反滲透和納濾系統(tǒng)的設計

1、反滲透和納濾系統(tǒng)的設計反滲透和鈉濾系統(tǒng)通常包含預處理設備、反滲透/鈉濾設備和后處理設備。設置預處理 部分的目的是調整原水的水質使其符合反滲透和納濾系統(tǒng)的進水水質要求。后處理工序的目的有 兩個，一是調節(jié)反滲透和納濾的產水成分使其符合使用目的，二是使?jié)馑吓欧艠藴?。在設計反滲透和納濾系統(tǒng)時，正確掌握原水水質和對產水的要求是最基本的要素，對各 個裝置的設計進行優(yōu)化組合是保證系統(tǒng)的正常運行必不可少的重要環(huán)節(jié)。下面針對反滲透和納濾 系統(tǒng)的設計進行論述。1系統(tǒng)配置1、1概述在反滲透和納濾系統(tǒng)的設計中，（1）膜元件型號的選擇；（2）水通量選擇（單位膜面 積的產水量，GFD或LMH）；以及（3）回收率，都是

2、重要的事項。一般盡可能設計高的回收率， 這樣可以降低供給水的量，減少預處理的成本。但是，系統(tǒng)的回收率過高時會有以下的不利因素 需要考慮：結垢的風險增大，需要添加阻垢劑；產水的水質下降；運行操作壓力增高，泵和相關設備的費用增加。產水量和回收率的設計一定要符合安全的標準。一般建議要有一定的設計彈性。使用某 公司的膜元件時注意參看該公司的設計導則。系統(tǒng)的運行方式一般分為連續(xù)操作和批式操作兩種。批式處理是指儲存一定量的進水， 一定期間內處理產水和濃水，一般在小規(guī)模的濃縮工程和水量小或連續(xù)供水不足的場合被采用。 連續(xù)操作是設定一定的回收率和產水量，基本上以一定的操作壓力進行連續(xù)地分離處理產水和濃 水，大

3、規(guī)模的反滲透和納濾裝置都采用連續(xù)過濾。1、2單元件系統(tǒng)單元件系統(tǒng)是最小的反滲透或納濾系統(tǒng)，雖然只包含一支膜元件，但是配套設備卻很完 整。因此熟悉了解單元件系統(tǒng)的結構和設計，對理解大系統(tǒng)的設計是十分有幫助的?？刂七m當?shù)?給水范圍（最大給水流量和最小濃水流量），防止由于濃差極化所引起的水通量減少和膜污染非 常重要。由于該系統(tǒng)僅采用一支膜元件，而設計要求單支40英寸的膜元件濃水排放量與產水量 比的最小值為5： 1（約相當于18%的回收率），因此單一膜元件系統(tǒng)很難達到較高的系統(tǒng)回收 率。為了提高回收率，系統(tǒng)流出的濃水的一部分可以返回到給水處。采用部分濃水回流的方式可 以增加回收率（一般可增加到50%）

4、，但是由于有部分濃水返回到進水，會導致產水的水質下 降。1、3單段系統(tǒng)的排列把單支膜元件并聯(lián)起來排列就成了單段系統(tǒng)。單段系統(tǒng)中包含兩個以上的膜元件。單段 系統(tǒng)的排列和單元件系統(tǒng)的排列意義相同，系統(tǒng)的回收率一般在15-50%之間。為了提高回收 率，可以在每一個壓力容器內串聯(lián)更多的膜元件。膜元件串聯(lián)的數(shù)量和回收率之間的關系見下表：膜元件串聯(lián)數(shù) TOC o 1-5 h z 量123456最大回收率，%1629384653591、4多段系統(tǒng)的排列當要求系統(tǒng)的回收率高于50 %時，可以采用多段系統(tǒng)。多段系統(tǒng)是指第一段的濃水作 為第二段的進水，第二段的濃水作為第三段的進水，以此類推。每段的進水一部分變成產

