，浓盐水罐5的进水口与纳滤、反渗透膜压力容器13的浓盐水出水管15连接且在连接管路上设置有浓盐水减压孔板12和浓盐水罐进水阀11，浓盐水罐5的出水口连接反渗透高压进水泵10且在连接管路上设置有浓盐水罐出水阀4、压力计7、电导率传感器三8和进水流量计9；

反向清洗水储存系统，包括反向清洗水罐18，反向清洗水罐18并联在纳滤、反渗透膜压力容器13的产水管道21上，反向清洗水罐18底部位置高于纳滤、反渗透膜压力容器13顶端1米以上，反向清洗水罐18的进液管路上设置产水进水阀17，出液管路上设置单向阀19，当产水管道21压力低于反向清洗水罐18最低液位压力时，单向阀19在重力的作用下打开；

背压调节系统，包括设置在纳滤、反渗透膜压力容器13的浓盐水出水管15上的电导率传感器一14和背压阀16，电导率传感器一14和背压阀16设置在浓盐水罐5进水口的后方。

所述浓盐水罐5中设置有电导率传感器二26，浓盐水罐5连接有带氯化钠加药阀6的加药管。

所述纳滤、反渗透膜压力容器13的原水进水管路上，在进水阀3与进水口之间，依次设置有压力计7、电导率传感器三8、进水流量计9和反渗透高压进水泵10，浓盐水罐出水阀4并联在进水阀3和压力计7之间，反渗透高压进水泵10的出水口并联连接至浓盐水罐5的进水口，且在连接管路上设置有压力计二23和流量计二24。

所述浓盐水罐5的容积为系统30分钟浓盐水产量，反向清洗水罐18的容积大于反渗透工况下15分钟的产水产量。

在产水管道21上，位于单向阀19的后方，设置有产水开关阀20。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、该方法利用纳滤、反渗透工艺产生的副产品—浓盐水进行物理清洗，无需添加化学药品，节省大量药剂费、管理费、人工费。避免药物清洗对膜带来的老化和损伤，极大的延长了膜的寿命。该发明是一种低碳、环保、节能的方法。

2、常规的化学cip在线清洗，清洗水流方向与正常反渗透生产过程水流向一致，无法将膜上附着的较为紧密、牢固的杂质清除。本发明采用反向清洗，产水在渗透压得作用下从膜内侧向外侧流动，有效的清除夹在在反渗透膜中间的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质。

3、由于产水非常纯净，对难溶盐的溶解度远高于原水的溶解度，因此，反向清洗可以有效的溶解难溶盐，加上较高的膜表面流速，难溶盐会迅速溶解并排出膜系统。

4、按照目前纳滤膜和反渗透膜的说明书要求，膜系统从完全停机状态启动到正常生产状态需要30分钟到1个小时使膜内部全部充满液体。同样的，从正常生产到完全停机也需要30分钟到1个小时的时间来排空膜内部的浓盐水。因此，进行一次化学清洗或者离线清洗需花费数小时到几天的时间。而本专利中，从反渗透生产工况转入反向清洗工况，直至清洗结束恢复生产的整个清洗过程膜表面始终有液体流过，高压泵没有中断运行，膜系统一直处于工作状态，通过自动控制完成工况切换，从进入到退出反向清洗过程仅需要20分钟左右。因此本专利极大的延长了反渗透系统的有效工作时间，经济效益非常明显。

5、由于化学cip清洗耗时过长，通常只能几个月清洗一次。本发明采用的反向清洗的速度快，自动化程度高，可以每天清洗一次。可以使膜表面长期保持清洁，可免去在原水中投加阻垢剂，提高膜的通量，降低了膜的运行压力，实现了纳滤膜、反渗透膜的免加药运行。

6、微生物的繁殖速度超过任何生物，一般细菌约每20分钟可分裂一次(一代)，按此速度计算，一个细胞经7h可繁殖到约200万个。微生物细胞生存环境受到受温度、渗透压等外界因素的影响。而膜表面附着的微生物能够很好的适应原水的高渗透压环境。产水的渗透压远低于原水的渗透压，细菌细胞在低渗透压中会立即发生皱缩或肿胀、破裂。因此，对于本发明对微生物污染的抑制效果远好于化学cip清洗。

