反渗透系统设计

反渗透系统设计与设计软件

1 序 言

完整的反渗透（RO）和纳滤（NF）水处理系统一般由预处理部分，膜处理部分和后处理部分组成，前面一章已经讨论了预处理的方法，为了达到最终产品水的水质要求，有时还需要采用后处理步骤。进行海水淡化时，后处理通常是进行pH值调节、重新调整水中的硬度含量并进行杀菌处理；在超纯水制备过程中，膜系统的产水后处理通常是采用离子交换深度除盐。

本章将讨论膜装置本身，包括膜元件、以一定方式排列的元件压力外壳、给膜压力外壳供水的高压泵、仪表、管道、阀门和装置支架等。系统设计还应包括设置就地清洗系统，对膜进行化学清洗。

表征RO/NF膜系统的性能通常采用两个参数：产水流量和产水品质，而这些参数总是针对给定的进水水质、进水压力和系统回收率而言的，RO/NF的设计者的主要职责是针对所需的产水量，使所设计的系统尽可能降低操作压力和膜元件的成本，但尽可能提高产水量和回收率以及系统的长期稳定性与清洗维护费用（故障率低，可采用低廉药品进行有效清洗）。 优化设计取决于上述各方面，苦咸水膜系统的回收率大小取决于难溶盐的溶解度，最大值大约为90%；在海水淡化系统，由于浓水中渗透压和元件耐压能力的制约，一般回收率为45%左右。

应根据对系统脱盐率的要求为依据选择膜元件，FILMTECtmNF纳滤膜和FT30反渗透膜系列按NF270，NF200，NF90，XLE，LP，BW30LE，BW30，SW30和SW30HR的顺序脱盐率依次增加，当然同时所需的进水压力也按相同顺序增加，因此，从NF到BW30LE范围的膜元件一般适用于进水TDS最高为2,000mg/L的低盐度自来水或苦咸水，BW30适用于最高不大于12,000mg/L的苦咸水，而SW30和SW30HR适用于最高含盐量到50,000mg/L 的海水等。 针对所选择的膜元件，达到设计产水量所需的进水压力取决于产水通量值的选择，设计时选择的通量值越大，则所需的进水操作压力就越高，海水淡化系统在膜元件最大允许的操作压力下，且产水通量值相对较低，但是对于苦咸水膜元件而言，一般不可能超过膜元件规定的最高41bar的极限压力时，产水通量就可能太高了。虽然为了减低膜元件的成本，设计时总是试图选择高的产水通量值，但是产水通量值的选择是有上限的，规定该上限的目的为了减少今后膜设备内的结垢和污染。

根据经验，系统的通量设计极限是应由进水的潜在污染程度而定，随着产水通量和元件回收率的增加，膜面上的污染物的浓度也随之增加，产水通量值高的系统其污染速率和清洗频率就高。只有凭丰富的经验针对不同水源类型设定合理的产水通量和元件的回收率标准，当对某一特定进水水源设计膜系统时，最好能了解其它膜系统处理该水型时的运行情况。但是，通常未必有这类膜系统可供参照，此时可以遵循本章所推荐的系统设计导则。 2 分批过程与连续过程

RO/NF系统通常采用连续运行方式，系统中的每支膜元件的运行条件不随时间变化，连续过程如下图所示：

图1 连续处理运行方式

在某些场合，水量小且不能连续供水，如废水或待回收的工艺物料，通常采用分批处理运行方式，预先将进水或原液收集在原水或原液箱中，再进行循环处理，渗透液不断从系统中拿走，但浓缩液则回流循环返回原液箱。批处理结束时，剩余部分的浓缩液，残留在原料箱中，待这些残留液排干后，更换新一批物料之前，一般需对膜进行一组清洗，分批过程如下图所示：

图2 分批处理运行方式

部分批处理是完全批处理运行方式的变种，在部分批处理运行过程中，原水箱中同时还不断进水，当原液箱中浓缩液装满时，就停止分批处理，这种部分批处理运行方式的优点是，可以使用体积较小的原液箱。批处理通常设计为恒压运行，当浓度越来越高时，渗透流量会随之下降，批处理也可以使用设计导则，一般情况下，水通量值应保守选取，但也可以超限选取，完全根据预备运转试验结果来确定，且需综合考虑清洗频率是否合适。 分批过程与连续过程相比有如下优点： * 当进水水质变化时，较具弹性 * 系统控制简单 * 易于进行清洗

* 渗透液品质可通过中止系统运转的方式来控制 * 每一批的系统回收率可以达到极限 * 易于扩充系统

* 投资费用省

* 渗透液品质还可以结合全部或部分二级膜法处理进一步地提高

* 较适合一支或膜元件数较少的系统操作，这是因为膜与最后很浓的浓缩液接触时间很短

分批过程的缺点是： * 渗透液流量不断变化 * 渗透液品质不断变化 * 需要较大体积的原液箱 * 进水/浓水停留时间较长 * 需较大的水泵 * 总运行费较高

* 动力消耗较大

大多数RO/NF系统设计成连续操作模式，以便获得恒定的产水量和回收率，水温变化和膜面污染的影响可通过调节进水压力来弥补，因此，本手册重点讨论连续操作流程 3 单组件系统

