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1、反渗透膜法基本原理、设计基础,马伟,反渗透,从20 世纪50年代反渗透过程的发现,到60 年代的商业化运营,时至今日经过近50 年的发展,反渗透水处理成为当今先进的水处理脱盐技术,成功地运用于各个领域。反渗透用途几乎涵盖了所有工业部门,广泛应用于电力、化工、石油、饮料、制药、电子、冶金等行业。,反渗透的基本原理,反渗透原理,水的传递通过半透膜的速率由方程(2)确定。Qw（water）=(P-.Posm)*Kw*S/d(2)其中Qw为水透过膜的速率，P为膜两侧压力差，Posm为膜两侧的渗透压差，Kw为膜的纯水渗透系数，S为膜面积。（2）式通常被简化为：Qw=A*(NDP)(3)其中A为膜常数，N
2、DP为跨过膜的水传质总驱动压力或总驱动力。,盐的传递,透过膜的盐流量定义为：Qs（salt）=C*Ks*S/d(4)其中Qs为膜的透盐量，Ks为膜的盐渗透系数，C为膜两侧盐浓度差，S为膜面积，d为膜厚度。该方程可简化为：Qs=B*(C)(5)其中B代表膜常数，C为盐传质驱动力。,从方程4和5可以看出。对于一个已知的膜来说：膜的水通量与总驱动压力差成比例；膜的透盐量与膜两侧的浓度差成比例，与操作压力无关。透过液的盐浓度Cp，取决于透过反渗透膜的盐量和水量的比：Cp=Qs/Qw(6)膜对水和盐的传质系数不同，所以才有脱盐率。没有什么理想的膜具有对盐完全的脱除性能。设计反渗透系统必须考虑的一些主要因
3、素。比如操作压力的增加会提高水通量，但对盐的透过没有影响，所以透过液的盐度会更低,脱盐率通过反渗透膜从原水中脱除总可溶性杂质浓度或特定溶质浓度的百分率。计算公式为：SR=100%-SP(8)其中SR 为脱盐率（），SP 为透盐率见（7）式。产水-透过液反渗透、纳滤膜的透过液为净化水，因此也称为系统产水。,浓水-浓缩液未透过膜的溶液，原水中的溶质在其中被浓缩。在水处理反渗透系统中浓水作为废水排出。回收率（转化率）原水转化为产水的百分率。回收率是反渗透系统设计和运行的重要参数，计算公差为：R=100%*(Qp/Qf)(9)其中R为回收率（），Qp为产水流量，Qf为原水流量。回收率影响透盐量和产水量
4、。回收率增加时料液侧中的盐浓度也会增加，致使透盐量增加、渗透压上升以及NDP降低、产水量降低。,浓差极化(-beita系数)浓差极化效应如下：膜面上的渗透压比本体溶液中高，从而降低 NDP（净驱动压力）；降低水通量（Qw）；增加透盐量（Qs）；增加难溶盐在膜面上超过其溶度积在膜面上沉淀结垢的可能性。浓差极化因子（CPF）被定义为膜面浓度（Cs）与本体浓度（Cb）的比：CPF=Cs/Cb(10)。平均给水流量（Qfavg）成反比：CPF=Kp*exp（Qp/Qfavg）(11)其中Kp是取决于系统形状的比例常熟。料液平均流量采用料液和浓缩液的算术平均数，CPF可以表达为膜组件透过液回收率的函数（
5、Ri）：CPF=Kp*exp(2Ri/(2-Ri)(12)浓差极化因子极限值为1.20,透盐率,原水中溶解性杂质透过膜的百分率，计算公式为：SP=100%*(Cp/Cfm)(7)其中SP为透盐率（），Cp为透过液盐浓度，Cfm为料液的平均盐浓度。水通量和透盐率的基本关系式是反渗透的基本原理。可以看出，透盐率随操作压力增加而降低，其原因是水通量随压力增加，但盐的透过速率在压力变化情况下保持不便。,反渗透预处理系统,反渗透运行过程中,在系统设计合理的情况下,并排除设备机械损坏等因素外,由于水质千差万别,若运行控制不当,必然会导致膜的污染,严重的会导致整个反渗透装置的报废,会造成巨大的经济损失。因此
