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第五章反渗透和纳滤系统的设计反渗透和纳滤系统通常包含预处理设备、反渗透/纳滤设备和后处理设备。设置预处理部分的目的是调整原水的水质使其符合反渗透和纳滤系统的进水水质要求。后处理工序的目的有两个，一是调节反渗透和纳滤的产水成分使其符合使用目的，二是使浓水符合排放标准。在设计反渗透和纳滤系统时，正确掌握原水水质和对产水的要求是最基本的要素。对各个装置的设计进行优化组合是保证系统的正常运行必不可少的重要环节。本章针对反渗透和纳滤系统的设计进行论述。5.1系统配置5.1.1概述在反渗透和纳滤系统的设计中，（1）膜元件型号的选择；（2）水通量选择（单位膜面积的产水量，GFD或LMH）；以及（3）回收率，都是重要的事项。一般尽可能设计高的回收率，这样可以降低供给水的量，减少预处理的成本。但是，系统的回收率设计高时会有以下的不利因素需要考虑。结垢的风险增大，需要添加阻垢剂；产水的水质下降；运行操作压力增高，泵和相关设备的费用增加。产水量和回收率的设计一定要符合安全的标准。一般建议要有一定的设计弹性。使用美国海德能公司的膜元件时，请参看附录4美国海德能公司反渗透和纳滤膜元件设计导则。系统的运行方式一般分为连续操作和批式操作两种。批式处理是指储存一定量的进水，一定期间内处理产水和浓水，一般在小规模的浓缩工程和水量小或连续供水不足的场合被采用。连续操作是设定一定的回收率和产水量，基本上以一定的操作压力进行连续地分离处理产水和浓水，大规模的反渗透和纳滤装置都采用连续过滤。5.1.2单元件系统单元件系统是最小的反渗透或纳滤系统，虽然只包含一支膜元件，但是配套设备却很完整。因此熟悉了解单元件系统的结构和设计，对理解大系统的设计是十分有帮助的。图5.1所示为一个单一膜元件的系统。控制适当的给水范围（最大给水流量和最小浓水流量），防止由于浓差极化所引起的水通量减少和膜污染非常重要。由于该系统仅采用一支膜元件，而设计要求单支40英寸长的膜元件浓水排放量与产水量比的最小值为5:1（约相当于18%的回收率），因此单一膜元件系统很难达到较高的系统回收率。为了提高回收率，系统流出的浓水的一部分可以返回到给水处，如图5.1中的第5点位置。采用部分浓水回流的方式可以增加回收率（一般可增加到50%），但是由于有部分浓水返回到进水，会导致产水的水质下降。图5.1单元件系统部分浓水循环示意图5.1.3单段系统的排列把单支膜元件并联起来排列就形成了单段式系统。单段系统中包含两个以上的膜元件。单段系统排列如图5.2。单段系统的排列和单元件系统的排列意义相同，系统的回收率一般在15–50%之间。为了提高回收率，可以在每一个压力容器内串联更多的膜元件。表5.1中显示串连膜元件的数量和回收率之间的关系。5.2单段系统排列示意图表5.1膜元件串连的数量和最大回收率膜元件串连数量123456回收率，%1629384653595.1.4多段系统的排列当要求系统的回收率高于50%时，可以采用多段系统。多段系统是指第一段的浓水作为第二段的进水，第二段的浓水作为第三段的进水，以此类推。每段的进水一部分变成产水，后一段的进水流量会减少，含盐量会升高，所以后段的膜元件数量要比上一段的膜元件数量少，以保证正常的进水流量。一般的排列方式是2:1或4:2:1。通常，两段系统可以把回收率做到50–75%，三段系统回收率做到75–90%10。图5.3多段系统排列示意图在多段系统中，浓水侧的渗透压力不断升高，有时会发生净驱动力（NDP）不足的现象。造成前段产水和后段产水不均恒。这时有三个解决方法：①在每个段间加增压泵，以提高后段的驱动力；10系统的回收率还与给水水质以及给水温度有关，这里提到的回收率数据必须与给水水质和水温综合考虑，以免发生膜污染。二段排列∶回收率50–75%三段排列∶回收率75–90%②在第一、第二段产水侧设置节流阀门，如图5.4所示。