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1、10t/h纯水水处理系统设计方案2012年7月15日目 录一、 系统设计概况二、 设备设计制作安装与采用规范及标准三、 设备技术参数四、 技术要求和规范标准五、 电气及控制部分技术规范六、 质量保证措施体系七、 包装运输和保存八、 供货清单 一、系统设计概况1.1前言 本工艺流程及设备是为生产提供合格的反渗透水。该系统由预处理系统、脱盐系统、辅助加药系统以及监测控制系统所组成，包括所有工艺系统内部设备、与系统内部设备相关联的工艺管道、阀门、电气、自控、仪表、电缆、桥架和必需的附件等设计、供货、安装，以及系统调试和技术服务均由乙方负责。为达到目标水质，使系统稳定运行。工艺设备设计要求如下： 系统
2、出水：10m3/h系统配制：本系统配置RO系统，出力为10m3/h，包括多介质过滤器、保安过滤器、RO装置、RO清洗装置、RO加药装置等组成。1.2本方案系统说明： 反渗透水系统回收率 75-80%反渗透一年后脱盐率 98%反渗透三年后脱盐率为 95%其他涉及的设计基础条件将在技术讨论中确定。2.3系统对外界的要求进 水 管：进水管由用户接至原水箱离入口处1米。出 水 管：用户按我方要求接至脱盐水出口墙外1米。药 品：调试过程中的所用化学消耗口由用户提供。供 电：根据我方的容量，由用户提供动力电源送至我方的动力配电柜上。本系统工程仪控系统为交钥匙工程，包括一次仪表安装辅材及控制系统安装调试电缆
3、、电缆桥架的供应和安装。3工艺说明所涉及的工艺流程是以用户提供的当地水质为依据，并结合我公司工程实际经验设计、生产，主要零配件采用进口元件，以确保产品质量，满足用户的要求，使设备能长期运行，安全可靠。系统包括：原水箱，原水泵，多介质过滤器，保安过滤器，高压泵，电动慢开阀，反渗透脱盐装置，控制仪表，反渗透加药系统等。3.1 原水箱和原水泵原水箱用来贮存进入本系统的原水，其目的是为了调节进水流量的变化，防止进水波动对系统运行的影响，保证系统的进水稳定。同时为后续水处理提供稳定的压力和水量。 3.3多介质除铁除锰过滤器3.3.1过滤概述 由于进水中含有悬浮固体，因此需要采用过滤的方法来降低水中的悬浮
4、固体，这是保证后续工艺（包括反渗透、离子交换等）稳定运行的核心工艺。在重力和压力差作用下，水通过多孔材料层的孔道，而悬浮物被截留在介质上的过程，称为过滤。用于过滤的多孔材料称为滤料或过滤介质。过滤设备中堆积的滤料层称为滤层或滤床。装填粒状滤料的钢筋混凝土构筑物称为滤池；装填粒状填料的钢制设备称为过滤器，运行时相对压力大于零的过滤器又称机械过滤器。悬浮杂质在滤床表面表面截留的过滤称为表面过滤，而在滤床内部截留的过滤称为深层过滤或滤床过滤。过滤设备通常位于沉淀池或澄清池之后，进水浊度一般在15NTU以下，滤出水浊度一般在3NTU以下。当原水浊度在50NTU以下，可采用原水直接过滤或接触混凝过滤。接
5、触混凝过滤是指过滤器进水中加入了混凝剂的过滤方式（如果进水水质过差，也可加入氧化剂提高混凝效果）。有的水源，虽然悬浮物含量较低（如低于5mg/L），但是为了除铁、除锰，常用接触混凝过滤。过滤不仅可以降低水的浊度，而且随浊度的降低可同时去除水中的有机物等。此外过滤还可以出去部分微生物（细菌或病毒），这可以提高滤出水的质量和消毒。“过滤”和“反洗”是过滤设备两个基本的操作，过滤设备的运行实际上就是“过滤-反洗-过滤-反洗.”周二复始。3.3.2过滤介质（颗粒滤料）的性能3.3.2.1滤料的粒度滤料的粒度（又称滤料的级配）包括滤料的粗细和大小的分散程度两个方面。而滤料的粗细通过滤料的粒径表示；而滤料
6、的大小分散程度通过滤料的不均匀系数表示。1)粒径滤料颗粒大小必须合适。粒径过小，测水流阻力大，过滤时滤层中水头损失增加快，过滤周期短；反之，如果粒径过大，细小悬浮物容易穿过滤层，出水水质差，而且反洗时滤层不能充分松动，反洗不彻底。2）不均匀系数不均匀系数反映了滤料的大小分布，国内一般用K80表示，定义为80%质量的滤料能通过的筛孔孔径d80与有效粒径d10的比值，即k80=d80/d10。不均匀系数k80不应该超过2.0，否则反洗流量不易控制和滤层不同深度处孔隙率差别太大，这都对过滤不利。3.3.2.2滤料（粒状滤料）的机械性能粒状滤料应当有足够的机械强度，因为在反洗过程中，处于流态化的滤料颗