5、水，后 一段的進水流量會減少，含鹽量會升高，所以后段的膜元件數(shù)量要比上一段的膜元件數(shù)量少，以 保證正常的進水流量。一般的排列方式是2： 1或4： 2： 1。通常，兩段系統(tǒng)可以把回收率做 到5070 %，三段系統(tǒng)回收率做到7590 %。在多段系統(tǒng)中，濃水側的滲透壓不斷升高，有時會發(fā)生凈驅動力（NDP）不足的現(xiàn)象。造 成前段產水和后段產水不均衡。這時有三個解決方法：在每個段間加增壓泵，以提高后段的驅動力；在第一、第二段產水側設置節(jié)流閥門。通過增加產水背壓的方式，降低前段產水量，保 持整體有效壓力（NDP）的均衡。采用這個方法時，系統(tǒng)停止運行時有可能造成背壓（產水側壓 力大于進水側壓力）。在設計以及

6、操作時必須謹慎處理。 前后各段采用不同過濾阻力的膜元件。前段采用阻力大的膜元件，人為降低前段的 產水量，后段采用阻力小的膜元件，以保證產水量。1、5多級系統(tǒng)在一些應用中，單級反滲透的產水水質無法滿足用水的要求，為了盡可能的降低產水含 鹽量，前一級反滲透的產水作為下一級反滲透的進水被稱為多級反滲透系統(tǒng)。設計多級反滲透系 統(tǒng)時，根據(jù)產水水質的要求，可以考慮第一級的產水全部進入第二級或部分進入第二級反滲透系 統(tǒng)。如美國海德能公司的分裂式部分二級設計的海水淡化系統(tǒng)中，第一級中采用海水淡化反滲透 膜元件SWC系列，后端高濃度的產水作為第二級低壓型ESPA膜的進水，經過二級處理的產水 和第一級前段低濃度的

7、產水進行混合。第二級反滲透的濃水可以循環(huán)回第一級反滲透系統(tǒng)進水 中。第二級反滲透濃水中的含鹽量通常比第一級進水的含鹽量還要低，所以將第二級濃水返回到 第一級進水會降低進水含鹽量，增加整體的回收率。這就是分裂式二級設計。與第一級不同，在第二級反滲透系統(tǒng)的設計中，還應該注意以下幾點:A、選擇大通量的超低壓反滲透膜元件；B、第二級反滲透在設計時可以選擇更高的水通量，一般一支8英寸的膜元件可以設計 產水 1.52.0 m3/h，即：4050 LMH；C、在第二級反滲透中，濃差極化指數(shù)（B）最高可以達到1.70；D、第二級反滲透系統(tǒng)的排列最好接近3： 1；E、最好選擇4一5芯的壓力溶器；F、回收率應大于

8、等于85%，最好能達到90%。1、6采用批式操作的濃縮循環(huán)系統(tǒng)茶葉、果汁和制藥等工業(yè)，常以濃縮為目的。在設計反滲透和納濾系統(tǒng) 時，要考慮處理量和處理時間問題。以濃縮為目的的系統(tǒng)，批式處理比連續(xù)處理 要多。采用批式處理時，被處理液的濃水以一定的流量循環(huán)回原液槽中，循環(huán)一 定時間后，原液中的濃度會上升，隨著濃縮倍率的增大，滲透壓也會顯著的上升。 所以要掌握壓力的調整和膜污染的情況。設計時要考慮原液溫度的控制、腐蝕以 及清洗殺菌的方法等。系統(tǒng)設計步驟為了有效發(fā)揮反滲透系統(tǒng)的性能，需要準確了解給水水質、用水點對產 水水質和水量的要求，參考預處理和后處理工藝，以達到設計上的最優(yōu)化。下面 講述的反滲透系統(tǒng)