6、,位于反渗透装置之前的预处理系统就显得格外重要。,反渗透预处理的必要性,反渗透装置运行过程中,膜本身对于pH 值、温度、某些化学物质较敏感,有一定的要求;同时为了避免膜表面被污染,对各种微生物、浓差极化、悬浮物、胶体、乳化油有严格的要求,为了满足反渗透膜对水质的要求,进料水进入膜之前必须进行妥善的预处理。,反渗透预处理的必要性,只有满足反渗透进水水质要求的预处理,才能保证反渗透膜的使用寿命;确保产品水(渗透水)流量稳定、脱盐率较高、回收率不变;运行费用最低。从这个意义上来说,预处理工艺设计恰当与否是整个反渗透装置设计成败的关键。倘若RO 系统未设置适当的预处理，则不可能得到长期满意的运行效果；
7、不适当或不稳定的预处理都将会导致频繁的膜清洗及膜的过早降解，甚至导致过早地更换膜元件。,反渗透预处理的必要性,图 1 不同情况下膜的渗透流量与时间的关系,反渗透预处理的目的,预处理的效果是以SDI 指数(silt density index)或MFI 指数(modified fouling index)来表征.源水水质的优劣及其随时间的变化情况决定了预处理系统的复杂程度,因此在确定采取何种预处理系统之前应进行水质分析,而在运行时则需在线监测各项水质指标.预处理的目的是使经过常规处理后的废水,在进入反渗透装置之前,达到进水要求,具体如下:SDI(污泥密度指数)5,浊度(NTU)1,温度维持在20
8、 25。pH=211。,反渗透预处理系统分类,絮凝,沉淀,过滤,RO 预处理可分为传统方法和新型方法,反渗透预处理系统,“休克”氯 化消毒法,早期反渗透预处理系统,传统的海水预处理方法一般包括灭菌、沉降、过滤、软化、脱气等,需要多道工序,效果不好。其一般流程为:海水(加消毒剂)沉井(加混凝剂)多介质过滤器活性炭过滤器(加阻垢剂)保安过滤器反渗透单元。,典型的传统的预处理,图2 典型的传统预处理系统,典型的传统预处理,图2 是典型的常规预处理流程图,主要包括絮凝、沉淀、多介质过滤、筒式过滤等.絮凝、沉淀、介质过滤可去除大部分胶体和悬浮固体.筒式过滤器可防止进料水、化学药品进料装置或预处理介质中的
9、粒子进入RO 系统,以保护RO 膜,故又称保安过滤器.常采用的是聚丙烯纤维滤芯,标称孔径尺寸多为110m,有的配备双层过滤,以提供更深层的过滤.,辅助加药系统,絮凝剂:碱式氯化铝 一般情况下,絮凝剂的投加可破坏胶体双电层的稳定性,在充分混合的情况下,带电荷的杂质颗粒及胶体微粒吸附电解质或大分子聚合物的速度很快。但絮凝剂添加与否应根据实际情况来选择,盲目地添加不仅改善不了水质,而且会加重污染。还原剂:亚硫酸氢钠 聚酰氨膜和新型复合膜,易受氧化物质侵蚀而水解,必须把氧化物质还原到规定值以下,还原剂通常采用亚硫酸氢钠。,常用混凝药剂,辅助加药系统,pH 调节剂:硫酸 阻垢剂:六偏磷酸钠 碳酸钙的溶解
10、度随温度和pH 值而变,使进水pH 值保持酸性,能防止碳酸钙析出,具体用调pH来控制反渗透浓水中的郎格利(LSI)指数。如果投加阻垢剂,则浓水中LSI 值应小于1,反之,则浓水中LSI 值为负值。但加入硫酸后会增大钙离子和硫酸根离子的容度积,造成硫酸钙在膜表面沉积。为防止硫酸钙沉积,一般投加六偏磷酸钠作为阻垢剂,但当pH 较高(pH7.5 时),偏磷酸盐会分解为正磷酸盐,易与钙离子生成磷酸钙沉淀吸附在膜面上,另外磷酸根又是细菌的营养源,使用不当易造成生物污染,因此逐步被新型阻垢剂所取代。,辅助加药系统,在处理地表水时，往往是在预处理过程中投加絮凝剂和助凝剂及之后的澄清沉降、介质过滤工艺来实现的
