反渗透进水污染指数(SDI+)测试的作用效果分析

反渗透进水污染指数（SDI）测试的作用效果分析
黄校春
（国电泰州发电有限公司江苏泰州225327）
[摘要]反渗透应用越来越普遍。

但是，膜的污染阻碍了这项技术的进一步推广应用。

胶体和颗粒污堵会造成反渗透过滤系统遭受严重的通量下降，造成一段压差快速增加，可严重地影响反渗透元件的性能。

污染指数值是目前检验处理系统出水是否达到反渗透进水要求的主要手段。

然而，目前的SDI测试对反渗透运行的作用与效果有一定局限性。

SDI值尽管很小，有的反渗透
一段压差仍快速上升，影响反渗透的运行。

而影响SDI的测定使用效果的影响因素较多，SDI
还不能克服这些因素对反渗透实际运行的影响。

[关键词]反渗透（RO）；污染指数（SDI）；测试；作用效果
The Analysis of Reverse Osmosis Into Water Silting
Density Index(SDI)Test Effect
HUANG-xiaochun
(Guo Dian Taizhou Generating Co.,LTD,Taizhou,Jiangsu,225327) Abstract:The increasing application of reverse osmosis.However,membrane fouling hinders the further application of this technology.Colloidal and particulate fouling of reverse osmosis filtration system would result in flux decline severely,causing a rapid increase in pressure can seriously affect the performance of reverse osmosis elements.Pollution index value is the test whether the reverse osmosis water treatment system requirements of the primary means of water.However,the current SDI test run of the role and effect of reverse osmosis has some limitations.Although the SDI value is very small,and some reverse osmosis is still a rapid increase in pressure and affect the operation of reverse osmosis.Affect the determination of SDI effect of many factors used,SDI is not able to overcome these factors affect the actual operation of reverse osmosis.
Key words:Reverse Osmosis(RO);Silting Density Index(SDI);Test;Effect
反渗透应用越来越普遍。

但是，膜的污染阻碍了这项技术的进一步推广应用。

典型的膜污染有结垢污染、有机物污染、生物污染、颗粒污染。

胶体和颗粒污堵会造成反渗透过滤系统遭受严重的通量下降，造成一段压差快速增加，有时也影响脱盐率，可严重地影响反渗透元件的性能，因而必须对系统进行高强度的清洗或膜的更换。

一般而言，污染指数（Silting Density Index,简称SDI）值是目前测定反渗透系统进水的重要指标之一，也是检验处理系统出水是否达到反渗透进水要求的主要手段，它的大小对反渗透运行寿命至关重要。

通常来说，也叫泥沙密度指数，是用来度量样本水中微粒污染物含量的多少。

目前SDI值已广泛地使用来判别净化水中胶体以及颗粒物的沉淀量，特别应用在RO系统中，SDI检测在通常情况下用来帮助确定给水中的悬浮物量是否可能造成膜微孔的堵塞。

然而，在反渗透膜的实际运行中，SDI会出现检测结果满足反渗透进水要求，但反渗透一段压差仍快速增长的现象，严重影响到反渗透的正常经济运行。

本文就反渗透进水污染指数（SDI）的测试作用与效果作一研究分析。

1问题的提出
1.1某反渗透系统设计配置情况，见表1。

表1某反渗透系统设计配置情况
反渗透系统净产水量2×75m3/h
反渗透膜型号BW30-365FR
系统反渗透膜实际总数量180支
单套反渗透膜总数量90支
系统压力容器实际总数量30支
单套压力容器总数量15支
压力容器排列方式一级二段10:5排列
设计通量14.48GFD
系统运行回收率75%
系统脱盐率≥98%
化学清洗循环流量/支压力容器10吨/小时
化学清洗循环流量/套100吨/小时
化学清洗水箱容积5m3
1.2膜的运行参数
该反渗透采用陶氏FILMTEC BW30-365FR抗污染型反渗透元件。

为提高反渗透元件在高微生物污堵条件下的性能，陶氏采用专利技术对FT30膜进行了化学及物理改性，开发了FR 系列抗污染膜元件。

FILMTEC™BW30-365FR既适用于饮用水也适用于非饮用水行业。

该元件还采用了FilmTec公司的“缩短膜片长度，增加膜叶数”的独特元件结构，不仅在产水量方面，而且在可清洗性方面，均具有了卓越的高效率。

BW30-365FR的有效膜面积高达365平方英尺，标准测试条件下的产水量36m3/d（9500gfd）。

表2陶氏FILMTEC BW30-365FR抗污染型反渗透操作参数
膜片类型聚酰胺复合膜
最高操作温度113°F（45°C）
最高操作压力600psig（41bar）
最高压降15psig（1.0bar）
pH范围连续运行2–11
pH范围短期清洗（30分钟）1–12
最大进水流量70gpm（16m3/hr）
最大给水SDI
15
5
最大给水浊度NTU1
允许游离氯含量＜0.1ppm
1.3该反渗透系统运行情况
该反渗透系统于2007年10月底正式投入生产。