7、通过对反向清洗所产生的浓盐水的电导率变化，结合清洗后反渗透过程中的膜内外侧压差进行对比分析，可以有效的评估膜的污堵情况和清洗效果。评估方法简单、方便，并能自动记录。进一步的，通过对反向清洗过程中排出的中间段浓盐水的化学成分与浓盐水罐中浓盐水的化学成分对比分析，可以对膜污染的类型、严重程度进行合理有效的评估。

附图说明

图1是本发明清洗装置结构示意图。

图2是本发明压力条件示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明还提供了一种纳滤、反渗透膜的高渗透压在线反向清洗装置，包括：

浓盐水储存系统，包括浓盐水罐5，浓盐水罐5的进水口与纳滤、反渗透膜压力容器13的浓盐水出水管15连接且在连接管路上设置有浓盐水减压孔板12和浓盐水罐进水阀11，浓盐水罐5的出水口连接在压力计7、电导率传感器三8、进水流量计9和反渗透高压进水泵10之前，且连接管路上设置有浓盐水罐出水阀4；

反向清洗水储存系统，包括反向清洗水罐18，产水储罐18的高度在纳滤、反渗透膜压力容器13顶端1米以上。反向清洗水罐18并联在纳滤、反渗透膜压力容器13的产水管道21上，反向清洗水罐18的进液管路上设置产水进水阀17，出液管路上设置单向阀19；

背压调节系统，包括设置在纳滤、反渗透膜压力容器13的浓盐水出水管15上的电导率传感器一14和背压阀16，电导率传感器14和背压阀15设置在浓盐水罐5进水口的后方。

如反渗透系统所生产的浓盐水的渗透压不能够满足反向清洗的要求，则可以在所述浓盐水罐5中添加有电导率传感器二26，浓盐水罐5连接有带氯化钠加药阀6的加药管。

纳滤、反渗透膜压力容器13的原水进水管路上，在进水阀3与进水口之间，依次设置有压力计7、电导率传感器三8、进水流量计9和反渗透高压进水泵10，高压进水泵10的出水口并联连接至浓盐水罐5的进水口，且在连接管路上设置有压力计二23和流量计二24。

浓盐水罐容积为正常反渗透过程中30分钟产生的浓盐水产量。反向清洗水罐18容积应大于反渗透工况下15分钟的产水水产水量。反向清洗水罐18的高度在纳滤、反渗透膜压力容器13顶端1米以上。

产水管道21上，位于单向阀19的后方，设置有产水开关阀20。

装置中，正常的反渗透产水的过程与目前反渗透工艺过程无差别，浓盐水罐进水阀11、产水进水阀17保持关闭，产水开关阀20保持全开，背压阀16调节浓盐水侧背压，保证反渗透膜正常工作时所需背压和系统回收率。如反渗透系统连续24小时运行，该方案应每24小时一次。如反渗透系统不连续运行，应当在每次关机前进行清洗。本法发明提供的清洗方法具体包括如下步骤：

a)在线反向清洗的准备：在反渗透系统生产过程中，打开浓盐水罐进水阀11，将反渗透产生的浓盐水收集到浓盐水罐5中。当浓盐水罐5装满后，关闭浓盐水罐进水阀11。同时，打开产水进水阀17，将反渗透生产的产水收集到反向清洗水罐18中，反向清洗水罐18装满后，关闭产水进水阀17。此时准备工作完毕。

b)在线反向清洗的启动：将反渗透高压进水泵10在反渗透工况下的压力p1降低到预先设定的反清洗压力p4，使反渗透高压进水泵10工作在恒压状态。此时高压泵10的压力p4远小于和原水渗透压p2，因此产水产生过程随着压力高压泵10压力下降逐渐停止，产水侧(产水管道22)的压力p5自然逐步降低。当压力p5低于反向清洗水罐18内的产水的静压力时，单向阀19开启，产水由反向清洗水罐18向外流动。待高压泵10压力稳定后，缓慢打开背压阀16到全开状态，同时关闭产水开关阀20。随着背压阀的打开，膜壳外侧水流阻力迅速降低，原水流量迅速上升到反渗透工况的2倍。再缓慢打开浓盐水罐出水阀4到全开，同时关闭源水侧的进水阀3。此时反渗透膜的进水由原水切换到浓盐水，相应的膜外侧的渗透压也由原来的p2增大到p3，而此时高压进水泵10压力则维持在p4不变，系统进入在线反向清洗状态。依据渗透作用原理，产水侧(产水管道22)的产水会从渗透压低的一侧(内侧)反向流向渗透压高的一侧膜的浓盐水侧(外侧)流动，和浓盐水一起流出。