11、。由于天然水中存在的胶体几乎都带有表面负电荷，所以在给水预处理中所选用的絮凝剂应该能带有表面正电荷才十分有效，所以阳离子絮凝剂在常规的给水预处理中往往被采用。但是，在RO给水预处理中投加絮凝剂和助凝剂可能会对后续的RO膜系统产生不良影响。而我们经常遇到的防垢剂几乎都是带有负电荷的，并可能与存在给水中的阳离子絮凝剂发生反应，且在反应后以胶体化合物形式在膜面沉积，这样将使RO膜透过液通量降低，阻力升高，从而不得不对RO膜进行化学清洗，为此在选择系统药剂投加时，一定要认真考虑投加药品的兼容性。,过滤器系统,多介质过滤器系统 1、滤料的选择。一般来说采用三层滤料的过滤比双层的效果要好。上层添加的大粒径
12、、小相对密度的无烟煤能增加容污能力,水头损失增加较慢;中层采用中等密度、中等粒径的石英砂;下层采用小粒径、大相对密度的磁铁矿。2、过滤水通量。有研究表明多介质过滤器的滤速限制为81.5163 L/(minm2),滤速过大,过滤效果会直线下降。经过计算得知需增加一个多介质过滤器加大过滤面积。3、过滤器的反冲洗。首先反冲洗泵和管道必须符合反冲洗量的要求,其次应将过滤器内的排水管改为倒喇叭口,添置布水器,它不仅在制水过程中起均匀布水作用,同时在反冲洗起始和终结时,很容易将过滤器内的水面漂洗物顺利排掉。,过滤器系统,增加活性炭吸附过滤器 活性炭是一种多孔、疏水性的吸附剂。活性炭吸附过滤器主要有二个功能
13、：吸附水中部分有机物,吸附率为60%左右；吸附水中余氯。但活性炭吸附过滤器在使用中还须注意及时清洗和更换,否则粉碎的活性炭细末和炭床内聚集滋长的细菌都有可能成为新的膜污染源。,过滤器系统,保安过滤器 保安过滤器作为反渗透装置的最后把水中残余的微颗粒及不利于反渗透膜的因素降到最低。目前国内系统均选用线绕或折迭二种一次性滤芯,过滤孔径为5 u,根据前后压差来确定调换滤芯。一般建议采用1415 t/(hm2)通量(m2 为滤芯过滤面积)。我们据此对保安过滤器数量、位置和滤芯数量均进行了调整。,传统预处理的改进,针对传统预处理方法的一些局限性和不足,许多研究者从不同的角度,例如沉淀、去氯处理及防垢等方
14、面,提出了各种不同的改进措施.有些传统的助凝剂和阻垢剂(如六偏磷酸钠)可能也是各种微生物的食物源.为防止这种情况发生,可采用各种新型的阻垢剂。如Hypersperse SI 300和PAPEMP(polyamino polyether methylenephosphonate).前者可使胶体保持离散状态,从而防止SiO2 结垢,同时它还可阻止BaSO4、SrSO4 等形成结垢;后者可有效控制CaCO3、CaSO4 等垢层的形成和沉积,并可降低溶液的酸度,从而减轻设备的腐蚀.,传统预处理的改进,微生物薄膜及其可获得的营养物质,决定了RO 膜生物污染发展的趋势,生物薄膜若缺乏营养物质就难以继续生长
15、.根据这一概念,在料液进入RO 单元之前加装一生物过滤器(Biofilter),其内生长的生物薄膜将优先消耗料液中的大部分营养,使RO 膜中的生物薄膜可获得的营养物质的浓度大大降低而限制其生长,RO 单元的渗透通量因生物污染而下降的速度减慢.图3 是这一试验的比较结果.,传统预处理的改进,图 3 生物过滤器对反渗透通量衰减的影响,传统预处理的改进,常规的杀菌剂均有一定的氧化作用,如液氯、次卤酸盐、臭氧及双氧水等,对RO膜有较强的氧化腐蚀作用,尤其是对薄膜复合膜.因此,应采用氧化作用较弱或无氧化性的杀菌剂.异噻唑啉酮(isothiazolones)属非氧化性杀菌剂,具有广谱、高效、低毒、对环境安
