反滲透系統(tǒng)均衡通量工藝

1、反浸透系統(tǒng)平衡通量工藝摘要：闡述了反浸透系統(tǒng)中膜通量分布失衡的主要原因，討論了平衡通量的三種工藝，分析了三種工藝的特征、功用及對系統(tǒng)性能的影響，為反浸透系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供了根據(jù)。關(guān)鍵詞：反浸透系統(tǒng)膜通量分布膜品種配置段間加壓淡水背壓近10年來反浸透技術(shù)以其低本錢、低能耗、易操作、少占地等諸多優(yōu)勢，在工業(yè)及市政水處理領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用與迅速地普及，在水處理技術(shù)市場中占有很大的份額隨著反浸透技術(shù)應(yīng)用范圍與系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，系統(tǒng)的節(jié)能、節(jié)水等多項(xiàng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行問題日顯突出，其中膜系統(tǒng)通量平衡分布即為反浸透膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行領(lǐng)域中的典型問題之一反浸透系統(tǒng)中膜元件的排列一般為錐形分段串并聯(lián)方式，且

2、各段等長在沿系統(tǒng)流程方向上，由于產(chǎn)水的分流作用，膜兩側(cè)壓力差(delP)逐步下降；由于水中鹽分的濃縮，膜兩側(cè)浸透壓差(delPs)逐步增大；膜兩側(cè)的凈驅(qū)動(dòng)壓力(NDP)及膜產(chǎn)水通量(Q)不斷下降，從而產(chǎn)生膜通量分布不平衡現(xiàn)象如以A表示膜的水透過系數(shù)，那么系統(tǒng)流程中第i支膜元件的產(chǎn)水通量可表示為系統(tǒng)的膜通量分布除遵循上述必然規(guī)律外，還與系統(tǒng)運(yùn)行工況親密相關(guān)膜元件平均水產(chǎn)量、膜性能衰減情況等諸多因素均對系統(tǒng)膜通量的分布造成不同程度的影響，其中系統(tǒng)給水溫度、給水含鹽量、系統(tǒng)流程長度及膜元件品種構(gòu)成影響膜通量分布的主要因素圖1示出反浸透系統(tǒng)中不同流程位置上膜通量分布曲線及各主要影響因素對通量分布的作用

3、膜通量沿流程方向的不斷下降，對于系統(tǒng)運(yùn)行同時(shí)存在著利和弊兩個(gè)方面的情況一方面給濃水被逐步濃縮，污染物濃度逐步升高，系統(tǒng)后端膜通量的降低有利于系統(tǒng)中膜污染程度的平衡；另一方面系統(tǒng)首末端通量差異過大，前端膜元件在高驅(qū)動(dòng)壓力、高通量條件下運(yùn)行，膜元件污堵速度快，后端膜元件在低驅(qū)動(dòng)壓力、低通量條件下運(yùn)行，膜元件不能充分發(fā)揮其作用故對系統(tǒng)運(yùn)行來說，有必要使系統(tǒng)中膜通量保持一定的梯度，使系統(tǒng)運(yùn)行處于優(yōu)化狀態(tài)不同的給水條件存在著不同的最正確通量分布對于二級系統(tǒng)而言，給水水質(zhì)上佳，流程中膜通量應(yīng)盡量平衡；以井水為水源的系統(tǒng)，給水水質(zhì)略差，流程中膜通量應(yīng)保持一定梯度；以地表水為水源的系統(tǒng)，給水水質(zhì)更差，流程中膜

