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反渗透工程的系统设计基础与RO海水淡化实例反渗透工艺流程的设计依据•反渗透最终用途：产品水的具体用途，它决定了为满足用户需要的水质和水量。对饮用水，通常要求满足公共卫生标准或世界卫生组织标准。然而产品的性能并不严格的要超过所需值，因为高于所需的产水量或产水水质将增加产品水的费用，产生明显的负面影响。•相关处理：在RO透过液使用前，通常需要对其作些后处理。至少，需要脱气以去除为控制结垢对进料水酸化而产生的CO2和进行pH调节，以防止下游系统发生腐蚀。预处理即垢的控制，方法有pH值的调节、缓蚀剂软化、微生物控制、氯化/脱氯，对悬浮固体、胶体、金属氧化物、有机物等的去除。•出水后处理的要求取决于应用，需按具体情况加以确定。对许多工业应用，后处理包括采用树脂除盐和紫外线消毒。对城市应用要附加pH调节、脱气及用氯消毒。•反渗透膜的选择：膜性能可受与膜本身及其构型无关的一些因素的影响，例如预处理及系统的操作与维护，然而，需根据进料水的水质及最终用途仔细考虑选择膜材料及膜构型。对于不同公司膜的选择一般根据经验，但对于国外公司的膜还是比较放心的，根据手册选用。膜•一、评价指标1、脱盐率和透盐率2、产水量（水通量）常用加仑每平方英尺每天（GFD）表示。过高的渗透流率将导致垂直于膜表面的水流速加快，加剧膜污染。3、回收率•①单位面积上透水量大，脱盐率高；②机械强度好，多孔支撑层的压实作用小；③化学稳定性好，耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀；④结构均匀，使用寿命长，性能衰降慢；⑤制膜容易，价格便宜，原料充足•反渗透高压泵选择：高压泵提供膜生产所需产水流量及水质的压力。常用泵的类型是单级、高速离心泵；柱塞泵；多级离心泵。通常单级离心泵效率最低，柱塞泵效率最高。对于小系统采用高速离心泵，对于大系统采用多级离心泵为佳。目前国产的南方泵业比较好的，丹麦格兰富泵是国际流行的、要满足膜设计的压力和流量要求。3吨设备设备流程反渗透系统主要包括系统泵、反渗透装置（反渗透膜及膜壳、机架、电控箱）、冲洗/清洗装置及中间水箱。整体设备反渗透的影响因素•反渗透膜的水通量和脱盐率是反渗透过程中关键的运行参数，这两个参数将受到压力、温度、回收率、给水含盐量、给水PH值因素的影响。•1、进水压力进水压力本身并不会影响盐透过量，但是进水压力升高使得驱动反渗透的净压力升高，使得产水量加大，同时盐透过量几乎不变，增加的产水量稀释了透过膜的盐分，降低了透盐率，提高脱盐率。当进水压力超过一定值时，由于过高的回收率，加大了浓差极化，又会导致盐透过量增加，抵消了增加的产水量，使得脱盐率不再增加。•2.、进水温度温度对反渗透的运行压力、脱盐率、压降影响最为明显。温度上升，渗透性能增加，在一定水通量下要求的净推动力减少，因此实际运行压力降低。同时溶质透过速率也随温度的升高而增加，盐透过量增加，直接表现为产品水电导率升高。温度对反渗透各段的压降也有一定的影响，温度升高，水的粘度降低，压降减少，对于反渗透膜的通道由于污堵而使湍流程度增强的装置，粘度对压降的影响更为明显。反渗透膜产水电导对进水水温的变化十分敏感，随着水温的增加，水通量也线性的增加，进水水温每升高1℃，产水通量就增加2.5％～3.0％；其原因在于透过膜的水分子粘度下降、扩散性能增强。进水水温的升高同样会导致透盐率的增加和脱盐率的下降，这主要是因为盐分透过膜的扩散速度会因温度的提高而加快。•3、进水pH值各种膜组件都有一个允许的pH值范围，进水pH值对产水量几乎没有影响；但是即使在允许范围内，PH值对脱盐率也有较大影响，一方面pH值对产品水的电导率也有一定的影响，这是因为反渗透膜本身大都带有一些活性基团，pH值可以影响膜表面的电场进而影响到离子的迁移，pH值对进水中杂质的形态有直接影响，如对可离解的有机物，其截留率随pH值的降低而下降；另一方面由于水中溶解的CO2受pH值影响较大，pH值低时以气态CO2形式存在，容易透过反渗透膜，所以pH低时脱盐率也较低，随pH升高，气态CO2转化为HCO3－和CO32－离子，脱盐率也逐渐上升，pH在7.5～8.5之间时，脱盐率达到最高。