16、全无害等优点,是杀菌剂的理想选择.采用常规连续加氯杀菌和加亚硫酸氢钠脱氯的方法时,一些细菌的耐氯性较强而残存下来,由于被氯分解的微生物和细菌变成可消化的有机物AOC(assimilable organic compounds)成为幸存细菌的营养源,使其繁殖更快.但美国杜邦和日本东洋纺公司均已解决了这一令人头疼的问题.后者提出的间断加氯法(intermittent chlorine injection),采用所谓的“弱消毒”,使加氯量刚好足以抑制细菌、海藻等的生长,但又不促使AOC 的生成.,传统预处理的改进,反渗透装置中通常应用的预处理方法有:用软化水防止矿物结垢,多种介质过滤减少悬浮固体和用
17、活性炭吸附杀死细菌和藻类的过高的氧化剂。应用KDF 过滤介质基本上可以全面的满足上述各种预处理要求,通常应用的是KDF55 过滤介质。目前的水处理过滤净水介质,常因寿命短、价格贵、维护难,容易被微生物污染而达不到预期的净水要求,KDF 过滤介质可以补充或取代现有的传统方法,它寿命长、维护方便,能有效地控制微生物,具有优异的综合性能,运行费用也较低。,传统预处理的改进,KDF 过滤介质是一种高纯度(99.99%)的铜锌合金。,多功能的,新型的,可再生的,无毒的,传统预处理的改进,KDF55 过滤介质颗粒的平均尺寸大约为60目,最小的颗粒约115目,介质也能起到物理过滤去除悬浮物质的作用,通常KD
18、F55 过滤介质能够有效地去除下至50m的颗粒。KDF55 过滤介质可以去除溶解于水中的阳离子,如铅、汞、铜、镍、镉、砷、锑、钴和其他许多可溶性重金属,它们的去除是通过电化学的氧化还原反应和催化作用完成的。KDF55 过滤介质有去除硫化氢的功能,生成的硫化铜不溶于水,可在KDF55 介质反冲洗时去除。,减少矿物结垢,减少悬浮固体,减少氧化剂(余氯),生物量的减少,重金属的去除,去除硫化氢,KDF55 过滤介质应用于反渗透预处理系统的技术值得大力推广。,新型反渗透预处理技术,预处理技术,此法大部分运行时间里不投入氯，它根据现场情况定期采用高余氯、甚至是高p H 值的化学清洗。,“休克”氯化消毒法
19、,超滤/微滤,纳滤及其集成技术,海滩井水吸入系统,海滩井水吸入系统是一种自然过滤系统,水源经过层层过滤后进入井中,各项指标值均有明显改善,且SDI 经过一段时间后几乎趋于稳定。,膜分离技术,新型反渗透预处理技术,“休克”氯化消毒 这种处理方法针对系统不同，其清洗液组分、剂量、清洗时间和清洗频率也不一样。如Jebel Dhana 厂，每周氯化一次，每次6-8h，余氯量1mg/L以上。这样不仅大大减少预处理费用，而且减少了化学清洗次数，从而提高淡化器的开工率，降低淡化水生产成本。,新型反渗透预处理技术,海滩井水吸入系统 海滩井水吸入系统不需絮凝、沉淀、加氯去氯等过程,不但节约了许多运行费用,也避免
20、了一些可能造成结垢和生物污染等问题的环节,因而是一种极其有前途的RO 预处理方法.,新型反渗透预处理技术,图 4 几种不同预处理SDI值比较,纳滤技术（NF）,连续微滤技术（CMF）,Vision 02,超滤技术（UF）,新型反渗透预处理技术,陶瓷膜过滤技术(CF),膜法预处理可对胶体、精细微粒和细菌等构成更有效的屏障,能够为RO 单元提供稳定高品质的进料水,更有许多传统预处理方法不可比拟的优越性.,浸没式帘式膜过滤(IMF),膜法,新型反渗透预处理技术,超滤反渗透预处理,超滤介绍,超滤的优势,超滤膜,超滤的运行方式,超滤技术（UF）,新型反渗透预处理技术,超滤介绍 超滤（Ultrafiltr
