利用膜解剖分析，提高反滲透工藝效率---旭日東

       近幾十年來，反滲透（RO）已作為廣泛使用的商業水凈化技術。盡管如此，反滲透膜元件作為這種凈化工藝的核心部件，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影響。膜解剖能有效評估膜的狀況和確認問題根源。雖然技術上它已得到驗證，但自身價值仍未得到充分開發。最近，國際測認證機構南德意志集團（TÜVSÜD）亞太平洋分公司的水服務團隊在IWA國際水協會期刊《Water Practice & Technology》上發表了一篇關于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，并使用三個案例研究闡述了膜解剖如何能為操作者和最終用戶創造價值。
什么是膜解剖
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，評判膜性能損失的程度。通常它包括了對元件外觀的物理檢查、解剖，以及內部檢查。隨后對膜和表面沉積物進行一些列的物理、化學和微生物分析測試，以此說明各種類型的膜故障和沉積特征。這為故障排除、膜修復和工廠運行的改善提供關鍵而可靠的依據。
盡管有這么多顯而易見的優點，這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（解剖后的膜無法再使用）、膜解剖和膜更換的相關成本、周轉時間等。在過去幾年，一方面分析技術的改進使得更實惠的價格提供更快的結果交付，并實現更準確的評估；另一方面，膜元件價格的大幅降低使得膜解剖這種有破壞性的操作在經濟上變得更難接受。因此，需要更加系統性的闡述定期進行膜解剖的益處，使它對膜運行的附加值最大化，最終惠及終端客戶和所用的用水者。
此文目的是要描述膜解剖的常規操作的一系列關鍵步驟，并從技術和商業兩個角度重點講述如何將膜解剖獲得的分析結果的價值最大化。他們覺得三個案例包括：
（1）故障分析和故障排除，
（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
選擇有代表性的膜進行解剖是至關重要的第一步。當滲透質量是關注對象時，可以進行壓力容器分析以選擇顯示滲透電導率急劇增加的部件。對于一般設備故障，可以選擇前端元件或尾端元件，其中前端元件對顯示膜污染（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行記錄。詳細檢查將用于單項測量，并檢查外部包裝和抗伸縮裝置（Anti-Telescoping Device）、O型環和鹽水密封完整性、卷軸和出水管的損壞/缺陷情況。元件的解剖分析內容還有內膜缺失數、可見型的膜缺陷/補丁，膠層評估和表面沉積的初步檢查等。
分析測試
這個研究用到的分析內容包括了Fujiwara余氯氧化測試、能譜掃描電鏡（SEM-EDX）、X射線光電子能譜分析（XPS）、傅立葉變換紅外光譜（FTIR）、灼減量（WLOI-Weightloss on ignition）、微生物計數（TMC）。
作者們對非破壞性和破壞性分析檢查的結果進行匯編和分析，對膜解剖分析情況和導致性能下降的可能原因做整體總結，提出建議，最終目的都是找到潛在設備故障，簡化操作效率、減少膜污染頻率和程度，延長系統壽命。
 案例分析結果與討論
案例一
東南亞的一家水廠遇到了RO膜污染嚴重、鹽分透過率高、膜更換頻繁等問題。工廠操作員利用膜解剖來了解膜系統故障的潛在問題。
物理檢測顯示了嚴重的膜污染，表明可能是前處理工藝效果不佳，并解釋了低通量和高替換率的原因。放大的SEM圖像清晰地描繪了沉積物對膜表面的磨損損傷，解釋了滲透質量差的原因。使用WLOI的灼減量分析發現，黑色/棕色沉積物主要是無機物質（86％），然后用EDX-RF等技術得到進一步證實（見下表1），表明沉積物構成高含量的無機錳和鐵。