•4、进水盐浓度渗透压是水中所含盐分或有机物浓度的函数，含盐量越高渗透压也增加，进水压力不变的情况下，净压力将减小，产水量降低。透盐率正比于反渗透膜正反两侧盐浓度差，进水含盐量越高，浓度差也越大，透盐率上升，从而导致脱盐率下降。对同一系统来说，给水含盐量不同，其运行压力和产品水电导率也有差别，给水含盐量每增加l00ppm，进水压力需增加约0.007MPa，同时由于浓度的增加，产品水电导率也相应的增加。•5、悬浮物水中的悬浮物就是指在水滤过的同时，在过滤材料表面残留下的物质，以粒子成分为主体。悬浮物含量高会导致反渗透和纳滤系统很快发生严重堵塞，影响系统的产水量和产水水质。•6、回收率回收率对各段压降有很大的影响，在进水总流量保持一定的条件下，回收率增加，由于流经反渗透高压侧的浓水流量减少，总压降降低，回收率减少，总压降增大，实际运行表明，回收率即使变化很小，如1%，也会使总压差产生0.02MPa左右的变化。回收率对产品水电导率的影响取决于盐透过量和产品水量，一般说来，系统回收率增大，会增加浓水中的含盐量，并相应增加产品水的电导率。反渗透膜元件的指标离散特性•如果系统设计目标是脱盐率最高或是膜通量比最小，通过技术指标差异膜元件组的最佳排列，可以使系统运行指标得到一定程度的提高。而元件的随机排列将可能使系统调试及运行指标恶化“膜元件之间技术指标的差异越大，系统运行调试指标可优化调整的潜力越大。膜位置与净化关系反渗透电控装置反渗透水处理变频控制系统工作原理•水处理控制系统中，水流量的调节是在整个系统控制的一个主要内容，水量准确的调节可以提高生产的效益和设备的安全性。本系统中，水泵电机是输出环节，转速由变频器控制，实现变流量控制。变频器接受控制器的信号对水泵电机进行速度控制，控制器综合流量设定参考值与现场反馈的实际流量值信号后，经过PID调节，向变频器输出运转频率指令。反渗透水处理变频控制系统集成反渗透水处理变频控制系统组成如下图所示,系统控制核心选用西门子S7-400PLC，变频器选用MM420涉及到的模块有：SM321-1BL00，32路DI模块(DC24V)；SM322-1BL00，32路DO模块(DC24V)；SM331-1KF01，8路AI模块；SM332-5HF00，8路AO模块。工程师站与PLC通讯选用通讯卡CP5611。反渗透系统常见形式一级一段连续式single-stagesingle-part一级一段循环式一级多段连续式一级多段循环式多级流程一级一段连续式这种方式要求膜的溶质截留率高，操作压力大，否则，水的回收率不高，在工业生产中较少采用。一级一段循环式为了提高水的回收率，将部分浓缩液返回进料，再次经过膜分离器分离，这种流程由于进料液溶质浓度提高，所以透过的水质有所下降。一级多段连续式如图4-14所示，这种流程可以得到较高的水回收率，较高浓度的浓缩液，但流动压力损失较大，有时需要高压泵。考虑到各段的料液量依次减小，为了保证原料液流经膜表面有足够大的速度，减少浓差极化，多采用4-14(b)所示的一级多段连续式的锥形排列。一级多段连续式在一级多段中可以达到更高的水回收率和浓缩水浓度，这要求更高的高压泵，以保证后段膜的工作压力。考虑保证足够的给水量以减少后段膜的极化现象。多采用4-14(b)所示的一级多段连续式的锥形排列。图4-14一级多段连续式流程一级多段循环式这种流程能获得较高浓度的浓缩液，更适于以浓缩为目的分离过程。一级多段循环式当用反渗透作为浓缩过程时，一次浓缩达不到要求时，可以采用这种多步式方式，这种方式浓缩液体体积可减少而浓度提高，产水量相应加大。多级流程多级流程亦有连续式与循环式之分，这一类流程既可提高水的回收率又可提高淡化水的质量，而且可降低操作压力，降低对膜的脱盐性能的要求，在实际应用中有较高的价值，但是该类流程增大了能量消耗及泵的设备投资。