21、ation）是一种以压力为推动力的膜分离技术，其膜孔径通常在1到100纳米，截留分子量一般为300至50万道尔顿，所能去除的物质包括胶体、微生物、糖类和大分子有机物。由于超滤具有设备简单、操作方便、无相变、处理效率高、节能和易于自动化等优点，故已广泛用于食品、饮料、药物、涂料等行业和物质的分离回收，在废水处理上也有较多的应用。而作为反渗透的预处理则是超滤的一项有着广阔前景的新用途。,新型反渗透预处理技术,原水,精密过滤,超滤,反渗透系统,工艺用水,图 5 超滤作为反渗透的预处理的水处理系统的工艺流程,新型反渗透预处理技术,超滤作为反渗透预处理单元的优势 超滤作为反渗透的预处理是近期发展起来的很
22、有潜力的应用,特别是对于地表水、废水或海水作为原水水源的高污染系统尤其合适。,新型反渗透预处理技术,超滤对于悬浮物的去除能力远强于传统的过滤方法,而且完全避免了过滤介质泄漏对膜造成的危害,给予反渗透设备以更好的护理。,超滤出水的SDI值一般在0.2-1,浊度在0.1NTU以下,并且不会随进水浊度的提高而升高。而传统工艺一般浊度为0.2-1NTU,SDI值在某些情况下难以保证始终小于4。,对悬浮物的处理能力强,对胶体的处理能力和稳定性更优,超滤,新型反渗透预处理技术,超滤膜 常见的超滤膜材质有醋酸纤维素、聚砜、聚醚砜、聚酞胺、聚丙烯、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚丙烯腈等。作为预处理使用的超滤膜常用
23、的材质是聚醚砜,因为聚醚砜的亲水性能好,抗污染性能强,而且聚醚砜可以耐受100mg/L 浓度的余氯,可以通过加氯杀菌来防止膜的生物污染。,新型反渗透预处理技术,超滤的运行方式 超滤的运行方式有错流过滤（Cross-flow）和全量过滤(Direct-flow或称Deadend)两种。错流过滤方式类似于反渗透,运行时有少量浓水排放,常用于悬浮物含量高(例如浊度10 到10 N T U)的原水。其水的利用率一般为9 0-9 5%。全量过滤过程接近滤芯过滤,在作为预处理使用时通常限制在低浊度(10 N T U 以下)的原水况下,水的利用率约在95%98%。,新型反渗透预处理技术,陶瓷膜过滤技术(CF
24、)无机陶瓷膜作为一种新型的膜材料,与传统的高聚物膜相比,具有耐高温,化学稳定,耐酸碱腐蚀,机械强度高,结构稳定和易再生等优点,被广泛应用于食品和生物制品的过滤、提纯及电解液的过滤、气体除尘等各个领域。目前陶瓷膜在水处理领域的应用主要包括冲水处理和污废水处理两个方面。净水处理主要是饮用水和淡化水的制备。污废水处理主要包括各种化工行业废水处理、含油废水处理及生活污水处理和回用等。,新型反渗透预处理技术,徐南平等发明的陶瓷超滤膜海水预处理方法,在海水经加压至0.1 0.8 MPa 后,进入陶瓷超滤膜过滤单元,海水中的未被过滤的物质在此单元被截留在进料一侧,从超滤单元流出的预处理水,完全满足反渗透系统
25、的要求。且实现了反渗透进水的精密过滤,极大地减轻了反渗透处理负担,提高了出水水质,能取代现有的反渗透海水淡化预处理工艺。,新型反渗透预处理技术,和多介质过滤器等传统预处理技术相比,超滤作为反渗透预处理具有多方面的优势:超滤能很好地阻挡胶体,滤过水S D I 和浊度都远较传统预处理方法低。大大降低了胶体对反渗透膜的污染,使反渗透的清洗周期大大延长。超滤对有机物的截留效果显著,可以有效地减少反渗透膜的有机物污染。超滤出水水质更稳定,不受原水水质变化的影响。相比传统的过滤工艺,超滤系统操作简单、稳定。超滤设备占地面积小,对大型系统仅约为传统过滤器的五分之一。超滤系统更便于今后扩展的设计。超滤的运行费