4、通量梯度那么應(yīng)保持更高程度在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行領(lǐng)域中，克制通量分布極端不平衡現(xiàn)象可以采取一系列措施，其中主要包括膜品種配置、段間加壓、淡水背壓三大工藝筆者將逐一分析此三大工藝的特征、功用與適用范圍，從而為反浸透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供有力的參考由于量化最正確膜通量梯度存在相當(dāng)難度，因此在分析過程中僅以平衡通量為目的，該目的下得到的結(jié)論可作為不同通量梯度工況的參考根據(jù)如圖l所示，高壓膜構(gòu)成的系統(tǒng)(見圖l中的根本工況曲線)與低壓膜構(gòu)成的系統(tǒng)(見圖l中的低壓膜品種曲線)相比，膜通量曲線較為平滑直至20世紀(jì)90年代初，反浸透膜以醋酸纖維素或高工作壓力的聚酰胺膜為主，系統(tǒng)工作壓力約為1525Pa，膜通量失衡問題

5、并不明顯1995年前后國際上各大膜廠商分別推出工作壓力約為lPa的節(jié)能型低壓膜，特別是近年來如海德能等公司推出了工作壓力約為07Pa的超低壓膜，使膜通量失衡問題越加突出膜工作壓力的降低，大大降低了反浸透系統(tǒng)的操作壓力，明顯地降低了能耗，節(jié)省了設(shè)備投資，極大地促進(jìn)了反浸透技術(shù)的推廣應(yīng)用與此同時(shí)，膜系統(tǒng)中膜通量失衡問題也越創(chuàng)造顯，而且水處理工程界對此現(xiàn)象尚未給予足夠的重視，未能采取相應(yīng)措施予以克制以數(shù)據(jù)形式明確超低壓膜系統(tǒng)通量失衡的嚴(yán)重性也是本研究的目的之一1反浸透膜元件性能比擬筆者以海德能公司的ESPA膜(EnergySavingPlyAide)作為根據(jù)進(jìn)展平衡通量的相應(yīng)分析ESPA膜是一種節(jié)能

6、型聚酰胺復(fù)合膜，與高壓的PA2聚酰胺復(fù)合膜相比，在獲得同等產(chǎn)水通量條件下，需要的工作壓力更低ESPA膜系列又可分為ESPAl、ESPA2、ES、PA3、ESPA4四個(gè)品種，各品種工作壓力又有不同膜產(chǎn)品技術(shù)手冊中，給出了不同給水含鹽量及不同測試壓力下的膜的測試參數(shù)不同測試條件盡管暗示了不同膜品種元件的工作條件，同時(shí)也淡化了各膜品種間的參數(shù)差異表l給出海德能ESPA-4040系列膜品種在一樣的進(jìn)水壓力、進(jìn)水溫度與回收率計(jì)算條件下的計(jì)算參數(shù)指標(biāo)如表l所示，在同一壓力下，產(chǎn)水通量各不一樣反過來說，假設(shè)一樣的產(chǎn)水量，膜品種不同所需壓力也各不一樣，所需壓力從高到低排列為ESPA2、ESPAl、ESPA3、

7、ESPA4ESPA膜品種所需系統(tǒng)給水壓力低，在某些運(yùn)行條件下，系統(tǒng)濃水壓力值接近濃水浸透壓力值，使得系統(tǒng)的純驅(qū)動(dòng)壓力產(chǎn)生很大的梯度，即進(jìn)水端NDP很高，出水端NDP很低膜通量分布不平衡問題更突出筆者固定了膜型號(以ESPA2-4040、ESPAl-4040膜品種為例)，分別對單段、兩段反浸透系統(tǒng)采用3種通量平衡工藝進(jìn)展討論2單段系統(tǒng)膜通量平衡工藝系統(tǒng)采用同一膜品種時(shí)，隨著流程增長，膜通量下降由于在同一壓力下，膜品種不同，通量不同，故可以在沿系統(tǒng)流程的適當(dāng)位置處更換膜品種，使其在進(jìn)水壓力不變情況下，進(jìn)步或降低該流程處的膜通量，使系統(tǒng)前端通量降低或是使系統(tǒng)后端膜通量進(jìn)步，以到達(dá)整個(gè)系統(tǒng)通量平衡的目