7、粒之间会不断碰撞和摩擦，强度低的滤料容易破碎，而破碎的细小滤料会增加滤层阻力，使得过滤周期缩短。常用磨损率和破损率来表征滤料的机械强度。测定方法是：将一定质量粒径大于0.5mm的洁净干燥滤料置于含钢珠的振荡机内振荡一定时间后，粒径小于0.25mm和粒径介于0.25-0.5mm的滤料的质量与样品总质量比值的百分数分别成为磨损率和破损率。具体测定步骤参见标准CJ/T43-2005水处理用滤料。水处理中要求石英砂和无烟煤滤料的磨损率和破损率之和小于2%。3.3.2.3 滤料的化学稳定性滤料必须化学稳定，以免污染水质。一般，石英砂在中性、酸性介质中比较稳定，在碱性介质中有溶解现象；无烟煤在酸性、中性和
8、碱性介质中都比较稳定。因此，当过滤碱性水（如石灰处理后的水）时，不能用石英砂，而宜用无烟煤或大理石。DL/T5190.4-2004电力建设施工及验收技术规范第4部分：电厂化学对滤料化学稳定性的规定是：对于石英砂和无烟煤，应进行酸性（400mg/L的HCl）、碱性（400mg/L的NaOH）和中性（500mg/L的NaCl）溶液的化学稳定性试验。对于大理石，应进行中性和碱性溶液的化学稳定性试验。称取10g滤料（粒径为0.5-1.2mm），在20度条件下用上述溶液浸泡24h，要求溶液的全固形物的增加量不超过20mg/L，二氧化硅的增加量不超过2mg/L。CJ/T43-2005水处理用滤料规定盐酸（
9、1+1）可溶率表征滤料化学稳定性，要求石英砂和无烟煤滤料的盐酸可溶率小于3.5%。3.3.2.4粒状滤料床层1）滤层厚度滤层厚度是指在滤料在过滤设备中的堆积高度。过滤时，达到某规定水质所需要的滤层厚度，称悬浮杂质的穿透深度。穿透深度加上一定安全因素的厚度（如增加400mm）即为滤层的设计厚度。研究结果表明，穿透深度与滤速的1.56次方和滤料粒径的2.46次方的乘积成正比。因此滤速或滤料粒径太大，细小悬浮物容易穿透滤层，出水水质差。不过，滤速和粒径不能太小，因为杂质的穿透能力差，滤层中的污泥局部集中，滤层堵塞快，水流阻力大，过滤能耗高，过滤周期短。所以滤速和滤料粒径必须合适。2）孔隙率滤层的孔隙
10、，即滤料之间的空隙。孔隙率表征单位堆积体积滤料层中空隙的体积。滤层的孔隙率与滤料颗粒形状、粗细程度、堆积时的松密程度有关。均径的球状颗粒层，孔隙率在0.26-0.48之间；非均径颗粒床层，因小颗粒可以嵌入大颗粒之间的孔隙中，孔隙率减少。颗粒越带棱角，越偏离球型，测孔隙率越大，甚至高达0.6以上。一般，石英砂滤料层的孔隙率在0.38-0.43之间。滤层的孔隙率既是水流通道，又是贮泥空间。过大的孔隙率，悬浮杂质易穿透；过小的孔隙率，则贮泥空间小，过滤周期短，水流阻力大。虽然孔隙率对过滤有影响，但是目前人们还不能像控制颗粒粒度和层高那样自由选择孔隙率使之最佳，一般任其自然。3）滤床中滤料的排列单层滤
11、料滤床在水流反冲洗后，由于水力分级作用，呈现上层滤料粒径小、滤层孔隙率小，下层滤料粒径大，孔隙率大的层态。水流自上而下地在滤层孔隙间行进过程中，杂质首先接触到的是截污能力最强的上层滤饼层，大颗粒悬浮物最先被除去，剩下一些小颗粒悬浮物被输送到下一层。由于下层滤料比上一层粒径大，其截留能力不及上一层，故需要比较厚的一层滤料去拦截这些微小悬浮物，越往下层，这种现象愈加明显。从整体上看，这种过滤方式是用截污能力最强的细滤料去拦截水中的最容易除去的大颗粒杂质，用截污能力最弱的粗颗粒去拦截水中最难去除的小颗粒杂质，也就是说沿着水流方向滤床截污能力由强到弱的变化与水中杂质先易后难的分级筛除很不适应。所以这种
12、滤床出水水质差，过滤周期短。这种过滤事实上会造成污泥绝大部分堆积在上层，导致局部阻力增长很快，因而总的水头损失大。从上面的分析可知，单层滤料向下流过滤的固有缺陷是沿过滤水流方向滤料颗粒由小达到排列。消除这一缺陷有两条途径：一是改变水流方向，让水自下通过滤料层，即采用向上流过率滤；而是用多层过滤，即通过选择密度不同的两种或三种滤料，做到反冲洗后轻而粗的滤料在上层，细而重的滤料在下层，形成上粗下细的较佳排列。多层滤料过滤器中每种滤料装填一定高度形成一层，各层叠加，共同构成滤床。多层滤床客观上受滤料种类的限制，不可能装填无限层，现已用于生产实际的只有双层滤床和三层滤床3.3.3 过滤原理3.3.3.