26、用有竞争力,很多系统运行费用比传统工艺低。设备投资也越来越具有竞争力。,新型反渗透预处理技术,连续微滤技术（CMF）微滤又称为精过滤,其基本原理属于筛网过滤,即在一定的压力作用下,小于膜孔径的粒子通过滤膜,大于膜孔径的粒子则被截留在膜的表面,使得不同大小的组分得以分离。微滤(MF)技术是一种新型膜处理技术,以连续微滤(Continuous Microfiltration)CMF/RO 为代表,采用0.2um 孔径的中空纤维膜,可在很低的横流速下运行。,新型反渗透预处理技术,CMF 是以中空纤维微滤膜为中心处理单元,配以特殊设计的管路阀门、自清洗单元、加药单元和自控单元等,形成一闭路连续操作系统
27、。处理液在一定压力下通过微滤膜过滤,达到物理分离的目标。使用CMF 可使胶体颗粒和细菌数量减少到个数量级,可提高净化水的水质,并可在很低的横流速度下运行。,新型反渗透预处理技术,图 6 CMF工艺流程,新型反渗透预处理技术,CMF 装置采用高抗污染的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜组件,使用特殊的在线气水双洗方法进行在线清洗,保证了膜通量的稳定,膜产水水质浊度0.1 NTU,SDI3,产水水质高并且水质稳定,保证了反渗透用水水质。有利于延长反渗透膜的使用寿命。,新型反渗透预处理技术,不论从去除微生物、胶体、悬浮物以减少膜污染和浓差极化现象考虑,还是从设备的支付费用、运行成本比较来看,微滤、超滤
28、膜都有其绝对的优势,但微滤、超滤也存在着很多问题。譬如:(1)MF 及U F 的运行费用还较高;(2)MF 及UF 在高效截留过程中,也容易发生膜污染现象;(3)MF 及UF 系统的设计大多依赖于国外膜厂商提供的设计软件;(4)膜组件的运行方式以及膜清洗的方式还存在一些问题;(5)膜表面有严重污染的时候,也不能在高水量下运行等。,新型反渗透预处理技术,浸没式帘式膜过滤（IMF）)IMF 的技术核心是高抗污染的PVDF 微滤膜,其特点是耐污染、易清洗、化学性能稳定、膜的透水量大、产水水质稳定、能耗及运行费用低,膜平均微孔孔径在0.2 m,能有效去除海水中的藻类、细菌及其他杂质,已经越来越多地用于
29、反渗透的前处理。,新型反渗透预处理技术,IMF 技术现已普遍用于膜生物反应器(MBR)中,进行污水的深度处理,并取代二沉池,而作为海水淡化(RO)前处理只有加拿大Zenon 公司有过应用报道,所用膜为加强复合带衬型中空纤维膜,而非均质PVDF 中空纤维浸没式微滤帘式膜用于海水净化尚未见报道。国内天津工业大学采用非均质PVDF 中空纤维浸没式微滤帘式膜在天津市重大攻关项目海水淡化预处理工程进行的前期实验中取得了较好的效果。,新型反渗透预处理技术,图 7 浸没式微滤膜海水净化系统,新型反渗透预处理技术,实验中将帘式膜组件浸没于膜过滤槽中,连续曝气,在产水泵负压抽吸作用下,水溶液由纤维外向内透过膜,
30、而颗粒性杂质及微生物被截留于滤池中,从而达到溶液净化的目的。产水泵采取开八停二的运行模式,即产水8 min、空曝气2 min。实验结果证明,即使在海水水质较差的情况下,帘式膜过滤产水浊度0.1 NTU,SDI2.5,总铁去除率 95%,符合反渗透进水水质的要求。,新型反渗透预处理技术,纳滤技术（NF）纳滤(NF)膜技术是近10 年发展起来的一种新型的膜分离技术。NF 膜的膜孔介于超滤膜和反渗透膜之间,截留物相对分子量200 1000，可大幅度降低进料水的浊度、硬度和TDS 的含量。NF 膜还对无机离子进行选择性分离,使得它特别适合于海水的脱盐处理。,新型反渗透预处理技术,用纳滤(NF)技术进行
