某制药厂DTRO膜系统故障诊断与改进

在制药行业废水处理领域，DTRO（碟管式反渗透）膜系统因其出色的高浓度有机废水处理能力而被广泛应用。然而，复杂的制药废水成分常常导致膜系统运行异常，影响处理效果并增加运营成本。本文以华东地区某大型制药企业的DTRO膜系统为研究对象，详细记录其运行故障的诊断过程，分析根本原因，并提出针对性的改进措施，为同类企业提供有价值的参考案例。

项目背景

该制药企业主要生产抗生素类原料药及制剂，其生产废水具有COD高（8000-15000mg/L）、盐分高（电导率15-25mS/cm）、含有生物抑制性物质等特点。企业于2021年投资建设了处理规模为200m³/d的DTRO膜系统，设计回收率75%，出水水质需达到《制药工业水污染物排放标准》特别排放限值。

系统运行初期表现良好，但在连续运行9个月后，逐渐出现产水量下降（降幅达30%）、运行压力升高（从60bar升至75bar）、脱盐率降低（从98%降至92%）等异常现象。企业先后进行了常规化学清洗、停机浸泡等维护措施，但效果不显著，系统性能持续恶化，严重影响正常生产。

故障现象分析

通过对系统运行数据的全面采集和现场勘查，技术人员发现以下典型故障特征：

产水量呈现阶梯式下降趋势。系统初始产水量为150m³/d，故障期降至105m³/d左右，且每次化学清洗后的恢复效果逐渐减弱。这表明膜污染已从可逆污染发展为不可逆污染，常规清洗难以奏效。

运行压力异常波动尤为明显。正常工况下系统运行压力应稳定在60-65bar之间，但故障期不仅压力基线升高，还出现频繁的波动（±5bar），这表明膜通道可能存在局部堵塞，导致水流分布不均。

出水水质恶化具有选择性特征。系统对单价离子（如Na⁺、Cl⁻）的脱除率下降明显，而对二价离子（如Ca²⁺、SO₄²⁻）的脱除率保持相对稳定。这种选择性下降提示膜表面可能发生了特定类型的污染或化学损伤。

此外，拆解检查发现膜表面附着大量黄褐色胶状物质，膜间隔网存在明显变形，部分膜元件端盖密封处有结晶物堆积。这些物理表征为故障诊断提供了直观依据。

根本原因诊断

结合实验室检测和运行日志分析，确定故障主要由以下因素共同导致：

有机物污染与生物污染协同作用是首要原因。气相色谱-质谱联用分析显示，膜表面污染物中含有大量制药中间体（如苯乙酸衍生物）和微生物代谢产物。这些物质在膜表面形成复合污染层，既阻碍水分子透过，又为微生物滋生提供营养，形成恶性循环。常规酸碱清洗难以彻底清除这类复合污染物。

间隔网结构损伤加剧了系统性能衰退。显微观察发现，部分膜元件的导流网存在压溃变形，导致水流通道不均。追溯发现，这是由于进水颗粒物（主要是药品结晶微粒）在高压下对塑料间隔网的机械磨损所致。变形后的间隔网不仅增加压降，还造成膜面流速不均，加速局部污染。

清洗方案不当加速了膜性能衰减。企业原采用的清洗程序（0.1%NaOH+0.05%HCl交替）对制药废水特有的有机污染物针对性不足。更严重的是，清洗频率设置过于机械（每150h一次），未能根据实际污染速度调整，导致污染物在膜表面积累过度，最终形成难以清除的致密污染层。

预处理系统缺陷是根本性诱因。核查发现，原设计的砂滤+活性炭预处理对废水中的胶体物质和溶解性有机物去除效率不足（仅40-50%），大量污染物直接进入DTRO系统。特别是一些分子量在200-500Da的药品中间体，恰好处于反渗透膜最难截留的范围，极易在膜表面积聚。