9、設計建立在進水水質符合反滲透系統(tǒng)進水要求的前提下。2、1水源掌握水源的種類和水質情況以及水質變動的情況。水源大致可分為地表 水（河川、湖泊和水庫），地下水（井水），廢水（工業(yè)廢水和市政污水）和海 水（直接取水和打井取水）。2、2膜元件的分類根據(jù)原水的含鹽量、進水水質的情況和對產水水質的要求，一般將膜元 件分為五大類：苦咸水脫鹽、超低壓、低污染、納濾和海水淡化。2、3平均水通量和回收率的確定根據(jù)進水水質和對產水水質的不同要求，決定單位面積的產水通量J（單位：GFD或LMH ）和回收率（Rec.）產水通量可以參照膜公司的設計導則。 回收率的設定要考慮原水中含有的難溶鹽的析出極限值。通常，單位面積產

10、水量J和回收率Rec.設計的過高，發(fā)生膜污染的可能性會大大增加，造成產水量下 降，清洗膜系統(tǒng)的頻率增多，維護系統(tǒng)正常運行的費用增加。所以，進行設計系 統(tǒng)時，在可能的條件下，希望采用有余量的產水通量和回收率。2、4理論膜元件數(shù)量當確定了設計產水量J和產水量Qp值時，所需理論膜元件數(shù)量Ne可 以按下式計算：Ne = Qp / ( J X S )式中：Qp產水量，m3/h；J 單位面積產水通量，LMH；S膜元件面積，m2；Ne理論膜元件數(shù)，支。2、5壓力容器的數(shù)量決定了每支壓力容器可裝填膜元件的數(shù)量(Ve)后，通過膜元件的數(shù)量Ne 除以Ve就可以得到所需壓力容器的數(shù)量(Nv)。Nv = Ne / V

11、e2、6膜元件的排列一一理論段數(shù)根據(jù)設計的回收率設定理論段數(shù)和每段的壓力容器排列。通常反滲透系 統(tǒng)排列方式以2： 1的近似比例為多。讓我們通過下面的例子來熟悉一下計算的 方式。例：產水水量為100m3/h，設計通量為22 LMH，膜元件面積為37.2 m2, 問需要如何排列反滲透系統(tǒng)。解：計算理論膜元件數(shù)量：Ne = Qp / ( J X S ) = (100 X10人 3) / (22 X 37.2) = 123壓力容器數(shù)量(按標準6芯裝膜計算)：Nv = 123 / 6 = 20.5 = 21各段壓力容器數(shù)的決定：反滲透系統(tǒng)以2： 1方式排 列時，21 / ( 2+1 ) = 7，膜元件以

12、14： 7的方式排列，每個壓力容器6支 8英寸膜元件，總數(shù)量為126支。右反滲透系統(tǒng)以4： 2： 1方式排列，則21 / ( 4 + 2 + 1 ) = 3 ,取整則可以排列為12： 6： 3,每個壓力容器6支8英寸膜元 件，總數(shù)量為126支。以上的初步計算結果可以輸入計算軟件進行驗證和評 估。2、7系統(tǒng)的優(yōu)化根據(jù)設定的單位面積產水通量、回收率、水溫變動范圍，研究討論膜元 件的排列方式，設計計算壓力、流量。這時使用設計軟件可以很方便地幫助客戶 完成這個任務。2、8系統(tǒng)的性能2、8、1壓力和滲透壓在系統(tǒng)中的變化原水通過高壓泵加進入膜系統(tǒng)，會有壓力損失，進水操作壓力Pi隨著 水流的方向不斷降低。同

13、時原水透過膜元件不斷有產水產出，進水被濃縮，原水 濃度不斷升高，產水側的滲透壓不斷增大，凈驅動力(NDP)降低。2、8、2產水流量和產水水質在系統(tǒng)中的變化壓力容器中的每支膜元件的性能由于所在位置的不同變化很大。對兩段 排列，每支壓力容器裝有6支膜元件的情況來說，原水進入膜系統(tǒng)，原水透過 膜元件不斷有產水產出，進水被濃縮，原水濃度不斷升高，、滲透壓增大、有效 壓力降低，膜元件的產水量沿著進水側到濃水側的順序變小。由于原水濃度升高， 產水中含鹽的濃度隨之升高。2、8、3回收率和進水流量的變化不同位置膜元件進水流量與回收率均不同。前一支膜元件的濃水作為下 一支膜元件的進水，水量不斷減少，回收率不斷增