c)在线反向清洗：维持反渗透高压进水泵10预设的恒压p4状态不变，直至浓盐水罐5的水位进入低液位。

d)源水清洗：打开进水阀3和产水开关阀20，直至浓盐水侧的电导率传感器一14测量的电导率与进水侧的电导率传感器三8测量的电导率一致后结束。

e)清洗结束：打开产水开关阀20。之后调节反渗透高压进水泵10的流量到反渗透工作状态的流量，然后缓慢调整背压阀16。当进水侧压力等于反渗透工作压力p1时停止调节背压阀16的开度，系统恢复到反渗透工况。

其中，参照图2，膜内侧与外侧的压差应该满足以下条件：

a)在正常反渗透工况下，反渗透产水过程中，源水的渗透压p2，反渗透高压进水泵10工作压力为p1，渗透液压力为p5。此时膜内侧(渗透液)与外侧之间压差λp1＝p1–p2–p5。

b)在反洗工况下，反渗透高压进水泵10工作压力为p4应当保证膜的进水流量为反渗透工况下进水流量的2倍。由于此时反渗透膜的浓盐水背压阀为全开，所以p4值应小于p1值和p2值。

c)在反洗工况下，反渗透高压进水泵10工作压力为p4，渗透液压力为p6。此时膜内侧与外侧的压差λp2＝p3+p6-p4。其中λp2应当小于λp1的60％，并大于1mpa。

d)如果反渗透过程中产生的浓盐水的渗透压不足以满足以上计算的条件，可以在每次反洗之前，浓盐水罐中投放氯化钠，使其渗透压以满足设计要求。

其中，需要特别注意的是：

1、在设计过程中，要仔细测算λp2的理论数值。驱动压力λp2过高会导致产水流量过大，损伤反渗透膜。驱动压力λp2过低则会使得产水反向清洗流量过低，达不到清洗效果。特别是对于进水水温变化大的系统中，水温的变化会显著的影响膜的回收率，因而带来浓盐水的渗透压和驱动压力λp2的变化。

2、在阀门和高压泵的调节过程中，调节速度应参考膜的说明书，避免介质变化和高压泵压力剧烈变化对膜造成的冲击。

3、任何时候，都必须保证膜的产水侧(产水管道22)充满产水。

以下是本发明的一个具体应用实例。

以50吨/天反渗透海水淡化反渗透系统为例，进水流量为4.62吨/小时，回收率为45％时，所用介质为标准海水，源水渗透压约p2为2.4mpa，浓盐水渗透压p3＝4.6mpa，反渗透工况下高压泵工作压力p1＝5.5mpa，渗透液压力p5＝0.003mpa。

反向清洗工况下，高压泵工作压力p4＝3.2mpa，渗透液重力自流产生的静压力为p6＝0.001mpa。因此，λp1＝p1–p2–p5＝5.5–2.4–0.003＝3.097mpa

λp2＝p3+p6-p4＝4.6+0.001–3.2＝1.401mpa

λp2小于p1的60％并大于1mpa。

在冬季，如果因原水水温降低导致系统回收率降低为30％，此时所产生的浓盐水的渗透压p3＝2.7mpa，此时：

λp2＝p3+p6-p4＝2.7+0.001–2.5＝0.2001mpa，此时由于浓盐水的渗透压只是略高于高压泵工作压力p3，产水的驱动压力λp2只有0.2001mpa<1mpa。驱动压力λp2不足会导致产水反向清洗流量过低，达不到清洗效果。此时可以选择的方法是向浓盐水罐中投加氯化钠电解质，提高浓盐水的渗透压，提高产水反向清洗的流速。