反渗透系统设计(5)

筛选试验的目的是为所需的分离溶液体系选择合适的膜片，同时也能大概地了解该膜的水通量（L/m2h或gfd）及脱除率性能。试验方法为将一小片平膜装在小型评价池中，采用错流式对试验溶液体系进行运转，此法快速、低廉且仅需少量的试验溶液，但不能提供放大所需的工程资料和溶液对该膜的长期影响，也不能提供试验溶液对膜产生污堵的数据。 13.2 应用试验

应用试验将提供放大设计所需的资料如产水通量和产水水质随进水压力与系统回收率的变化趋势。通常用2540或4040膜元件，试验溶液需要50~200升（15~30加仑），将膜元件安装在一套具有工程特点的应用试验评价装置上，在元件的操作极限范围内调整进水流量、进水压力和进水温度。 13.2.1 确定操作压力

通过调节进水压力直到所需的产水水质和产水通量值（一般为10~34L/m2h，6~20gfd）来确定最佳的运行压力，当膜通量增加时，应维持足够的进水量，以保证低回收率（>5%），在第一阶段的试验里，产水和浓水均返回到进水水箱中去，在最佳产水通量和产水水质条件下得到的进水压力用于第二阶段的试验，第二阶段在该进水压力下确定回收率。

13.2.2 确定浓缩倍率和回收率

为了确定单支元件最大回收率，以分批处理的运行模式进行第二阶段的试验，此时可将产水输送到另一个水箱中而浓水回到进水水箱中，在试验过程中，同时监测产水流量和水质，当产水量降到不经济的低限或产水水质降为不合格时，停止试验运行，通过初始原水体积除去残留溶液体积计算浓缩倍率（CF），同时也可以通过原水体积减去残留溶液体积除以原水原始体积计算回收率。重复进行批处理试验，可以得到膜稳定性和污染方面的资料，但是包括清洗程序和长期性能的评估仅能通过模拟试验获得。

13.3 模拟试验

模拟试验通常取现场具代表性的部分原水以连续性模式操作，至少需要一支元件，建议长度为40英寸，最好选用与大型系统相同的元件排列，模拟装置的产水量至少应为该大型系统产水量的1%且至少操作30天以上。其目的在于确认系统设计、对操作参数作细微的调整并减少大型系统中无法预见的风险。

14 系统主要部件

14.1 高压泵

必须控制高压泵的出口压力，既能维持设计产水量同时又不会超过膜元件最高允许进水压力，最大极限为：

— TW，BW 和NF 元件 41bar； — SW30 元件 69bar； — SW30HR 元件 82bar。 14.1.1 正位移泵（柱塞泵）

正位移泵（如柱塞泵）不允许在出口采用节流阀控制其出口流量和压力，只能利用设置泵进出口之间旁路上的背压阀来控制，需要在泵出口管线上安装缓冲装置，降低压力脉动，还应设置安全泄压阀，以保证任何情况下其出口压力不超过膜元件最大允许值。

14.1.2 离心泵

使用安装在离心泵出口管线上的节流阀来控制其出口流量和压力，大多数膜系统使用恒转速电机驱动离心泵，使用变转速电机驱动虽然投资较高，但运行能耗低，当进水高低温差超过5oC时可考虑变速电机驱动离心泵。

在海水淡化系统中，一般55~60%的高压浓水以大约60bar的压力离开系统，这部分能

量可以加以回收以降低系统的吨水单位能耗，能量回收方法如下： — 冲击水轮式（Pelton Wheel） — 反转透平

— 活塞型功交换器 — 压力交换式（PX）

高压浓水引入能量回收装置后，转换成旋转机械能输出，帮助主电动机一道驱动高压泵，能量回收装置节能可达40%左右。

14.2 压力容器

压力容器有各种不同直径、长度和压力等级，在选用压力容器时，所选择的压力等级必须高于因膜污染需要提高运行压力情况下的最高压力（一般要求，必须比3年后系统运行压力设计值高10%）。当运行产水侧出现的动态压力时，此时某些压力容器产水出口强度会成为制约因素，如某些采用聚氯乙烯（PVC）材质制造的压力容器，此时应咨询压力容器制造商。

14.3 紧急开关

当发生不正常操作状态时，必须保护膜元件，如果出现这类状况如预处理失误等，必须立即关闭设备。下表列举了一些不正常的操作情况及其处理的方法：

不正常情况 进水压力太高 供水水压不足 进水温度太高 产水压力超过进水压力0.3bar 进水颗粒、胶体浓度太高 进水难溶盐浓度太高 进水中存在氧化剂 进水中有油脂 14.4 阀 门