13、1截污原理在过滤过程中，滤床中滤料颗粒间的空隙构成水流通道，水进入滤床后就在弯曲的空隙间流动。滤层的孔隙分布很像一个网，整个滤层就是有许多筛网层层叠加而成的，形成拦截水中悬浮杂质的屏障。这种筛孔不是普通的筛孔，它既能机械的筛除比孔眼大的杂质，又能吸附比孔眼小的部分杂质不让其通过，剩余的比孔眼小的杂质会被输送到下游，由下层滤料滤除，最后只剩下少量微小杂质残留在出水中。原水杂质是随水在滤层流动过程中被滤料筛除或吸附的。滤床中滤料的截污机理比较复杂，一般认为包括迁移、黏附和剥落三个过程。迁移过程是指滤层孔隙水中悬浮杂质运动到滤料表面上，这一过程也称为输送过程、碰撞过程；黏附过程是指滤料对其表面处的悬
14、浮杂质的粘合，这一过程又称为吸附过程或吸着过程；剥落过程是指水流剪切力将已经黏附的杂质从滤料表面剥落下来的过程。3.3.3.2过滤过程在过滤过程中，水中的悬浮物被滤床截留，随着滤层中杂质截留量的增加，水流流过滤层的水头损失也相应增加，当水头损失增加到一定程度以致产水流量或出水水质到不到要求时，过滤设备就要停止过滤实施反洗，清除滤层中的污泥，恢复滤料过滤能力。从过滤开始到反冲洗结束这一阶段的实际工作时间称为过滤周期。实际工作时间是过滤运行的有效时间，不包括停运所占用的时间。过滤周期由滤床特性、原水水质、过滤流速等因素决定。一般工作周期为12-24小时。过滤器的产水量取决于滤速（以m/h计算），滤
15、速相当于滤池负荷。滤池负荷以单位时间单位过滤面积上的过滤水量计，单位m3/m2.h或m/h。当进水浊度在15NTU以下时，单层过滤设备的滤速为8-10m/h，双层过滤设备的滤速为10-14m/h，三层过滤设备的滤速为18-20m/h。3.3.4过滤设备的反冲洗 反冲洗简称反洗，冲洗，因水流方向与过滤的水流方向相反，故称反洗3.3.4.1冲洗方式反冲洗可以采用水冲洗或空气辅助擦洗的方式。水冲洗是让冲洗水以比较大的流速沿着与过滤方向相反的通过滤层，使滤料呈悬浮状态，利用水流剪切力和滤料间的碰撞摩擦作用，将滤层截留的杂质剥落下来，随水排出；空气辅助冲洗则是采用空气和水交替或混合进行清洗，空气从滤料间
16、隙穿过，促使孔隙膨胀，造成滤料颗粒的升落、旋转、碰撞和摩擦，使附着的杂质脱落后随水排出。3.3.4.2反冲洗原理反冲洗造成滤料洁净的主要原因是水流剪切作用和滤料间碰撞摩擦作用：1）剪切作用。剪切力与冲洗流速和滤层膨胀率有关，冲洗流速过小，水流剪切力亦小；冲洗流速大，滤层膨胀率过大，剪切力也会减少。2）碰撞摩擦作用。反冲洗时颗粒间碰撞摩擦频率和冲量也与滤层膨胀率有关。膨胀率过大，滤料间颗粒之间距离太大，碰撞机会和冲量总和减少；膨胀率过小，水流紊动强度或扰动强度过小，同样也会导致碰撞频率和冲量下降。兼顾剪切力和摩擦力，目前推荐使用的膨胀率约为50%3.3.4.3反冲洗条件的控制反冲洗对过滤运行至关
17、重要，如果反冲洗强度获知冲洗时间不够，则滤层中的污泥得不到及时清除，当污泥累积较多时，滤料和污泥黏结在一起变成泥球甚至泥毯，过滤过程严重恶化；如果反冲洗强度过大或历时过长，则细小滤料流失，甚至底部承托层（鹅卵石）错动引起漏滤料现象，而且耗水量也必然增大。因此反冲洗的关键是控制合适的反冲洗强度（或膨胀率）和适当的冲洗时间。1）反洗膨胀率膨胀率用反冲洗时滤层增加的厚度与滤层原厚度比值的百分数表示。通常单层或双层过滤设备的反洗膨胀率为45-50%，三层过滤设备的膨胀率为55%。2）冲洗强度反冲洗时，单位时间单位过滤截面积上反冲洗水量，称反冲洗强度。反洗强度取决于滤料的粒度和密度，当要求的膨胀率一定时
18、，滤料越粗和密度越大，需要的反洗强度也越大。膨胀率和反洗强度是从两个不同角度表示同一反冲洗强弱程度的指标，膨胀率是用滤床流态化程度表示冲洗强弱的，而冲洗强度则是以反冲洗流速大小表示反冲洗强弱的。因此生产中可用其中一个指标作为控制的依据。3)反洗时间滤床反冲洗时，即使冲洗强度符合要求，若冲洗时间不足，也不能洗净滤料。反冲洗时间可通过试验确定。由于反洗的难易与污泥的附着力大小有关，故实际工作中应根据具体情况选择合适的反洗方式和条件。另外一般水冲洗的控制条件见下表表 水冲洗的控制条件滤层方式冲洗强度反洗时间L/m2.hmin重力式过滤无烟煤105-10石英砂12-155-10无烟煤 石英砂13-16