根據膜解剖的結果，研究團隊對水廠進行核查來驗證膜解剖的結果，并制定了相應的技術方案。結果發現進水水源高度缺氧，并含有大量膠體和溶解性的錳和鐵。預處理的沉置段和過濾介質尺寸過小，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，導致外界空氣氧化了溶解的金屬變成不溶性沉淀物。前端濾芯的尺寸過大，維護工作也沒有做好，不能給下游的反滲透工藝提供功能保護。研究團隊向工廠業主提供的建議包括了對預處理段進行改造，例如增加沉淀池和介質過濾池；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適的容量。業主采納了這些建議后對工藝進行整改，膜污染問題得到了顯著緩解，原位清洗（CIP）和膜替換率也大大降低。單單膜更換這一項就為工廠每年節省了100-150萬美元。近期的數據也顯示水廠在出水通量和水質上都有明顯改善，過程中斷故障率也低了很多。這些都是運行優化帶來的效益。
在這個案例里，膜解剖為膜狀況提供了法醫般專業的評估分析，這為水處理廠的運行問題提供了依據，并從而實施適當的修復和故障排查建議，有效地解決了運行失常的問題。
案例二
中東地區一個大型海水反滲透工廠（SWRO）的運營維護團隊需要技術咨詢，以優化水廠的運行表現并簡化運維流程。膜解剖通過對使用過的元件進行詳細的檢查和分析來進行，以此測量元件的完整性，全面了解污垢成分。這為運行維護實踐做出分析和建議之前提供了關鍵而可靠的補充信息。
對膜表面的仔細檢查著重突出了膜表面上存在的褶皺狀的折痕線，特別是沿著膜間的膠層，在此處即使是最小的運動也是被禁止的。對此大家推測是因為長年膜表面的面內擠壓已經達到臨界點，以致膜的面外變形，從而在表面上產生折痕/皺紋和撕裂狀損壞。對于污垢沉積物，WLOI分析揭示了水分和有機物含量很高。綜合過往經驗、相關化學環境以及FTIR-ATR和XPS分析結果，顧問團隊猜測現有的預處理工序不足以去除進水中的天然有機物質（NOM）。
·      根據膜解剖的分析，他們就預處理運行、清洗和替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透系統啟動/關閉程序，并以受控速率對反滲透系統進行加壓；
·      另外也要密切監視進氣壓力和壓差ΔP，以其作為啟動CIP和元件更換的關鍵指標，防止壓力過大和膜變形；
·      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，運營團隊循序漸進地開展實施工作，如今已經看到了通量的提高以及CIP時間的延長。他們將定期進行膜解剖來記錄和分析性能的改善情況。
在這個案例里膜解剖提供了一種跟蹤反滲透系統性能的方法，并通過改進措施來識別運行問題，升級運行工作和優化整個系統的性能。
案例三
廢舊膜元件的溶質截留率一般很差，但有化學品可以恢復這些舊元件的性能，而膜解剖可以用來評估這些化學品對膜的功效和潛在影響。位于印度尼西亞的一座SWRO工廠找到研究團隊對一種化學品進行評估。這種化學處理一般先對廢舊膜元件進行檢查和性能評估，接著進行化學處理，然后再對性能進行重新評估。膜解剖用在最后一步的檢驗里，來驗證化學處理的作用成效。
膜元件在化學處理前后的電導率曲線顯示膜元件的溶質截留率僅有輕微改善。SEM圖像清楚表明，此化學處理無法修復膜上的大片磨損損傷。因此他們建議修改化學處理工序以提高修復效果，或者尋找其他有效的化學品。
在這個案例里膜解剖作為驗證步驟，可以直接對反滲透膜化學處理方案的有效性進行評估。相同的方法可以用來幫助運行人員針對特定的膜污染，選擇有效的清潔化學品，并協助設計改進的清洗/替換方案，來改善資產管理水平。 
小結
在評估膜性能狀況方面，膜解剖是一種很有價值的工具，它能幫助找出系統性能損失的潛在成因。它有作為一種常規獨立技術的靈活性，也能與其他程序協同工作，例如工廠審計和性能表現數據的分析，幫助運營者在不同場景中找出系統的問題，加強工廠的運維能力。水廠的管理者如果能以系統化、專業化的方式來運用膜解剖技術，那么其就能為工廠運維創造寶貴的附加價值，并最終惠及所有的用水客戶。