在RO/NF系统中通常使用以下几类阀门：

— 整个系统进水阀，当需要对系统进行维修或保存系统时，起良好的切断作用； — 离心泵泵出口端或正位移泵旁路上的调节阀，应能控制操作压力及系统升压速度； — 泵出口端应该装设止回阀

— 产水管路上应装设有止回阀及防止产水压力超过进水压力的对地压力泄放阀； — 浓水管路上应设有控制回收率的浓水流量控制阀（注意：不可使用背压阀）； — 产水管线上应装有排放阀，用于清洗或开机时排放不合格产水；

— 进水和浓水管路上应设有连接清洗回路的阀门（每段能单独清洗）。 14.5 控制仪表

为保证RO/NF系统的正常操作，必须安装一些必要的仪表，仪表的准确度也相当重要，应按照制造商的规定进行仪表安装与校正。

— 压力表用于测量保安滤器的压降、泵进出口的压力、膜元件进口压力、系统段间压降和产水压力，充液的压力表应使用与膜相兼容的液体如水或甘油，而不允许使用油脂或其它不溶于水的液体；

处 理 方 法 在高压泵出口管线上装高压保护开关 在高压泵吸入口管线上装低压保护开关 在进水管线上设置高温保护开关 在产水管线上设置压力泄放安全装置 在进水管线上设置浊度和SDI 自动控制装置 投加酸及阻垢剂的加药泵需与高压泵电机有电子联锁设置进水高pH 值保护开关 进水中设置ORP 控制器或氯自动监测装置，并能自动关闭系统 进水中设置油类监测设备 — 流量计用以测量浓水和产水总流量以及每一段的产水流量；

— 产水和进水管线上的水表用以记录累积的产水量及系统耗水量； — 计时器用以记录累积的操作时间；

— 在加酸之后的进水管路上安装pH 仪用以监控碳酸盐是否结垢；

— 电导计安装于进水、浓水和产水管线上以检测产水水质和系统表观脱盐率； — 在进水、浓水及产水管线上（总产水及各段分产水）均应设置取样口，便于评估系统的性能表现，并建议在每支压力容器的产水出口设置一个取样口，以方便今后的故障排除。 14.6 水 箱

水箱内的的水位通常应保持在最低的水位以上，必须正确地安装水箱的进出口管线，避免水箱内存在死角，还须对水箱采取防止尘埃及微生物污染的措施，特别严格的使用条件下，要求水箱为密闭型，并设置特制的水箱呼吸过滤器。 14.6.1 原水水箱

当用氯进行原水处理时，该水箱必须提供20~30min的反应时间，介质过滤器内的自由空间也可起这样的作用。原水水箱还常常起到缓冲作用，以便RO/NF系统在滤器反洗期间仍可连续运行。系统的操作模式为分批或半分批时，总是需要有原水水箱。 14.6.2 产水水箱

当产水为所需的产品时，一般需要设置产水水箱，系统的起动与停机均与产水水箱的高低液位相连锁。RO/NF系统的处理量与产水水箱的大小应作适当的设计，使得系统可以连续运转几小时。系统停机的频率愈低，则系统的性能表现愈佳。

14.6.3 产水回吸水箱（drawback tank） 当系统停机时，因自然渗透的作用，产水将从膜背面的产水侧返回穿过膜进入膜正面的浓水侧，设置产水回吸水箱（drawback tank）的目的是为产水管线提供足够的回吸所需的水量，一般容积较小，一般在海水淡化系统而不是在苦碱水系统中需要。未设置产水回吸水箱时，将可导致将空气吸入膜元件内，这可能会引起以下的问题： — 空气中的细菌及真菌将污染膜的产水侧；

— 当下次开机空气从系统中强行排出时，水力与空气的冲击将损坏仪表并影响其设定值；

— 膜元件内的膜片将因失水而干燥（水通量的损失）；

— 如进水呈还原状态且含有H2S，Fe2+，Mn2+等，空气的侵入可能会导致膜氧化和胶体沉淀污染。

假如系统的产水已经过加氯处理，则必须使加氯过的产水不会回吸到膜元件内。如果设计产水回吸水箱，其中的产水水位必须高于压力容器的最高点，但不可超过系统最低压力容器3米。为避免造成污染，产水由回吸水箱的底部进入，而由上方流出，而且回吸水箱应该有盖，如果要求产水进行加氯后处理，则加氯点须在此水箱之后。 产水回吸水箱容积大小可按下式计算：