通过增加产水背压的方式，降低前段产水量，保持整体有效压力（NDP）的均衡。采用这个方法时，系统停止运行时有可能造成背压（产水侧压力进水侧压力）。在设计以及操作时必须谨慎处理；③前后各段采用不同过滤阻力的膜元件。前段采用阻力大的膜元件，例如：PROC10或CPA3-LD，甚至SWC®系列海水淡化膜元件，人为降低前段的产水量，后段采用阻力小的膜元件，例如：ESPA®系列，以保证产水量。图5.4多段系统示意图5.1.5多级系统在一些应用中，单级反渗透的产水水质无法满足用水的要求，为了尽可能的降低产水含盐量，前一级反渗透的产水作为下一级反渗透的进水被称谓多级反渗透系统。设计多级反渗透系统时，根据产水水质的要求可以考虑第一级的产水全部进入第二级或部分进入第二级反渗透系统。如图5.5所示的海水淡化系统中，第一级中采用海水淡化反渗透膜元件SWC®系列，后端高浓度的产水作为第二级低压型ESPA®膜的进水，经过二级处理的产水和第一级前段低浓度的产水进行混合。第二级反渗透的浓水可以循环回第一级反渗透系统进水中。第二级反渗透浓水中的含盐量通常比第一级进水的含盐量还要低，所以将第二级浓水返回到第一级进水会降低进水含盐量，增加整体的回收率。这就是分裂式部分二级设计11（分裂式部分二级的设计依据和方法请参见第四部分第十章10.9）。11分裂式部分二级设计是美国海德能公司的专利，如需采用请联络美国海德能公司驻华代表机构。进水一段浓水二段浓水产水背压调节阀门三段浓水总产水图5.5双级海水淡化处理系统示意图与第一级不同，在第二级反渗透系统的设计中，还应该注意以下几点：选择大通量的超低压反渗透膜元件，如：ESPA2和ESPA2+；第二级反渗透在设计时可以选择更高的水通量，一般一支8英寸的膜元件可以设计产水1.5–2.0m3/h，即：40–54LMH；在第二级反渗透中，浓差极化指数（β）最高可以达到1.70；第二级反渗透系统的排列最好接近3:1；最好选择4–5芯的压力容器；回收率应大于等于85%，最好能达到90%。5.1.6采用批式操作的浓缩循环系统茶叶、果汁和制药等工业，常以浓缩为目的。在设计反渗透和纳滤系统时，要考虑处理量和处理时间问题。如图5.6所示，以浓缩为目的的系统，批式处理比连续处理要多。采用批式处理时，被处理液的浓水以一定的流量循环回原液槽中，循环一定时间后，原液中的浓度会上升，随着浓缩倍率的增大，渗透压也会显著的上升。所以要掌握压力的调整和膜污染的情况。设计时要考虑原液温度的控制、腐蚀以及清洗杀菌的方法等。产水一级低浓度一级高浓度产水浓水二级：ESPA®一级：SWC®进水一段浓缩液二段浓缩液浓缩液透过液循环透过液图5.6浓缩系统设计示意图5.2系统设计步骤为了有效发挥反渗透系统的性能，需要准确了解给水水质、用水点对产水水质和水量的要求，参考预处理和后处理工艺，以达到设计上的最优化。下面讲述的反渗透系统设计建立在进水水质符合反渗透系统进水要求的前提下。5.2.1水源掌握水源的种类和水质情况以及水质变动的情况。水源大致可分为地表水（河川、湖泊和水库），地下水（井水），废水（工业废水和市政污水）和海水（直接取水和打井取水）。5.2.2膜元件的选则根据原水的含盐量、进水水质的情况和对产水水质的要求，一般将膜元件分为五大类。苦咸水脱盐、超低压、低污染、纳滤和海水淡化。如何选择膜元件请参见附录3膜元件的选择方法和依据。5.2.3平均水通量和回收率的确定根据进水水质和对产水水质的不同要求，决定单位面积的产水通量J（单位：GFD或LMH）和回收率（Rec.）。产水通量可以参照美国海德能公司设计导则（请参见附录4）。回收率的设定要考虑原水中含有的难溶盐的析出极限值（溶度积请参见附录6）。通常，单位面积产水量J和回收率Rec.设计的过高，发生膜污染的可能性会大大增加，造成产水量下降，清洗膜系统的频率增多，维护系统正常运行的费用增加。所以，进行设计系统时，在能的条件下，希望采用有余量的产水通量和回收率。5.2.4理论膜元件数量当确定了设计产水通量J和产水量Qp值时，所需理论膜元件数量Ne可以按公式（5.1）计算。