2007年10月至2008年7月初，两套反渗透膜运行情况良好。

2008年7月19日＃2RO一段差压高于0.40MPa，停运。

8月20日#1RO一段差压大于0.4MPa，停运。

从系统运行数据上看，反渗透系统存在的主要问题是产水量下降（两套系统出水量与系统运行初期比较下降较大,#1RO出水量降低50%、#2RO出水量降低33%）；一段压差明显升高；脱盐率略有降低（系统平均脱盐率为97.3%，较运行初期98.7%略有下降）；回收率降低；系统操作压力升高。

一、二段压差之和有较大上升，达到0.40MPa，比原来的0.25MPa升高60%。

呈现明显的胶体污染、生物污染。

2008年9月底、10月初，反渗透系统在线化学清洗，效果较好，
反渗透系统化学清洗后运行数据
日期进水
压力
进水
流量
一浓
压力
浓水
压力
一段
压差
二段
压差
产水量
进/出电
导率
脱盐率MPa t/h MPa MPa MPa MPa t/hμs/cm％
9.30#10.6341020.4680.3430.1660.12476.7282/6.997.5
10.1#20.632980.5020.4510.1300.05075.0281/7.897.2
2009年的5月份，反渗透一段压差升高至0.40MPa，不能运行。

存在的主要问题：
(1)产水量下降为45-48t/h；(2)压差明显升高；(3)脱盐率降低为94-95%；(4)回收
率降低为71%。

现场分析表明主要是因胶体污染、生物污染造成。

反渗透再次安排化学清洗。

该反渗透进水SDI 值（以2009年为例）统计如下表3。

表3某反渗透进水SDI 值（以2009年为例）
月份1月2月3月4月5月6月超标次数000001
范围 1.46-2.98 1.76-2.83 1.78-2.86 1.30-3.02 2.16-3.03 2.13-3.11平均值 2.12 2.25 2.21 2.28 2.41 2.81月份7月8月9月10月11月12月超标次数000000范围 1.37-2.35 1.32-2.69 1.61-2.34 1.75-2.65 1.90-3.0/平均值 1.92 2.07 1.98 2.18 2.45/
由上可以看出，在反渗透膜的实际运行中，SDI 检测结果满足反渗透进水要求，但反渗透一段压差仍快速增长，严重影响到反渗透的正常经济运行。

2污染指数（SDI）
2.1SDI 概念与测定
在膜法水处理中，膜具有精密的微结构，能截留分子级甚至离子级的微粒，故仅用浊度来反映水质是不够的。

为预测原水污染的倾向，常用污染指数值来进行判断，也称之为FI （Fouling Index，简称FI）值，俗称污泥密度指数。

SDI 值主要用于检测水中胶体和悬浮物等微粒的多少，是表征系统进水水质的重要指标。

在纯水系统——特别是在反渗透（RO）系统中，SDI 被广泛用于预测水中胶体以及颗粒物质对RO 膜的堵塞速度。

当进水透过0.45μm 孔经膜片时，SDI 值则反映了水中颗粒物质污堵0.45μm 孔径膜片的速度。

SDI 值通常起“预警”作用，以确保水中的颗粒物质不会污堵反渗透膜。

SDI 值的确定方法一般是用孔径为0.45μm 微孔滤膜在0.21MPa（30psi）恒定水流压力下，首先记录通水开始滤过500mL 水样所需的时间t 0，然后在相同条件下继续通水，15min
后再次记录滤过500mL 水样所需时间t 15，根据下式计算：
SDI=(1-t 0/t 15)×100/15
SDI 值是测量通过47mm 直径，0.45μm 孔径膜的流速衰减。

美国材料实验协会（ASTM）指出，在0.45μm 这个孔径下，胶体物质比硬颗粒物质（如沙子、水垢等）更容易堵塞膜。

而流速的衰减被转换成1到100之间的数值，即SDI 值。

SDI 值越低，水对膜的污染阻塞趋势越小。

从经济和效率综合考虑，大多数反渗透厂家推荐反渗透进水SDI 值不高于5。

由于水源的水质经常发生变化，所以常常需要定期进行SDI 值检测。

2.2SDI 值测定仪
SDI 测定仪系统包括以下组成部分：（1）47mm 直径，0.45μm 孔径膜；（2）47mm 换膜式过滤器；（3）1-5bar（10-70psi）压力表；（4）调压用针型阀；（5）取样总阀；（6）连接管和连接件。