膜元件装入压力外壳内所组成的组合件称为膜组件，目前世界特大型水处理系统采用的压力外壳最多可串联8 支40 英寸长标准膜元件，第一支膜元件的浓水成为第二支元件的进水，以次类推。所有膜元件的产水管则相互连通，并与组件压力外壳端板上的产水接口相联，组件产水出口可以选择在组件的进水端或浓水端。

根据所需的产水量，当仅需要一支或几支膜元件时，选择单组件系统。下图为装有2支膜元件的单组件系统。

图3 单组件系统

进水经过隔断阀进入膜系统，首先流过保安滤器，然后进入高压泵，通过高压泵升压后，再进入膜组件的入口，产品水离开膜组件时，为防止产水背压造成膜元件的损坏，产水压力不应高于0.3bar。但是现实情况往往要求较高产水压力，例如需要将产水输送到后处理部分或不想再通过安装水泵向用水点供水等等，此时，必须增加高压泵出口压力以补充向后输送产水所需的压力，但需要注意高压泵出口压力不得高于膜元件最大允许进水压力，还应采取特别有效的措施在任何时刻（哪怕是瞬间）尤其是紧急停机时，产水压力超过进水压力的差值（产水背压）均不得大于0.3bar。

浓水离开组件浓水端出口的压力几乎与进水压力相当，新系统从进水到浓水出口之间的压差通常在0.3～2bar 之间，它取决于元件数量、进水流速和水温。浓水控制阀控制浓水流量和系统的回收率，系统回收率不得超过设计规定值。 在单组件系统中，常常需要浓水回流以满足设计导则对元件回收率的要求，为了达到系统回收率高于50%，离开组件的浓水部分排放而其余部分则回流进入高压泵的吸入口，这样就增加了组件内的流速，高比例的浓水回流能帮助降低元件回收率，降低膜受污染的风险，但是另一方面，它也存在如下缺点： * 需较大的高压泵（成本更高）

* 更高的能耗

* 回流越高，产品水质越低

* 在系统保存或清洗之后重新投运时，冲洗时间可能很长，最好在冲洗期间，暂时关掉浓水回流。 4 单段系统

在单段系统中，两个或两个以上的膜组件并联在一起，进水、产水和浓水均由总管管路系统分别相联。其它方面与单组件系统相同，单段系统通常用于要求系统回收率小于50%，例如海水淡化。下图为含6芯元件的组件所构成的单段系统：

图4 单段系统

5 多段系统 当要求系统回收率更高时采用一段以上排列系统，就不会超过单支元件的回收率极限，通常两段式排列系统就可实现75%的系统回收率，而三段式排列系统则可达到更高的系统回收率，这些回收率的确定是以每一段采用含6 支膜元件的组件推算出来的，如使用仅能容纳3支元件的较短的压力容器时，为了达到相同的回收率，段数要加倍。一般而言，系统回收率越高，必须串联在一起的膜元件数就应越多。为了平衡被拿走的产水并保持每段内原水的流速均匀性，每段压力外壳的数量按进水水流方向递减。一个典型的排列比例为2:1，排列比例定义为两个相邻段内压力容器数量之比，下图为4:2排列的两段系统： 图5 两段式排列系统 6 原水一次通过式系统与浓水循环系统 进行水脱盐的常规RO/NF系统通常采用原水一次通过式，在原水一次通过式系统设计概念中，进水只流过膜系统一次，进水中的一部分（Y）透过膜面成为产品水，余下的进水不断被浓缩，以较高的浓度离开系统，前面所示的图5-1、图5-4和图5-5均为原水一次通过式系统。 当元件数量太少，而不能使系统达到的足够回收率要求时，可以采用浓水循环。浓水循环系统在某些特殊应用场合如工艺物料浓缩和废水处理上广泛采用，在一些含有内部浓水循环的系统中，部分浓水直接回到该组件或该段的进口，并与进水相混合，图5-3 就是一种具有内部浓水循环的系统。 在多段系统内，每段可以设置单独的浓水再循环泵，图5-5的进水一次通过式系统就可以设计成图5-6的浓水循环 系统。 图6 浓水内循环两段式膜系统 浓水循环的主要优点是膜组件内进水流速可以维持恒定，不受前段膜组件污染程度或进水组成的变化而变化。 表3 原水一次通过式系统与浓水循环系统的比较 系统参数 进水组成 系统加收率 清洗管路 弥补管路 膜进口至出口间压力 能耗 泵的数量（投资与维护） 系统扩展，改变膜面积 从多段系统中隔离或投运某一段 系统透盐率 原水一次通过式系统 必须稳定 必须稳定 较复杂 较复杂 下降 较低 较低 较困难 不可能 较低 浓水循环系统 允许改变 允许改变 简单 容易 一致 较高（15-20oC） 较高 容易 可能 较高 系统表观透盐率SPs，定义为产水中的特定组份的浓度Cp（可以是某一特定离子、有机物或总含盐量TDS）与进水种的对应浓度Cf之比：

在进水一次通过式系统中，SPs是系统回收率Y 和膜元件本身透盐率SPM的函数：

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