19、5-10无烟煤 石英砂 重质矿石16-185-10压力式过滤细石英砂10-1210-15石英砂12-155-10无烟煤10-125-10无烟煤 石英砂13-165-10无烟煤 石英砂 重质矿石16-185-10多介质除铁除锰过滤器是反渗透系统的重要预处理装置，本系统采用我公司针对我国地表水水质的特点而专门设计的多介质过滤器，它的作用是滤除原水带来的铁、锰、细小颗粒、悬浮物、胶体等杂质。 3.4活性炭过滤器经过前级处理后，进水中通常含有的尘土，腐植质，淀粉，纤维素以及菌群、藻类等微生物，经处理后都可以达到RO的进水标准，但由于取水水源为地表水，随着环境的恶化，地表水中的一些溶解性的有机物质及有毒
20、物质经简单的净水处理后无法去除，为防止污染后级系统，因此设置活性炭吸附器，利用活性炭的超强吸附能力，以去除水中的有机有毒物质及吸附水中由于消毒而产生的活性余氯，以满足离子交换进水的要求。本系统采用活性炭过滤器1台，具有以下特性：(1)可有效去除原水中的有机物、活性余氯等；(2)布水均匀，以达到最佳过滤吸附效果；(3)反洗能力强、时间短、水耗低；(4)运行周期不低于72h，可反洗；(5)采用优质滤料及优化级配，不可出现反洗乱层的情况。(6)采用性能优良的阀组件。活性炭过滤器定期清洗。3.5阻垢剂加药系统和还原剂加药系统3.8.1阻垢剂加药系统阻垢剂加在进入反渗透之前的保安过滤器进水口前，以防止反
21、渗透浓水侧产生碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶及其它结垢。判断碳酸盐垢以朗格里指数（LSI）为基准：当LSI0时结垢。判断硫酸盐垢从浓度积Ksp为基准：当反渗透浓水中离子积IPbKsp时，硫酸盐垢从溶液中析出沉淀；当IPbKsp时，硫酸盐溶液为不饱和溶液，无沉淀析出。本系统选用美国进口阻垢剂，它可以提高水中的难溶物质的饱和液，同时具有以下功能： 抑制析出作用分散作用晶格扭曲作用络合作用具体能力表现如下（在浓水中）：LSI可以由负值提高至3.0CaSO4在浓水中可达到4倍浓度积BaSO4在浓水可达120倍溶度积SrSO4在浓水中可达120倍浓度积CaF2在浓水中可达120倍浓度积SiO2在浓水中可
22、达2倍溶度积3.8.2 还原剂加药系统 由于反渗透膜对进水余氯含量有要求，为了防止余氯的氧化作用破坏反渗透膜，系统中配有还原剂加药装置，通过投加亚硫酸氢钠还原水中的余氯，保护反渗透膜。3.6保安过滤器保安过滤器的作用是截留原水带来的大于5m的颗粒，以防止其进入反渗透系统，堵塞膜通道及膜面上。当过滤器压差达到设定值（通常为0.1Mpa），滤芯须更换，同时当过滤器运行超过一定时间（一般为23个月左右）时也须更换滤芯，以防止滤芯生长细菌，从而污染反渗透膜。保安过滤器属于精密过滤器，其工作原理是利用PP滤芯5m的孔隙进行机械过滤。水中残存的微量悬浮颗粒、胶体、微生物等，被截留或吸附在滤芯表面和孔隙中。
23、随着制水时间的增长，滤芯因截留物的污染，其运行阻力逐渐上升，当运行至进出口水压差达0.1MPa时，应更换滤芯。保安过滤器的主要优点是效率高、阻力小、便于更换。保安过滤器进水管上设放空阀，同时结构上满足快速更换滤芯的要求。3.7高压泵根据反渗透本身的特性，需有一定的推动力克服渗透压等阻力，才能保证达到设计的产水量。高压泵的作用是为反渗透本体装置提供足够的进水压力，保证反渗透膜的正常运行。根据反渗透的配置，经专用软件计算后，设计温度15，要求提供的进水压力不小于1.50Mpa的不锈钢高压泵。 3.8反渗透系统3.8.1反渗透膜与膜过程 膜在自然界中是广泛存在的，尤其在生物体内。但是人类首次注意到由