使用这套装置，只需准备一个量筒和秒表就可以进行在线测定SDI 值。

图1SDI 污染指数测定仪图2SDI（污染指数）测试膜片图3SDI 仪用滤膜:φ47mm,0.45μm
2.2SDI 值的测试污染数学模型
SDI 测试是根据在恒定压力下，滤膜通水15min 前后采集500mL 水样所需时间的比率来判断原水中悬浮物及胶体物质的含量的。

在反渗透系统的设计中，为了使膜组件保持良好的运行性能和延长膜元件的使用寿命，要求反渗透进水SDI 值小于3，所以必须根据原水的水质条件，进行适当的预处理。

通常的预处理方法主要有澄清絮凝、多介质过滤、加氯杀菌、活性炭过滤及微滤与超滤等。

经过预
处理后绝大部分悬浮物及胶体物质已被除去。

因此预处理后的反渗透进水在SDI 测试的滤膜上并不形成滤饼。

而且SDI 测试中所得到的流速变化曲线与孔堵塞模型的流速衰减公式表达的衰减趋势相吻合，膜孔的机械堵塞是SDI 测试中微孔滤膜的主要堵塞污染过程。

机械堵塞模型即孔堵塞模型。

它假定固体颗粒把一部分膜孔完全堵塞，且此部分被堵塞滤膜的比例与通过膜的透过液量成正比，它用于描述非常稀的进料液造成的污染。

此模型滤
速下降与过滤时间关系的表达式为：V t =V 0e
-V0bt 式中：V t 为任意时间的流速；V 0为初始流速；b 为与污染有关的常数。

SDI 测试中过滤方式为全量过滤，并假定膜孔径0.45μm 均一，膜面截留物为单粒子层；每片测试滤膜的饱和截留量为N 个粒子，水样中被截留的粒子浓度为c 个/mL。

则每片测试滤膜最大过滤量为:Qm=N/c （1）
若在0至t 时间内过滤液总量为Q t ，则膜被堵塞部分与总过滤面积之比为Q t /Q m ，测试
中初始过滤速度为v 0，任意时刻的过滤速度为v t ，过滤速度下降与微过滤膜堵塞面积成正比：
dv/v 0=dQ/Q m ，而dQ=vdt，则-dv=v 0vdt/Q m
积分∫v0vt dv/v=∫0t -v 0dt/Q m ，可得V t =V 0e -V0t/Qm （2）
式（2）即为污染的孔塞模型滤速衰减数学表达式。

采集第一个水样ΔQ＝500ml 时，所需的时间为t 1，由（2）可推出：
t 1＝－Q m /v 0ln(1－ΔQ/Q m )(3)
持续过滤T 分钟（包括t 1）后，再采集第二个水样ΔQ＝500ml 时，所需的时间为t 2，由（2）可推出：
T 2＝－Q m /v 0ln(1－ΔQ×e －v0T/Qm /Q m )(4)
由（3）、（4）得出：
SDI＝（1－t 1/t 2）×100/T
＝(1－［ln(1－ΔQ/Q m )］/［ln(1－ΔQ×e －v0T/Qm /Q m )］)×100/T (5)
3SDI 测试作用与效果分析
3.1有机和无机胶体的来源与产生
有机和无机胶体对反渗透膜的污染是在反渗透运行中最常见的现象，也是阻碍反渗透操作正常运行的最大障碍。

反渗透给水中胶体来源包括水中的细菌、粘土、胶体硅和铁的腐蚀产物等。

在澄清器中使用的化学药品如铝盐、氯化铁、阳离子聚电解质等，若在澄清器和在随后的过滤中没有被很好地除去，也会引起胶体污染。

此外，阳离子聚电解质会与带负电的防垢剂产生沉淀而污染反渗透膜。

3.2SDI测试分析与评价
（1）SDI对污染程度的衡量
SDI测试条件与膜元件运行状况不是一致的。

测试SDI值时，所有水都流过精度0.45μm 、直径为47mm的滤纸；而对膜元件运行时，相当数量的有污染倾向的污染物，随着浓水排掉。

浓水排放量则与反渗透的操作参数回收率有关。

回收率大，浓水排放得少，对膜污染大；回收率小，浓水排放得多，对膜污染小。

因此，SDI值也是仅能更好反映反渗透装置污染程度而已，SDI值与污染程度关系见表4。

表4SDI与污染程度关系（Relation between SDI and pollution degree）SDI值污染程度
＜3低污染
3～5一般污染
＞5
高污染（2）测试污染模型要求非常稀的溶液与真实溶液不一致。

用于SDI测试模型为机械堵塞模型即孔堵塞模型，它假定固体颗粒把一部分膜完全堵塞，且此部分被堵塞滤膜的比例与通过膜的透过液量成正比，它用于描述非常稀的进料液造成的污染。