8、的以系統(tǒng)膜品種更換所對應(yīng)的首支膜元件的通量的偏離度(系統(tǒng)首端第一支膜元件通量-膜品種更換后的第一支膜元件通量)系統(tǒng)首端第一支膜元件通量)接近于0，作為系統(tǒng)優(yōu)選的膜品種配置方式圖2給出了一級一段6支膜6長系統(tǒng)的不同運(yùn)行工況對膜品種配置的斷點(diǎn)位置的影響如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)中“2222ll表示系統(tǒng)前4支膜采用ESPA2-4040，后兩支膜采用ESPAl-4040，這種膜品種配置方式比同一品種的膜排列方式可以平衡系統(tǒng)通量隨著系統(tǒng)中各膜品種所占比率不同，系統(tǒng)通量的偏離度也不同系統(tǒng)運(yùn)行工況變化時(shí)，膜品種配置的斷點(diǎn)位置也隨之變化不同的運(yùn)行工況，對應(yīng)不同的膜品種配置方式進(jìn)水含鹽量、進(jìn)水溫度的變化，對系統(tǒng)膜品

9、種配置斷點(diǎn)位置的影響較大相比擬而言，運(yùn)行年數(shù)、單支膜產(chǎn)量的變化，對系統(tǒng)膜品種配置斷點(diǎn)位置的影響較小，且隨著進(jìn)水含鹽量的升高，或者進(jìn)水溫度的上升，系統(tǒng)膜品種配置斷點(diǎn)位置前移，即低壓膜品種所占比率增加隨著運(yùn)行年數(shù)或單支膜產(chǎn)量的增加，系統(tǒng)膜品種配置斷點(diǎn)位置后移，即低壓膜品種所占比率減少對系統(tǒng)采用膜品種配置工藝后，可以看到：(1)流程較短的系統(tǒng)，所需更換膜品種的斷點(diǎn)位置一般在系統(tǒng)的后一半流程上；(2)當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行為低進(jìn)水溫度、低進(jìn)水含鹽量工況時(shí)，較短的反浸透系統(tǒng)通量分布不平衡程度不嚴(yán)重，不需要膜品種配置，只需傳統(tǒng)設(shè)計(jì)形式即同一種膜品種排列即可當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行為高進(jìn)水溫度、高進(jìn)水含鹽量工況時(shí)，系統(tǒng)通量失衡問題突

10、出，可以容器為單位，在系統(tǒng)前端的容器中放高壓低通量膜品種，在系統(tǒng)后端的容器中放相對應(yīng)的低壓高通量膜品種平衡系統(tǒng)通量；(3)系統(tǒng)采用膜品種配置方式，系統(tǒng)的通量偏離度可降低15到36個(gè)百分點(diǎn)，但膜品種配置方式是一次性地對系統(tǒng)的通量分布進(jìn)展調(diào)整，無法到達(dá)系統(tǒng)的通量分布完全平衡(4)系統(tǒng)采用膜品種配置方式，膜元件沒有到達(dá)濃差極化的極限值，系統(tǒng)回收率反而降低，各膜元件未充分發(fā)揮其效用，單位產(chǎn)水量能耗升高。對于單段的小型反浸透系統(tǒng)，通量分布不平衡程度不嚴(yán)重，采用段間加壓工藝與淡水背壓工藝雖在技術(shù)上可行，但系統(tǒng)總固定投資增加，且系統(tǒng)性能進(jìn)步的幅度不明顯，故對單段小型反浸透系統(tǒng)不考慮段間加壓與淡水背壓工藝3兩

11、段系統(tǒng)的膜品種配置工藝當(dāng)系統(tǒng)采用多段系統(tǒng)，流程增長時(shí)，系統(tǒng)的通量分布不平衡程度嚴(yán)重，需采用通量平衡工藝改善系統(tǒng)運(yùn)行的通量分布狀態(tài)以系統(tǒng)流程為8，2(4)一l(4)(即采用兩段反浸透系統(tǒng)，每段裝4支膜)排列構(gòu)造的系統(tǒng)為例進(jìn)展分析，表2給出12支膜8流程在各運(yùn)行工況下膜品種優(yōu)化配置后對系統(tǒng)性能的影響研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)水含鹽量、進(jìn)水溫度的變化對系統(tǒng)膜品種配置的斷點(diǎn)位置的變化影響較大，而運(yùn)行年數(shù)、單支膜通量的變化，對系統(tǒng)膜品種配置的斷點(diǎn)位置的變化影響不大表2只給出了不同進(jìn)水含鹽量、不同進(jìn)水溫度下的最正確膜品種配置方式及其相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)值表2中“膜品種配置方式一欄，第一列為系統(tǒng)全流程上采用同一的ESPA2-40