24、生物膜引起的渗透现象是在1748年，法国学者Abbe Nollet（1700 1770）很偶然的发现包裹在猪膀胱里的水可以自己扩散到膀胱外侧的酒精溶液中。法国植物学家Henri Dutrochet（1776 1847）在1827年提出了Osmosis（渗透）一词来定义Abbe Nollet发现的现象。但是，这一现象并未能引起足够的重视，直到1854年英国科学家Thomas Graham（1805 1869）在实验中发现，放置在半透膜一侧的晶体会比胶体更快的扩散到另一侧，并提出了Dialysis（透析）的概念。这时人们才对半透膜产生了兴趣，并由德国生物化学家Moritz Traube（1826
25、1894）在1864年制造出了人类历史上第一张人造膜亚铁氰化铜膜。完整的渗透压理论直到20世纪才由荷兰物理化学家Vant Hoff（1852 1911）提出。后来，随着各个学科的不断发展，膜分离现象也不断为人们发现并研究。1960年，人类终于实现了从苦咸水中制取淡水的梦想，工作于美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的科学家Sidney Loeb（1917 ）和Srinivasa Sourirajan（1923 ）共同研制出世界第一张非对称醋酸纤维素反渗透膜。从那时起的近半个世纪以来，膜分离技术，包括反渗透和纳滤，在世界范围得到了广泛的发展和应用。下表 列出了膜分离技术发展简史。表 膜分离技
26、术发展史年代科学家成就1748Abbe Nollet发现渗透现象1827Henri Dutrochet引入名词Osmosis1855Firch扩散定律1864Moritz Traube第一张人造膜亚铁氰化铜膜1870 1920Preffer, Vant Hoff渗透压力定律1917Kober引入名词Pervaporation（渗透汽化）1920Mangold, Michaels, Mobain用赛璐珞和硝化纤维素膜观察到反渗透现象1930Teorell, Meyer, Sievers膜电势电渗析和膜电极的基础1950Juda, Mcrae发明了电渗析1960Loeb, Sourirajan相转
27、化法制出反渗透非对称膜1968N.N.Li发明液膜 随着膜材料、制膜方法以及膜应用的不断发展，膜分离技术逐渐成为分离技术大家族中的重要成员。与传统的分离技术（例如：过滤、蒸馏、萃取、电泳和层析等）相比，膜分离技术的分离精度高、易于操作和管理、在应用中对环境造成的二次污染小。正是由于这些优点，膜分离技术在短短的半个世纪中就发展成为一种重要的单元分离工艺，并且发展出若干具有不同特点和应用领域的膜分离过程。主要的膜分离过程包括：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、透析（DA）、电渗析（ED）、电脱盐（EDI）、渗透汽化（PV）、膜萃取（ME）、膜蒸馏（MD）、液膜技术（LM）和
28、气体分离（GS）等。下表将主要的膜分离过程做了分类和介绍。按照这些膜分离过程所能分离物质的不同物理尺寸，我们可以画出分离谱图，如下图 表 主要的膜分离过程膜过程驱动力用途微滤压力差分离液体中的大颗粒物质超滤压力差分离液体中的颗粒和溶解的大分子物质纳滤压力差脱除水中的硬度和小分子有机物反渗透压力差脱除水中的盐分透析浓度差脱除溶液中的盐分及小分子物质电渗析电位差脱除水中的盐分渗透汽化浓度差脱除液体中的有机物气体分离浓度差分离、制备高纯度气体10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 m1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 2 000 5 000 1 m