改进措施实施

基于上述诊断，制定了系统性改进方案并分阶段实施：

优化预处理工艺是首要改进点。在原预处理单元后新增了高级氧化环节（臭氧催化氧化+微气泡气浮），专门针对小分子有机物。改造后检测显示，DTRO进水COD从平均3500mg/L降至1200mg/L，胶体物质去除率提升至85%，显著减轻了后续膜污染负荷。

革新清洗方案取得突破性效果。针对特定污染物特性，开发了三段式清洗程序：先用表面活性剂（0.2%十二烷基苯磺酸钠）剥离有机污染层；接着用复合螯合剂（EDTA与柠檬酸复配）去除金属离子结合物；最后用pH11.5的碱性过氧化氢溶液彻底氧化残留有机物。清洗周期也改为基于跨膜压差增长速率的动态调整模式，确保及时干预。

膜元件结构强化解决了机械损伤问题。更换了新型高密度聚乙烯间隔网，其抗压强度提升50%，并优化了流道设计以减少颗粒物沉积。同时，在高压泵后增设3μm精密过滤器，有效拦截≥5μm的颗粒物，保护膜元件免受机械损伤。

运行参数精细化调控进一步提升了系统稳定性。基于大量试验数据，重新优化了操作参数：将回收率从75%调整至68%，降低了膜面浓度极化效应；运行压力控制在60-65bar区间，避免超压运行；增设了在线浊度和SDI监测，实现预处理效果的实时反馈控制。

改进效果评估

实施改进措施后，系统性能得到全面恢复和提升：

产水量恢复至145m³/d，达到设计值的96.7%，且稳定运行三个月内衰减率<2%。运行压力回落至62-65bar正常范围，波动幅度控制在±1.5bar以内。脱盐率回升至97.5%，出水COD稳定在50mg/L以下，完全满足排放标准。

经济效益同样显著。改进后化学清洗频率从每月6次降至2次，药剂成本节约60%；膜使用寿命预计可从原来的12个月延长至22个月；系统电耗因运行压力降低而减少15%。综合计算，年运行成本降低约38万元。

更值得关注的是，系统可靠性的提升保障了制药生产的连续性。改造前因水处理系统不稳定导致的停产事件平均每月1.2次，改造后半年内未发生相关停产，间接经济效益更为可观。

经验总结与建议

本案例为制药行业DTRO膜系统运维提供了重要启示：

污染特征识别是故障诊断的关键。制药废水成分复杂，必须通过精密仪器分析污染物组成，不能简单套用常规水处理经验。建议企业配备基本的膜污染检测设备（如FT-IR光谱仪），或与专业机构建立固定合作机制。

预防性维护比事后处理更重要。建立基于实际运行数据的预测性维护模型，通过监测跨膜压差增长率、产水电导率变化等指标，在性能显著下降前采取干预措施。本案例中开发的动态清洗周期算法值得推广。

系统协同优化是长效解决方案。膜系统故障往往是全流程问题的最终体现，不能孤立处理。应从"预处理-膜组-后处理"整体角度分析物质平衡和能量利用，实施协同优化。本案例中预处理与清洗方案同步改进的做法证实了这一点。

人员专业培训是基础保障。调查发现，原运维团队对DTRO系统的特殊性和制药废水特性认识不足。改进后企业组织了系统性培训，重点培养操作人员分析异常参数关联性的能力，而不仅是按规程操作。

结论

制药废水处理用DTRO膜系统的稳定运行面临独特挑战。本案例通过多角度故障诊断，揭示了有机物-生物复合污染、机械损伤与清洗不当等协同作用的故障机制，并实施了从预处理到操作维护的系统性改进，最终取得了显著的技术经济效益。

这一实践表明，针对制药行业特殊的废水组成，DTRO膜系统需要定制化的设计和运维策略。未来，随着制药废水标准的不断提高，开发更精准的污染预警系统和更高效的在线清洗技术将成为行业重点研究方向。企业应建立完善的膜系统健康档案，积累长期运行数据，为智能化运维奠定基础。