图4-16(a)(b)分别为二级和多级反渗透流程。•3、两级一段法•当海水除盐率要求把NaCl从35000mg/L降至500mg/L时，则要求除盐率高达98.6％如一级达不到时，可分为两步进行。即第一步先除去NaCl90％，而第二步再从第一步出水中去除NaCl89％，即可达到要求。如果膜的除盐率低，而水的渗透性又高时，采用两步法比较经济，同时在低压低浓度下运行时，可提高膜的使用寿命。多级流程•4、多级反渗透流程•在此流程中，将第一级浓缩液作为第二级的供料液，而第二级浓缩液再作为下一级的供料液，此时由于各级透过水都向体外直接排出，所以随着级数增加水的回收率上升，浓缩液体体积减少浓度上升。为了保证液体的一定流速，同时控制浓差极化，膜组件数目应逐渐减少。电厂海水淡化工程2001年2月18日投产了日产2500吨发电厂---公开的数据基本流程•海水淡化系分为预处理系统、一级反渗透系统、二级反渗透系统。•一级反渗透系统出水电导率平均在350μs/cm,二级反渗透系统出水电导率平均在5μs/cm,为了达到锅炉用水的质量标准,还需对二级反渗透出水经混床离子交换处理,达到小于0.2μs/cm的水质标准。工艺流程及出水指标•海水取水泵→加NaClO系统→加PAC、PAM系统→多介质过滤器→活性碳过滤器→加亚硫酸氢钠、阻垢剂系统→5微米过滤器→一级高压泵→一级反渗透→一级淡化水池→二级高压泵→二级反渗透→除炭器→二级淡化水池•淡水反冲洗泵•化学清洗系统反渗透出水指标为•一级反渗透出水:电导率在230～380μs/cm,脱盐率≥99.3%,产水量:2×52m3/h,回收率为40%。•二级反渗透出水:电导率在3.5～8μs/cm,脱盐率≥98%,产水量:2×40m3/h,回收率为75%。海水取水系统•该系统配置3台耐海水腐蚀的取水泵,考虑到海水温度随季节而变化和反渗透膜运行的最佳温度为25℃,因此3台取水泵安装在不同的取水口。•1号取水泵水源来自一期机组循环水泵房。2、3号取水泵水源分别来自2、3号机组凝汽器排水。一级加药系统•包括电解海水制氯、聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)三个加药系统。电解海水制氯是通过电解天然海水,使海水中含有一定浓度的次氯酸钠(药液),利用加药泵将药液加入取水泵出口母管上,以消除预处理海水中的细菌、藻类等微生物。加药量是通过调节电解电流来维持多介质过滤器进水有效氯浓度为1mg/L左右。•加PAC、PAM是为了将海水中的悬浮物、胶体、颗粒凝聚长大,通过过滤除去。PAC、PAM加药量的控制是根据进水流量自动调节加药泵频率的比例调节方式进过滤系统•为了保证反渗透系统污染指数(SDI)小于等于4,系统设置六台(五用一备)多介质过滤器(石英沙和无烟煤)和四台(三用一备)活性炭过滤器。•污染指数:也可称为淤泥密度指数SDI。它主要是检测水中胶体和悬浮物等微粒的多少,是测定在一定压力和标准间隔时间内,一定体积的水样通过微孔过滤器(0.45μm)的阻塞率。多介质过滤器•进水总流量为300m3/h,它可以滤除经预处理加药后所形成的矾花和原水带来的颗粒。活性炭过滤器用以吸附双滤料过滤器出水中的有机物和余氯,同时进一步降低反渗透系统进水的SDI值。多介质过滤器的反洗设空气擦洗,可以提高反洗效果,擦洗气源为罗茨风机提供。过滤器的反洗用水为多介质过滤器产水经反洗水箱收集所得。二级加药系统•二级加药的目的是保护反渗透膜,防止膜结垢和受余氯的氧化。它包括加NaHSO3和加阻垢剂。•(1)加NaHSO3还原剂的目的是去除活性炭过滤器出水的余氯,以防止其进入反渗透装置内,氧化反渗透膜。NaHSO3的加药量控制是根据进水量自动调节加药泵频率的比例调节方式进行。加药泵采用一用一备的方式运行。二级加药系统•加阻垢剂的目的是防止浓水中的杂质在膜上结垢,采用的阻垢剂是一种分散型隐蔽药剂,它可以对堵塞膜微孔的铁胶体以及细小的颗粒起到分散的作用。阻垢剂的加药控制是根据进水流量自动调节加药泵频率的比例调节方式进行。一级反渗透系统•一级反渗透系