12、40膜品種；第二列為同等條件下系統(tǒng)可采用的膜品種優(yōu)化配置方式“22222111表示系統(tǒng)采用21排列方式，第一段采用ESPA24040膜品種，第二段第一支膜元件可采用ESPA24040膜品種，第二段第二、三、四支膜元件采用ESPAl-4040膜品種“表示該運(yùn)行條件下，不需膜品種配置方式由表2中的數(shù)據(jù)可以看出：(1)當(dāng)系統(tǒng)流程增長時(shí)，系統(tǒng)采用膜品種配置方式的更換位置較短流程時(shí)前移，即系統(tǒng)中低壓膜品種所占比率升高；(2)在低進(jìn)水溫度、低進(jìn)水含鹽量工況下，系統(tǒng)不需采用膜品種配置方式，而只需傳統(tǒng)的膜排列方式即可當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水溫度升高或進(jìn)水含鹽量增加時(shí)，系統(tǒng)的膜通量失衡程度嚴(yán)重，采用膜品種配置可平衡系統(tǒng)膜通量

13、分布在進(jìn)展膜品種配置時(shí)，建議以容器為單位進(jìn)展膜品種配置，即在系統(tǒng)的前段容器中，放高壓低通量膜品種，在系統(tǒng)后段的容器中放低壓高通量膜品種；(3)采用膜品種配置工藝對系統(tǒng)的性能也有改善與傳統(tǒng)的同一膜品種排列方式相比擬，系統(tǒng)的收率增加3到5個(gè)百分點(diǎn)，壓力降低003Pa到01Pa，單位產(chǎn)水量能耗降低104兩段系統(tǒng)的段間加壓與淡水背壓工藝段間加壓與淡水背壓是工程中常用的平衡系統(tǒng)通量分布的工藝，兩者異曲同工淡水背壓工藝通過調(diào)節(jié)淡水閥實(shí)現(xiàn)，簡單易行，而段間加壓工藝需增設(shè)一臺加壓泵，兩種工藝系統(tǒng)投資不同，但對系統(tǒng)通量平衡分布的效果一樣一。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，段間加壓值、淡水背壓值與系統(tǒng)運(yùn)行條件的關(guān)系一致，兩者對系統(tǒng)性

14、能的影響除淡水背壓使系統(tǒng)單位產(chǎn)水量的能耗增加外，對系統(tǒng)的通量平衡分布、回收率、脫鹽率的影響也一致，故筆者將兩種工藝合并起來一起討論41系統(tǒng)加壓值與系統(tǒng)運(yùn)行條件的關(guān)系系統(tǒng)所需的加壓值與系統(tǒng)運(yùn)行的進(jìn)水溫度、進(jìn)水含鹽量、運(yùn)行年數(shù)、所要求的單支膜產(chǎn)量親密相關(guān)當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行工況改變時(shí)，系統(tǒng)所需的最正確加壓值也隨之變化，即進(jìn)水含鹽量大孝單支膜產(chǎn)量大小與系統(tǒng)所需的加壓值大小呈線性正比關(guān)系(見圖3、圖4)；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水含鹽量低時(shí)，進(jìn)水溫度的變化對系統(tǒng)所加的加壓值沒有影響，但當(dāng)進(jìn)水含鹽量升高時(shí)，系統(tǒng)所需的加壓值隨系統(tǒng)進(jìn)水溫度的升高緩慢上升(見圖3)；運(yùn)行時(shí)間的增加對系統(tǒng)是整體性能的改變，系統(tǒng)所需的加壓值不會(huì)隨著系統(tǒng)運(yùn)