29、2 5 10 m孔径分离对象分离方法H2O2CO2H2OCl-OH-H+Ca2+ Mg2+卵清蛋白蔗糖病毒各种胶体油乳化液乳胶大肠杆菌葡萄球菌一般过滤微 滤 （MF）超 滤 （UF）透析（DA）渗透汽化（PV）气体分离（GS）纳滤（NF）反渗透（RO）电渗析（ED）3.8.2反渗透和纳滤基本原理当一张半透膜隔开溶液与纯溶剂时，加在溶液上并使其恰好能阻止纯溶剂进入溶液的额外压力称之为渗透压，通常溶液中溶质的浓度越高渗透压就越大。当溶液一侧没有加压时，纯溶剂会通过半透膜向溶液一侧扩散，这一现象称为渗透（Osmosis）。反之，如果加在溶液侧所加压力超过了渗透压，则反而可以使溶液中的溶剂向纯溶剂一侧
30、流动，这个过程就叫做反渗透（Reverse Osmosis），如下图所示。反渗透膜分离技术就是利用反渗透原理分离溶质和溶剂的方法。反渗透膜分离技术具有以下特点：l 在常温不发生相变化的条件下，可以对溶质和水进行分离，适用于对热敏感物质的分离、浓缩，并且与有相变化的分离方法相比，能耗较低；l 杂质去除范围广，不仅可以去除溶解的无机盐类，而且还可以去除各类有机物杂质；l 脱盐率高；l 由于只是利用压力作为膜分离的推动力，因此分离装置简单，易操作、控制和维护；l 反渗透膜对进水水质有一定的要求，如：浊度、污染密度指数（SDI15和余氯等。盐水纯水盐水纯水（a）渗透（b）渗透平衡（c）反渗透盐水纯水渗
31、透压半透膜半透膜半透膜大于渗透压的压力图 反渗透的原理纳滤膜元件最早被称为疏松反渗透，其截留特性介于超滤与反渗透之间，大约为100 1 000 道尔顿（Daltons）。因此，纳滤膜元件对水中溶解的小分子有机物，例如：三卤甲烷（THM）有很高的脱除率；同时纳滤膜元件对水溶液中的离子也有一定的脱除率（一般在10 90 %之间）。反渗透膜的发展分为两个阶段：非对称膜和复合膜。在反渗透膜发展的早期，主要的膜材料为三醋酸纤维素（CA）。这种膜材料对进水pH值的要求比较严格（一般在4 6之间），且工作压力相对较高、脱盐率相对较低，但是其具有耐生物污染和耐氧化性杀菌剂的优点。近年来，随着高分子材料科学的不
32、断发展。脱盐率更高、水通量更大、工作压力更低的芳香聚酰胺被用来制备反渗透膜。与CA非对称膜不同的是，芳香聚酰胺反渗透膜是复合膜，即分离层与支撑层不是同一种材料，并且是通过界面聚合交联在一起的。芳香聚酰胺复合反渗透膜不但具有高脱盐率、大水通量以及低运行压力等优点，由于其分离皮层是经过后聚合而成，因此可以人为控制分离皮层的特征，从而达到制备不同用途反渗透膜的要求。其实纳滤膜也正是这样诞生的。 反渗透脱盐的机理到目前还没有一个公认的统一解释。目前存在两种主要理论：毛细孔流模型和溶解扩散模型。毛细孔流理论认为水分子在膜表面形成纯水层，而膜上存在非常细小的孔，纯水可以通过这些孔透过膜；而溶解扩散理论认为
33、水分子可以通过膜中的分子节点扩散到另一侧。这两个理论都认为水分子在固液界面上被优先吸附并通过，相反盐类和其他的物质被截留。水与膜表面之间有弱的化学结合力，使得水能够在膜的结构中扩散。膜的物理和化学性质决定了在传递过程中水比盐具有更快的扩散速率。水在膜中的透过量（即产水量）可以由下式确定。 式中：Qw 水的透过量；P 膜两侧压力差； 膜两侧的渗透压差；Kw 膜的纯水渗透系数；S 膜面积；d 膜分离层的厚度。上式通常可以被简化为： 式中：A 膜的水透过常数；NDP 净驱动力（Net Drive Pressure，缩写：NDP）。 上两式中的 Kw 和 A 两个常数是与膜和温度相关的常数。同样，盐在
34、反渗透和纳滤膜中也会有部分透过膜，而盐在膜中的透过量可以使用下式来描述： 式中：Qs 膜的透盐量；Ks 膜的盐渗透系数；C 膜两侧盐浓度差；S 为膜面积；d 为膜厚度。该方程可简化为： 式中：B 膜的盐透过常数；C 盐浓度差（盐的扩散驱动力）。 可以看出，对于一个已知的平膜来说： 膜的水通量与总驱动压力差成正比； 膜的透盐量与膜两侧的浓度差成正比，与操作压力无关。3.11.3影响膜性能的主要因素纳滤和反渗透膜的性能主要由水通量（透过速度）和脱盐率（分离效果）来决定。水通量和脱盐率受操作压力、浓度、温度、流量、pH值以及回收率等因素的影响。1）操作压力的影响水通量的增加与压力成正比。理论上说，如