式中： VDBT=回吸水箱容积（公升）

TE=系统使用元件数

VPP=压力容器与产水回吸水箱间产水管线的体积（公升）

14.6.4 加药箱

对进水进行投药处理时，必须设置加药箱，其容积一般为一天的药剂使用量。 14.6.5 清洗水箱

属于清洗系统设备的一部份，详见清洗与消毒部分的介绍。

14.7 可选设备

各种可选设备及其特点对于系统的操作和监控是有帮助的：

— 停机后的系统自动冲洗装置采用经预处理过的原水或直接用产水冲洗膜元件的浓水侧。当预处理投加抗垢剂时，必须设置系统停机自动冲洗装置； — 报警装置

1) 高产水电导； 2) 高浓水电导； 3) 低进水pH 值； 4) 高进水pH 值； 5) 高进水硬度； 6) 高进水温度； 7) 低加药箱液位。 — 连续纪录装置 1) 进水温度； 2) 进水pH 值； 3) 进水及产水电导 4) 进水SDI 值； 5) 进水及浓水流量 6) 进水、产水及浓水压力 7) 进水ORP 值

在完美的理想设计中，应安装一套能在线实时记录与处理系统所有重要操作数据的监控装置。

— 具有保证系统安全操作的自动控制装置和马达起动装置，包括过滤器自动反洗、膜元件自动清洗及系统自动低压冲洗。

— 压缩空气系统，包括空气压缩机、空气干燥器、空气控制站及整套空气管路。 — 1-2年操作备品备件。

— 通用及专用工具。

— 其它选择包括系统操作培训、监督及维护。

15 材质选择和腐蚀控制

从腐蚀的观点来看，RO/NF系统的运行环境普遍比较恶劣，因此其建造材质须具备相当程度的抗腐蚀性，包括曝露于有飞溅、潮湿和含盐雾中的设备外表面及接触不同水质的系统内表面。

如果不低估外表面的腐蚀问题时，一般采用表面涂层（如上油漆或镀锌等）对可能会腐蚀的材质如低碳钢和铸铁做防腐处理，或建立一套定期冲洗、清洗和补漏等维修计划。 选择内部与溶液接触的材质才是一件更复杂的工作，所选用的材质除了必须承受系统的运行压力、振动及温度等变化之外，还须能够抵抗进水及浓水中的氯离子的腐蚀，产水低pH值对管路的腐蚀以及膜清洗化学药品的腐蚀等。腐蚀产物会造成膜的污堵，加快膜的非正常降解，因此从预处理系统开始，设计者一定要重视防备系统所有过流部分的腐蚀问题，必须选择由耐腐蚀材料制作的管道、仪表、阀门、水泵、过滤设备、水箱和储槽等。根据不同部件的使用特点以及原水和产水水质的特点，可使用塑料、不锈钢、钢衬胶或钢衬塑和玻璃钢复合材料等。

就反渗透和纳滤本体而言，高压泵、高压管路及保安滤器材质均应选用不锈钢，而产品水输送管和储槽一般采用非腐蚀的优质PVC、UPVC、ABS工程塑料和玻璃钢复合材料等，而选择衬胶管线通常不是现实，因为膜系统本体通常采用紧密的管线设计，而且需要使用不少的联接件与配件。

不锈钢的基本优点是对一般腐蚀具有很好的抵抗力。不锈钢很少产生电流腐蚀和应力腐蚀破坏，但不锈钢却容易发生点蚀和缝隙腐蚀，点蚀代表金属受到局部侵蚀，在其表面上造成凹陷孔洞，如果氧化铬钝化层被破坏，氯离子就会攻击裸露的金属形成点蚀。缝隙腐蚀与小孔、垫片表面、沉积物周围以及螺丝下的裂缝等处的一小撮静止水所导致的点蚀有关。为避免发生膜系统高压管路的点蚀及缝隙腐蚀，建议如下：

在一般水源条件下，可以选用AISI304材质的不锈钢（国内相似组成的不锈钢材质为SS321，0Cr18Ni9或1Cr18Ni9Ti等）

— 当原水含盐量在2,000~5,000ppm时，建议选用含碳量小于0.08%的AISI316不锈钢； — 当原水含盐量在5,000~7,000ppm时，建议选用含碳量小于0.03%的AISI316L不锈钢； — 当原水含盐量在7,000~30,000ppm时，建议选用含钼量为4.0～5.0%的904L不锈钢； — 当原水为含盐量在32,000ppm以上的海水时，建议选用含钼量大于6.0%的254SMO不锈钢；

不锈钢组成如下: 项目 UNS No. C % Cr % Ni % Mo % Cu % - - N % - - - AISI 316 S 31600 < 0.08 16.0～18.0 10.0～14.0 2.0～3.0 AISI 316L S 31603 < 0.03 16.0～18.0 10.0～14.0 2.0～3.0 904L N 08904 < 0.02 19.0～23.0 23.0～28.0 4.0～5.0 1.0～2.0 254 SMO S 31254 < 0.02 19.5～20.5 17.5～18.5 6.0～6.5 0.5～1.0 0.18～0.22 除了上述建议外，在设计与加工时还应注意： — 尽量减少管路缝隙及死角