15、行時(shí)間的長短而變化42系統(tǒng)加壓值的改變對系統(tǒng)性能的影響系統(tǒng)的通量分布會(huì)隨著系統(tǒng)加壓值的增加而逐漸平衡，但加壓值存在一個(gè)最正確加壓值點(diǎn)，到達(dá)該點(diǎn)能使得系統(tǒng)的通量分布最平衡，當(dāng)超過該點(diǎn)繼續(xù)加壓時(shí)，系統(tǒng)后端驅(qū)動(dòng)壓力的增大，導(dǎo)致膜通量逐漸增大，通量分布又呈現(xiàn)失衡趨勢(見圖5)對于2(4)一l(4)排列，因?yàn)楦鞫瘟鞒潭蹋鞫文┒藵獠顦O化值未接近極限值但采用加壓工藝時(shí)，可使各段濃差極化值到達(dá)極限值，使系統(tǒng)回收率升高隨著系統(tǒng)加壓值的增大，系統(tǒng)回收率增大，但有一極大值點(diǎn)，在該點(diǎn)處系統(tǒng)各段末端濃差極化值到達(dá)極限值，回收率到達(dá)最大隨后，系統(tǒng)收率隨著加壓值的增加，系統(tǒng)回收率呈下降趨勢(見圖6)段間加壓工藝與淡水背壓

16、工藝的加壓值的變化對系統(tǒng)能耗的影響不同，段間加壓工藝隨著加壓值的增加，單位產(chǎn)水量能耗降低，且有一極小值點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)與系統(tǒng)到達(dá)最大回收率時(shí)的橫坐標(biāo)一致對系統(tǒng)采用段間加壓工藝，可以平衡系統(tǒng)通量分布，即有一最正確段13DI：I壓值，使系統(tǒng)兩段通量平衡，該最正確加壓值小于系統(tǒng)到達(dá)最大回收率時(shí)對應(yīng)的加壓值，但兩值相差不大淡水背壓工藝需要一定的水力損失，單位產(chǎn)水量能耗比段間加壓工藝所需的能耗值大，淡水背壓工藝隨著加壓值的增加單位產(chǎn)水量能耗也隨之增加(見圖7)系統(tǒng)加壓值的變化對系統(tǒng)脫鹽率的影響不大，系統(tǒng)脫鹽率幾乎不變53種通量平衡工藝的比擬膜品種配置工藝、段間加壓工藝、淡水背壓工藝均可以平衡系統(tǒng)通量

17、，相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)形式，3種工藝都對系統(tǒng)的性能有所改善，但各有其特點(diǎn)表3給出了3種平衡通量工藝的對系統(tǒng)性能改變的參數(shù)值(1)膜品種配置工藝簡單易行，不增加額外投資，是3種通量平衡工藝中所費(fèi)能耗最低的一種工藝系統(tǒng)的通量平衡分布是一次性的調(diào)整，無法到達(dá)完全平衡(2)段間加壓工藝與淡水背壓工藝對系統(tǒng)的平衡通量分布的作用一致，且這兩種工藝相對于膜品種配置方式而言，可以據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行條件的改變進(jìn)展適時(shí)調(diào)整，到達(dá)對系統(tǒng)的通量平衡分布的效果(3)鑒于3種工藝的各自特征，系統(tǒng)的通量平衡分布可以通過3種工藝相結(jié)合，到達(dá)對系統(tǒng)的通量平衡分布，即在采用膜品種配置方式的根底上據(jù)實(shí)際情況采用段間加壓工藝或淡水背壓工藝(4)筆者是在對ESPA2-4040、ESPAl-4040膜品種研究的根底上得出上述結(jié)論，其規(guī)律性結(jié)論同樣適用于其它ESPA-4040膜品種由于