31、反渗透海水预处理,其优点是降低了海水结垢、污染的趋势及海水的渗透压,从而可以较大幅度地提高浓缩倍数和水回收率,降低后续淡化过程的屯水能耗,提高现有装置的利用率;或在相同产水量的情况下,降低淡化过程的生产负荷,有效降低海水淡化成本。,新型反渗透预处理技术,以NF 产水作为RO 的进水,则构成了NF SWRO 集成淡化系统。与无NF 预处理的SWRO 相比,集成过程的SWRO 水回收率,在4.0 MPa 压力下为48%,为相同压力下前者的3倍,在5.6 MPa 压力下为50%左右,为相同压力下前者的2 倍。表明采用纳滤预处理操作压力可有较大幅度的降低,水回收率可有较大幅度的提高。,展望,预处理技术
32、是影响反渗透经济性的关键因素.先进的预处理技术不但可使反渗透可处理的源水范围更广,拓展其应用领域,而且能够最大限度地维持产水率和脱盐率,减少清洗次数,从而降低运行费用。随着各种膜材料的不断改进和分离工艺的改良,反渗透海水淡化在世界海水淡化产业中所占比例正在不断扩大,而膜法处理作为反渗透海水淡化的预处理工艺也得到了高度的重视,并以较快的速度发展。同时随着新型膜与膜技术的开发,海水淡化成本有望进一步降低,必将加快膜法海水淡化技术转化为实际生产力的速度,使之在解决世界性水资源短缺的难题中发挥更大的作用。,设计基础,设计要点反渗透系统的主要性能参数是产水量、回收率和产水水质指标，在设计中按照膜的产水通
33、量、浓差极化和膜元件内部流量分布等条件来决定能够达到系统性能指标的膜元件型号、数量以及排列方式。实际装置通常由段组成，段是由装填有若干膜元件（通常18 支）的压力容器并联组成。前一段压力容器的浓水进入下一段压力容器。最常见的系统为两段系统，第一段压力容器的数量通常是第二段压力容器数量的2 倍或接近2 倍（即2:1 排列），每个压力容器装6 支反渗透膜元件。如图示,以海德能为例,SWC 是海水复合膜（Sea water composite）的简写。美国海德能公司一直致力于高性能海水淡化膜的持续开发，自从成功推出性能优秀的SWC1 型海水淡化反渗透膜以来，SWC 系列产品的的家族成员在不断增加，目
34、前已经拥有SWC1、SWC2、SWC3、SWC4、SWC3+、SWC4+和SWC5 等性能各具特色的多品种系列。海德能海水淡化膜的优异性能得到了世界各地用户的广泛认可，主要的大型海水淡化工程都选用了SWC 系列产品，已经投运的SWC 海水淡化装置的制水能力已达到200 万吨每天。,SWC1 和SWC2 主要是4 英寸及2.5 英寸的小型膜元件。SWC3 是目前海德能8 英寸海水淡化膜的基本通用型产品。SWC4 除具有极高脱盐率和高脱硼的特点外，给水温度范围也扩大了。SWC3+和SWC4+是SWC3 和SWC4 的改进型，将原来的膜面积增加了约10%，从370ft2提高到400ft2，通过膜性能
35、的进一步改进，在保持原有高脱盐率的同时，产水量增加了约15%。SWC5 是最新推出的节能型海水淡化反渗透膜，在保持99.8%高脱盐率的情况下将产水量提高到9000gpd，成为全世界显著降低运行成本高性能的海水淡化反渗透膜的典范。,SWC 系列海水淡化膜的主要性能参数,（回收率：15%；给水含盐量：1500 mg/L NaCl；温度：25；pH=6.5 7.0）,操作压力对产水量和脱盐率的影响,给水流量对产水量和脱盐率的影响,给水含盐量对产水量和脱盐率的影响,给水温度对产水量和脱盐率的影响,海水淡化装置的设计硼脱除,一般要低于世界卫生组织规定指标0.5mg/l。尽管SWC4 的硼脱除率已经相当高