SJQNPe×=（5.1）式中：Qp——产水量，m3/h；J——单位面积产水通量，LMH；S——膜元件面积，m2；Ne——理论膜元件数，支。5.2.5压力容器的数量决定了每支压力容器可装填膜元件的数量（Ve）后，通过膜元件的数量Ne除以Ve就可以得到所需压力容器的数量（Nv）。eevVNN=（5.2）5.2.6膜元件的排列——理论段数根据设计的回收率按前节中介绍的内容（请参见5.1.3和5.1.4）设定理论段数和每段的压力容器排列。通常反渗透系统排列方式以2:1的近似比例为多。让我们通过下面的例子来熟悉一下计算的方式。例：产水水量为100m3/h，设计通量为22LMH，膜元件面积为37.2m2，问需要如何排列反渗透系统。解：按公式（5.1）计算理论膜元件数量理论膜元件数量，1232.12237.222101003≅=××=eN压力容器数量（按标准6芯装膜壳计算），215.206123v≅==N各段压力容器的数的决定，反渗透系统以2:1方式排列时，71221=+，膜元件以14:7的方式排列。每个压力容器6支8英寸膜元件，总数量为126支。若反渗透系统以4:2:1方式排列，则312421=++，取整则可以排列为12:6:3，每个压力容器6支8英寸膜元件，总数量为126支。以上的初步计算结果可以输入设计软件IMSDesign®进行验证和评估。5.2.7系统的优化根据设定的单位面积产水通量、回收率、水温变动范围、研究讨论膜组件的排列方式，设计计算压力、流量。这时使用美国海德能公司提供的反渗透设计软件IMSDesign®可以很方便的帮助客户完成这个任务。5.2.8系统的性能5.2.8.1压力和渗透压在系统中的变化原水通过高压泵加进入膜系统，会有压力损失，进水操作压力Pf随着水流的方向不断降低。同时原水透过膜元件不断有产水产出，进水被浓缩，原水浓度不断升高，产水侧的渗透压不断增大，净驱动力（NDP）降低。02468101214Ⅰー1Ⅰー2Ⅰー3Ⅰー4Ⅰー5Ⅰー6Ⅱー１Ⅱー２Ⅱー３Ⅱー４Ⅱー５Ⅱー６ElementpositioninvesselOperationpressure[ba024681012Osmoticpressure[baFeedPressureOsmoticPressureNDPNDP图5.7膜元件在压力容器中的位置与进水操作压力和渗透压的变化示意图5.2.8.2产水流量和产水水质在系统中的变化压力容器中的每支膜元件的性能由于所在位置的不同变化很大。如图5.8显示两段排列每支压力容器装有6支膜元件的情况，压力容器中膜元件的位置与产水量和产水水质变化的示意图。原水进入膜系统，原水透过膜元件不断有产水产出。进水被浓缩，原水浓度不断升高、渗透压增大、有效压力降低，膜元件的产水量沿着进水侧到浓水侧的顺序变小。由于原水浓度升高，产水中含盐的浓度也随之升高。操作压力，bar渗透压，bar123456789101112膜元件在压力容器中的位置图5.8膜元件在压力容器中的位置与产水量和产水水质的相关示意图5.2.8.3回收率和进水流量的变化膜元件的位置与进水流量和回收率的变化的示意图显示在图5.9中。前一支膜元件的浓水作为下一支膜元件的进水，水量不断减少，回收率不断增加，设计计算时一定要注意每段最后一支膜元件的回收率不要超过规定回收率的极限值和不要低于最小浓水流量。图5.9膜元件在压力容器中的位置与原水流量和回收率的相关示意图5.3美国海德能公司反渗透和纳滤膜元件设计指南在使用美国海德能公司的膜元件设计反渗透系统时，一般应遵循以下建议的简明导则，如需要在超过本导则规定的情况下设计和使用时，请与美国海德能公司驻华代表机构联络以便提供特殊性建议。具体产品的详细设计导请参看附录4。024681012Ⅰー1Ⅰー2Ⅰー3Ⅰー4Ⅰー5Ⅰー6Ⅱー１Ⅱー２Ⅱー３Ⅱー４Ⅱー５Ⅱー６ElementpositioninvesselFeedflowrate[m3/0.00.00.00.10.10.10.10.10.2