35、果为了得到足够产水量，在不增加膜面积的情况下，只需要增加进水的压力即可。但是在实际的运行中，这必然带来能源的大量消耗。因此选择适当的膜元件数量（膜面积）才是经济的。脱盐率同样和压力成正比，但是不同用途膜元件的脱盐率随压力的变化趋势是不同的。原则上说，膜元件的分离层越致密，脱盐率随操作压力的正比变化越不显著，这时脱盐率基本保持一个定值（例如：海水淡化反渗透膜元件SWC系列），当膜元件的分离层比较疏松时，操作压力对于脱盐率的影响较大。2）给水流量的影响给水流量对产水量和脱盐率同样存在影响，只是这种影响比较缓和，并不剧烈。3）给水含盐量的影响在一定的压力下，当给水中的含盐量增高时产水量就会减少。这是
36、因为给水的渗透压变高，有效压力随之降低的缘故。脱盐率受含盐量影响也非常大，对除海水淡化膜以外的反渗透膜来说，通常当含盐量增高时脱盐率会下降。当进水含盐量在非常的一个范围时，随着含盐量的增加，脱盐率会稍许增加。海水淡化反渗透膜元件不同，由于海水淡化反渗透膜更加致密，在给水含盐量高时，脱盐率会下降得非常缓慢。4）温度的影响温度对脱盐率和产水量的影响非常大。对全部类型的反渗透膜元件来说，当温度升高时，由于水的粘度降低，产水量也随之增加。通常在相同的压力下，温度每上升或下降1 ，产水量可增大或降低3 4 %。另一方面温度对于脱盐率的影响根据膜材质的不同而表现的大相径庭。一般来讲温度增高脱盐率降低。这是
37、由于当温度上升时，盐的扩散速度就会增大。5）回收率的影响回收率是指产水量和进水流量的比值。在压力一定时，回收率提高，膜表面的浓差极化现象也更加严重，有效压力则相对减小，这导致产水量下降，脱盐率降低。反渗透系统在设计和调试时，选择回收率的确定与原水水质密切相关。回收率增高，溶解于溶液中的盐会更加接近饱和状态，有可能析出后在膜表面沉淀并结垢，会对膜性能带来很大的危害。6）pH值的影响pH值对纳滤和反渗透膜元件的影响有两个方面： 正常运行时对脱盐率的影响； 清洗时不同pH值的清洗效果以及清洗时pH值的范围。对于第一点来说：正常运行时的pH值应该接近中性，即pH值7左右。这是由两个因素决定的： 反渗透
38、膜在pH值7.5 7.8时脱盐率最高，由透盐率随pH值的变化曲线图所示。 碳酸盐体系的平衡关系。我们都知道在水溶液中，碳酸根（CO32-）、碳酸氢根（HCO3-）和二氧化碳（CO2）存在如下的平衡：H2CO3 H+ + HCO3- 2 H+ + CO32-这个平衡随着pH值得变化而移动，如水溶液中的碳酸盐体系的平衡关系图所示。当pH值小于8时，水中的CO32-和HCO3-开始部分转化为CO2，当pH值小于4时，水中全部CO32-和HCO3-都转化为CO2。反渗透膜元件对溶解在水中的CO2是不能脱除的，这些CO2透过膜元件到达产水侧后，会重新在水中转化为HCO3-，使得产水电导率升高，因此反渗透
39、膜元件在低pH值条件下运行时表现出的脱盐率不高。但是，也不能为了排除CO2的干扰而不加限制的提高批pH值，这是因为pH值得升高会降低碳酸盐的溶解度，导致结垢。因此控制适当的pH值范围才能确保反渗透和纳滤膜元件的正常运行。图 透盐率随pH值的变化曲线图水溶液中的碳酸盐体系的平衡关系3.11.4水化学及水质分析在膜法水处理中，水所具有的种种性质和状态会对膜的分离特性产生影响，因此为了得到稳定的、符合要求的产水水质，被处理原水的水质特性就成为必不可少的条件。表征酸碱性的pH值、离子成分和有机物等代表水特性和状态的指标都和膜法处理紧密相关。下表列出了全部的水质分析指标，在设计反渗透系统前应该取得这些数
40、据，这样可以使得系统设计更加合理、准确。表 在设计反渗透系统前应做的水质分析项目阳离子，mg/LCa2+其它检测项目pH值Mg2+水温，Na+总铁（TFe），mg/LK+锰（Mn），mg/LNH4+硼（B），mg/LBa2+胶体硅，mg/LSr2+活性硅，mg/L阴离子，mg/LHCO3-总硬度CO32-总碱度Cl-总溶解固体（TDS），mg/LSO42-悬浮物，mg/LNO3-浊度，NTUF-COD，mg/L3.8.4.1水温随着温度升高，水的粘度（粘性系数）则降低。在相同操作压力的下，水温每相差1，产水量就会有3 %左右的波动。由此可以看出，在为了确保稳定的产水量，系统设计中温度的设定是非