14、加，設計計算時一定要注意每 段最后一支膜元件的回收率不要超過規(guī)定極限值和不要低于最小濃水流量。設計參數(shù)3、1系統(tǒng)設計部分參數(shù)以及允許值原水水源水水RO產水地下地表水深井海水表面海廢水（軟化）進SDI15124232水濁度0.10.10.10.10.10.1參TOC， mg/L asC222225數(shù)BOD， mg/L as。24444410極COD，mg/L as。26666616限進水溫度，0.1 45（所有水源）系統(tǒng)平均產水通量21 /35.716 / 27.216 / 27.210 /178 / 13.511/ 18.7(GFD / LMH)(MF / UF) ( MF / UF )(傳統(tǒng)

15、)(MF / UF)首支膜最大產水通量30 / 5127 /45.93421 / 35.716 / 27.224 / 40.820 /(GFD / LMH)產水通 率，%量年衰減5712777產水脫鹽率年增加率，%51010101010值單支膜最大B1.201.201.401.201.201.20器33.6單支壓力容(4.6“)3.63.63.63.6最大進水流量，m3 /h( 8” )17.017.017.017.017.017.0器單支壓力容(4“)0.680.680.450.680.680.68最低濃水流量，m3 /h( 8” )1.822.732.732.732.732.73每支膜元件

16、最大壓力損失，MPa40英寸長的膜元件為0.073、2濃水中難溶鹽的飽和極限表難溶鹽飽和值 %CaSO4230SrSO4800BaSO46000SiO2100系統(tǒng)構成的要素4、1高壓泵為了維持產水量、控制操作壓力不超過允許極限值，就必須控制高壓泵 的出口壓力。以下顯示美國海德能公司的膜元件允許最大操作壓力。ESPA、CPA、 PROC10和LFC系列膜元件：4.14 MPa； SWC系列：8.27 MPa，以下對使用的離 心泵和高壓柱塞泵的異同以及使用時的注意點作簡要說明。離心泵離心泵適用于要求較低壓力和較高流量的系統(tǒng)。2.0 MPa以下的低操作 壓力反滲透系統(tǒng)一般采用高壓泵。使用具有恒轉速電

17、機的泵時，常在泵的出口管 線上設置節(jié)流閥控制出口的流量和壓力。對于進水溫度變化顯著的反滲透和納濾 系統(tǒng)，建議使用可變頻調節(jié)電機轉速的泵，以減少不必要的能量消耗。但是變頻 泵的價格要高一些。高壓柱塞泵高壓柱塞泵的動作原理是依靠固體壁的移動擠壓方式，適用于需要高壓 力、小流量的系統(tǒng)。5.0 MPa左右的海水淡化系統(tǒng)常采用這種類型的泵。由于柱 塞泵的吐出壓力過高，不能使用節(jié)流閥控制柱塞泵出口的流量和壓力。壓力和流 量的調節(jié)依靠泵出口處設置的背壓防止閥。一般柱塞泵自身設有背壓防止閥，但 是泵自身的防止閥按泵本身的壓力設定的，一般要遠遠高于膜元件允許的最高壓 力。在泵的出口處安裝安全泄壓閥防止過剩壓力沖

18、擊反滲透膜。此外，如果泵本 身沒有安裝壓力緩沖裝置，應該在出口處安裝緩沖裝置降低壓力脈沖。4、2管路要求材質和強度管路要求選擇耐腐蝕性強，可以承受閥門關閉時系統(tǒng)壓力的材料。管路 的設計壓力 閥門關閉時的系統(tǒng)壓力 操作壓力。一般的低壓反滲透系統(tǒng)使 用SUS 304以上規(guī)格的不銹鋼。產水等低壓管路一般使用PVC材質。管徑管路的直徑大小的選擇一定要避免在系統(tǒng)流量范圍內產生過大壓力損 失。尤其是產水的管路直徑大小更重要，產水管路過細，容易產生產水背壓損壞 膜元件。流量和最大流速與管路內徑的關系見下表：英寸流量，GPM最大線速度管路內徑， ，m / s420 1.981 /1044 2.193 /201