实际情况不是如此，反渗透进水电导率一般较大，地表水小一点，地下水则较高。

（3）SDI测试模型污染不能模拟反渗透真实污染情况。

SDI的水流是死端过滤，而反渗透的水流是错流过滤。

SDI测量中没有考虑反渗透错流过滤中剪切力的作用。

（4）测试流速与实际流速不一致。

SDI测量中水的渗透速率为＞lcm／s，而真实的反渗透运行中为＜0.001cm／s。

（5）测试孔径问题。

大多粒径小于0.45μm 的胶体也对反渗透膜污染起作用，但不能被测出，Schippers等指出颗粒粒径小于0.005μm 的胶体颗粒是引起反渗透流量下降的主要因素。

（6）SDI测量值与水中胶体浓度没有线性关系。

国外曾有报道，在SDI＜1的情况下，反渗透膜运行时仍然出现严重的胶体污染；而在进水SDI＞5的情况下，反渗透膜长久安全稳定运行，这样的例子也有。

（7）铝胶体对SDI测定的影响。

铝在水中能形成胶体，水中的铝胶体和铁胶体一样对反渗透运行影响很大，溶解的铝离子还能与水中的硅和阻垢剂形成胶体，所以要控制水中铝的含量。

pH值不同，水中铝的聚合物和单体会以多种不同的形式存在，在7．5～8．5的pH范围
内，铝主要以Al(OH)4-的形式存在。

其他形式铝的水合形式有AlOH 2+，Al(OH)2+，Al 3(OH)4
5+和Al 1304(OH)247+。

当用铝类混凝剂做水的预处理时，一定要控制用量，如果加量过大，水中
的余铝会很大，铝不但会本身形成胶体对反渗透膜造成污染，还会和水中的硅结合，形成硅酸铝胶体，造成反渗透膜通量的快速衰减。

有关测试结果表明：在相同pH值下，随着水中铝的浓度的增大，水样所测SDI增大；在相同铝浓度下，随着pH的增大，SDI有增大的趋势。

当水样中铝的含量达100ppb时，水样的SDI值已经很大。

SDI对铝胶体的敏感程度是不可靠的，水中铝含量在60ppb以下，其对SDI 影响较小，当水总铝超过60ppb后，才对SDI影响较大。

以前的研究认为，为防止反渗透膜的污染，水中铝的含量应控制在50ppb以内。

所以SDI对铝的检测是不安全的，SDI合格的进水并不能保证铝含量的最低底线。

因此，对有反渗透前超滤设置有二次微絮凝的，投加聚合氯化铝（PAC）要慎重。

（8）温度对对SDI测定的影响。

随着温度的增加，同样质量水样的SDI值有增大的趋势，其原因是随着温度的增加，水的粘度变小，水透过微滤膜的阻力相应变小。

在测试压力0.21MPa条件下，首先测量采集500min水样所需时间t 1所需时间变小，15分钟内通过微滤膜
的水量增加，微滤膜截留更多的污染物，测试末期采集500ml水样所需时间t 2与t 1的差别变大，
SDI增大。

因此，反渗透进水温度冬天7℃与夏天24℃温差的影响不可忽视。

4结束语
目前的SDI测试对反渗透运行的作用与效果有一定局限性。

SDI值尽管很小，有的反渗透一段压差仍快速上升，影响反渗透的运行。

而影响SDI的测定使用效果的影响因素较多，SDI 还不能克服这些因素对反渗透实际运行的影响。

要发展一种更准确的能预测水中悬浮物和胶体对反渗透的污染程度的方法，以提高反渗透的经济运行水平。

参考文献：
[1]莫庆时.反渗透进水SDI 测试的污染指数数学模型分析[J].水处理技术,2006,(1):54-57。

[2]顾明,王成立.贾旺电厂反渗透进水SDI 调试的几点体会[R].2004全国水处理技术研讨会,2004年10月。

[3]冯向东.影响反渗透进水SDI 值的因素及控制措施[J].热力发电,2007,(9):75-76,91。

[4]陈刚,张羽翔,宁淑霞.反渗透（RO）前处理系统SDI 优化实践[J].华北电力技术,2007,(9):30-33,50。

[5]Lee Nuang Sim.水处理应用中错流超滤修正污染指数（CFS-MFI UF ）的开发[J].中国脱盐,2010,(1):28-35。

[6]张葆宗.反渗透水处理应用技术[M].中国电力出版社,2004年3月第一版。

[7]张伟.反渗透预处理和淤泥密度指数（SDI）影响因素的研究[D].天津大学硕士学位论文,2007年。

黄校春（1975－），男，安徽宿松人，本科，工程师，从事火电厂化学及电厂化学、环保技术监督等相关的技术及管理工作。