— 高压管道设计流速须高于1.5 m/s；

— 焊接应采用内外惰性气体保护焊，如氩弧焊等，焊前应对焊接处作清洗干燥处理，焊后作热处理

— 酸洗并钝化管线

— 停机前用低含盐量原水或RO 产水冲洗置换浓水

16 便于今后排除系统故障的设计建议

当设计或购买大型膜系统时，为有利于今后进行故障排除，有些设备设计和附件应该包含。根据系统的规模和复杂程度，您应该与系统供应商讨论本节的部分或全部的建议。就系统的基本操作而言，这些均不是完全必须，但是所有这些内容能使日常操作和故障的排除更容易、更迅速、更有效。

16.1 装卸及故障排除空间

即使膜系统已经足够的紧凑，人们常常还想采用更加密集的方式布置设备、管道和支撑件，以致于达到十分拥挤的程度，限制了操作和维修时接近膜系统。良好的设计应该使操作和维护人员能无障碍地接近所有压力容器的进水和浓水端，从事元件装卸和故障排除。当装填元件时，压力容器进水端与最近的设备或支撑件间至少必须有一支元件的长度，当取出元件时，通常还需更多的空间，以便于使用木板或其它的工具将元件推向压力容器的浓水端。 16.2 设有能探测单支元件和单个压力容器的取样接口

当进行元件的故障排除时，第一步总是试图确定问题的所在部位，某一段，某一压力容器甚至某一支元件，在所有的压力容器产水出口处设置取样口非常有助于这些操作，取样口要能让单元件探测管通过。应设置专门的进水、浓水和段间取样点，便于将问题锁定在某一级，并便于作系统质量平衡，确认流量测定仪表的准确性和设定最大系统回收率。 16.3 段间性能监视仪表

除了简单的取样口外，系统完善的下一步是方便采集数据、进行系统性能的标准化，与投运初期的系统基准性能作比较。这就要求在系统段间安装合适的仪表测量段间进水、浓水和产水的电导或TDS、压力、温度和流量，在获得这些数据后，每段的性能都能检测，从分析标准化数据就能在早期诊断故障，虽然通过系统的质量平衡计算可减少一些仪表的设置，但是配全仪表再作质量平衡，可以检验数据的一致性，同时还监视了仪表的可靠性。 16.4 在线标准化br/> 按照系统跟踪的概念，最高级别的做法是用在线仪表将采集的现场数据不断地传输给标准化程序，进行连续的标准化。对特大型或进水条件不断变化的系统，理应设置在线控制。 16.5 每段能够单独清洗

许多大中型系统配有在线清洗系统（CIP），这一设计建议必须考虑配置足够的管路和阀门，以便对系统的每一段单独进行化学清洗，这一做法无疑将使清洗操作更为有效。如果多段同时清洗，第一段的污浊物、生物污染物和无机结垢物在从系统清除掉前必须经过下一段，降低了清洗效率，在线清洗系统还须为清洗提供合适的流量并设有加热清洗液的部件。 16.6 能够进行产水冲洗

减低清洗频率的一种配置是为系统设置定期产水清洗，通过循环反渗透产水进行产水冲洗或使产品水高流量通过系统，能够在污染层粘附膜表面前松动它并将其从膜元件内冲出。在处理废水时，设计带有产水自动冲洗功能特别重要。 16.7 SDI 测量装置及其测量点

最重要的系统预处理诊断工具是拥有和使用SDI仪表，就象能够探测单支元件和单个压力容器就可以锁定潜在的膜装置故障那样，在预处理部分设有测量接口并配置SDI 仪就能迅速地锁定预处理故障点的位置。 16.8 现场试验台

如能够在水处理现场开展一些实验室工作就意味着能够进行水质跟踪分析，特别有利于预处理化学药品的投加。 16.9 单元件测试装置

能够在水处理现场进行单元件的试验确实很有意义，被怀疑有问题的元件可以得到迅速地测试和判断其性能好坏，此外，在对整个工厂进行清洗前，拟采取的清洗策略可从单个污染元件的清洗进行试验和印证。

条件允许时，对于使用标准8英寸规模大于500支膜的系统，尤其是进水为复杂水源、废水或浓缩分离体系，建议设置能同时清洗和评价一支压力容器内膜元件数的单元件装置（例如选用的压力容器为六芯装，就应设置六支单芯装压力容器组成的清洗评价装置），以便操作者探索最适宜清洗条件，或对污染严重的系列连续地取出每支压力容器内的元件，单独平行清洗，最大限度的恢复膜元件的性能。

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