41、常重要的。在处理硅和难溶解硫酸盐含量较高的水体时，由于温度降低可以导致这些无机物的溶解度降低。在冬季低温运行时，如果不对温度进行控制，就会导致硅和/或难溶解硫酸盐结垢。在这种情况下，可以采用热交换器升高水温。而在温度控制比较困难时，需要采取加入阻垢剂或者适当降低回收率的方法来调整系统的运行。3.8.4.2 pH值水中的氢离子浓度的负对数值被称为水的pH值，水里氢离子浓度和氢氧根离子浓度相等时，水显中性。水温的不同会导致两种离子的浓度也会发生变化。在室温附近pH值约为7，显中性；煮沸的水，pH值约为6.2。因此从pH值变化也可看出温度管理的重要性。一般的水基本上显中性（pH值约等于7），当水中含
42、有酸性物质或者碱性物质时则pH值就会偏离中性。pH值还会受二氧化碳（CO2）的影响，稍显酸性。3.8.4.3电导率水的导电性（S；西门子）可以用电极间阻抗（ m）的倒数来表示。通常选取25下，单位长度的电导率数值表征溶液的导电性（s/cm）。无机离子或者电解质含量较多的水中电导率显示较大的值，可以作为表示电解质总量的指标。又因为电导率的测定可以在现场比较简单完成，相比于总溶解固体的测定简单很多，因此电导率经常被用来替代总溶解固体表征反渗透和纳滤系统的脱盐性能。在大多数情况下，采用电导率计算的系统脱盐率要低于采用总溶解固体计算的系统脱盐率。3.8.4.4悬浮物所谓水中的悬浮物，就是指在水滤过的同
43、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的堵塞，影响系统的产水量和产水水质。根据光线或者激光的散射，可以把悬浮物用浊度定量化并读取出来。不仅可以取样在实验室分析，还可以在现场进行在线监控。3.8.4.5离子成分存在于自然界的水一般含有钠离子（Na+）、钾离子（K+）、钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）、氯离子（Cl-）、硫酸根（SO42-）、重碳酸根（HCO3-）以及硅（Si）。其中阳离子和阴离子在水中的摩尔浓度是平衡的。在某些水质分析报告中，我们曾发现阳离子和阴离子的物质的量不能平衡，这是就说明这份水质分析报告不够准确，有可能对系统
44、的设计以及今后的运行带来影响。还有一些名词被用来描述水体中某些离子的含量或状态： 硬度 把钙、镁离子的合计量换算成与之对应的碳酸钙来表示的量叫做硬度。 碱度碱度就是中和溶解在水中的OH-、CO32-和HCO3-所需要的酸的量。pH值在8.3以下时，采用甲基橙作为指示剂并用酸中和至pH值 4.2时，需要的酸的量称为甲基橙碱度；pH在8.3以上时，采用酚酞作为指示剂并用酸中和至pH值 8.2时，需要的酸的量被称为酚酞碱度。甲基橙碱度乘以系数0.82就可以计算出HCO3- 在水中的大致浓度。3.8.4.6 金属成分铁、锰、铜和镍等金属物质在水中的含量虽然很少，但是作为可能导致氧化反应进而造成膜性能劣
45、化的触媒，也是需要注意的成分。特别需要指出的是，具有触媒机能的胶体状不溶解物质是无法用分析可溶解离子的方法检出的。因此铁、锰等具有催化氧化的金属物质必须在预处理过程中尽量去除。特别是在使用次氯酸钠之类的强氧化剂时，就必须更加严格的限制给水中铁和锰的含量，通常我们希望给水中的具有氧化性的三价铁（Fe3+）的浓度不高于20 g/L，在特殊的场合也应尽量避免超过0.1 mg/L。有时我们进行原水水质分析时，并未发现过量的铁和锰，但是反渗透膜元件却发生了劣化，这时往往都是由于预处理系统采用了投加絮凝剂的工艺，过量的含铁絮凝剂会在水中残留，进而进入反渗透系统破坏膜元件。这时就必须对加药系统进行调整，控制加药量避免过量的铁进入反渗透系统。类似的事情还经常发生在投加含铝絮凝剂时，铝是一种两性金属，在碱性条件下以氢氧化物的形式存在，氢氧化铝不易溶于水，这时残留在原水中的