19、0 12.5050220 2.771 1 /10050 23.11一1 /2100 1753.472175 3004.15注：GPM： Gallon Per Minute； LPM : Liter Per Minute。1 GPM = 3.785 LPM.4、3水箱為了防止水在水箱中有積留現(xiàn)象，要考慮水箱入口和出口的位置。小型 水箱，不用考慮強度問題，可以使用聚乙烯（PE）和玻璃鋼（FRP）等耐腐蝕的 塑料材質。水箱設置在室外時，有必要考慮水箱內微生物滋生等二次污染問題， 建議選用遮光材質。大型水箱，必須考慮強度問題，一般選用金屬材質。4、4傳感器為了保護反滲透系統(tǒng)以及膜元件，通常采用各種類型

20、的傳感器。比如：給水箱液位傳感器：為了防止給水泵空轉。給水水箱要設置液位計量 開關，當液面過低時，給水泵會自動停止。壓力傳感器：防止異常高壓對膜元件的傷害。設置壓力傳感器，當進 水壓力過高時高壓泵停止工作。 pH值傳感器：為了防止結垢，設置進水pH值傳感器。4、5藥劑4、5、1藥劑注入點藥劑注入點的位置一般選在泵的入口等混合效果較好的地方。需投加多 種藥劑時，注入點間隔最小應在一米以上。為了加強藥劑的混合，可以設置混合 器。4、5、2藥劑使用的注意事項亞硫酸氫鈉（SBS）當系統(tǒng)既注入酸，也注入SBS時，SBS的注入點應該位于加酸點之后。 這是因為如果在加入SBS后加入酸，會產生亞硫酸氣體。一般

21、市面上購買的SBS的濃度約為35%。冬天時，SBS會析出結晶。低 溫度時需要用水稀釋后再使用。下表標示了不同溫度時的稀釋倍數(shù)。SBS水溶液溫度,SBS水溶液濃度，%0 510，或稀釋4倍1 1020,或稀釋2倍1035,原液次氯酸鈉（NaClO）預處理中使用NaClO時一定要注意防止余氯進入反滲透和納濾系統(tǒng)。若 發(fā)現(xiàn)給水中殘留有余氯，則必須用SBS還原。SBS的加入量應該是余氯殘留量 的1.83倍，以保證充分還原余氯。酸性條件下使用NaClO可能會有氯氣產生。NaClO + 2 HCl f NaCl + H2O + Cl2 t溫度不同時，NaClO的分解速度也會有變化，在儲藏NaClO時要注意

22、。有效濃度12 %的NaClO的濃度隨時間的變化表保管溫度保管期以及濃度變化51年后，下降到11 %1929150天后，下降到5 %30天后，下降到6.5 %4、6計量儀表壓力表：進水、段間、濃水、產水側分別配置壓力表；流量計：產水和濃水處設置流量計，可以計算進水流量（進水二濃 水+產水）；溫度計：進出壓力溶器入口處設置；進水pH計；進水電導儀；進水ORP表（氧化一一還原電位表）。我現(xiàn)在有一套二級RO系統(tǒng)，其一級排列方式為1-1 （每支膜殼2支陶氏BW 3 0-4 0 0 膜），二級就1支膜殼裝2支膜，我現(xiàn)在想知道他在一定進水壓力下的標準產水量及濃水， 就是回收效率.還有去處率？因為我不知道這設備剛開始運行的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在不知道什么時候 需要進行清洗了？我現(xiàn)在想知道他在一定進水壓力下的標準產水量及濃水？你必須知道溫度，和進口壓力。這樣通過軟件可以知道他的產水量和濃水的最小排放量。我 猜測一級回收率該有60%左右。至于去除率，你就要用表測下TDS 了。這樣就可以計算實際的去除率，而理論上的去除率 恐怕要看水質報告了，好像意義不是很大，95以上都比較正常吧。請叫你是怎么知道是6 0%呢？經驗嗎？我現(xiàn)在一級產水2. 2