36、了，单级反渗透系统在通常情况下还是难以达到指标(特别在温度较高时)。因此海德能推荐了一些设计方案来获取超出SWC4 脱硼能力的产水水质，这些方案有：采用部分或全部二级反渗透工艺，调高二级进水的 pH 值；在二级使用高脱硼苦咸水膜 ESPAB；用硼离子交换树脂进行抛光处理；提高一级进水的 pH 值；二级浓水不再回到一级进水。,RO 系统估算,可按以下步骤确定生产一定量的产水的系统的近似大小（膜元件数的膜壳数）：a 选择膜元件类型和组件b 根据进水水质选择通量范围c 将期望的装置生产能力除以设计通量和单个膜元件膜面积数（在元件说明上有膜面积数）。d 将总膜元件数除以单根膜壳装填膜元件数。取计算结果
37、的整数。e 选择适当的排列以获得期望的回收率。必要时增加组件数。,膜系统的设计步骤,【第 1 步】：考虑进水水源、水质，进水和产水流量以及所需的产水水质.膜系统的设计取决于将要处理的原水和处理后产水用途，因此必须首先按照要求详细收集系统设计资料及原水分析报告。必要时对水样进行调研和取样分析。,【第 2 步】：选择系统排列和级数,常规的一级海水水处理系统排列结构为进水一次通过式。两级系统是两个传统RO/NF 系统的组合工艺，第一级的产水作为第二级的进水，每一级既可以是单段式或也可以是多段式，既可以是原水一次通过式也可以是浓水再循环式。,【第 3 步】：膜元件的选择,根据进水含盐量、进水污染可能、
38、所需系统脱盐率、产水量和能耗要求来选择膜元件，当系统产水量大于10gpm（2.3m3/h）时，选用直径为8 英寸长度为40 英寸的膜元件。,【第 4 步】：膜平均通量的确定,平均通量设计值 f(gfd 或L/m2h)的选择可以基于现场试验数据、以往的经验或参照设计导则所推荐的典型设计通量值选取。可以根据确定膜的型号结合不同膜厂家提供的技术参数确定。,【第 5 步】：计算所需的元件数量,将产水量设计值 QP除以设计通量f，再除以所选元件的膜面积SE，就可以得出元件数量NE：取 10%的过量系数的同时取整。,【第 6 步】：计算所需的压力容器数,将膜元件数量NE 除以每支压力容器可安装的元件数量N
39、EpV，就可以得出圆整到整数的压力容器的数量NV。对于大型系统，常常选用67 芯装的压力容器，目前世界上最长的压力容器为8 芯装，对于小型或紧凑型的系统，选择较短的压力容器：,【第 7 步】：段数的确定,段的数量是系统设计回收率、每一支压力容器所含元件数量和进水水质的函数。系统回收率越高，进水水质越差，系统就应该越长，即串联的元件就应该越多。海水的段数与回收率有以下的关系。,【第8 步】：确定排列比,相邻段压力容器的数量之比称为排列比，例如第一段为 4 支压力容器，第二段为2 支压力容器所组成的系统，排列比为2:1，而一个三段式的系统，第一段、第二段和第三段分别为4 支、3 支和2 支压力容器
40、时，其排列比为4:3:2。当采用常规6元件外壳时，相邻两段之间的排列比通常接近2:1，如果采用较短的压力容器时，应该减低排比。另一个确定压力容器排列的重要因素是第一段的进水流量和最后一段每支压力容器的浓水流量。，最后一段压力容器的数量必须使得每一支8 英寸元件压力容器的最小浓水流量大于3.6m3/h,【第 9 步】：分析和优化膜系统,所确立的膜系统结构可以采用 RO 计算机系统分析软件进行分析和调整.结合附件的IMSdesign进行练习。,举例联系。,第 1 步：SDI155 的地表苦咸水，总产水量720m3/d(132gpm)第2 步：选择进水一次通过式结构第 3 步：BW30-365(苦咸
41、水膜元件，有效膜面积365ft2，即33.9m2)第4 步：建议平均通量15gfd（25LMH），查阅设计导则。,第 5 步：元件总数=,第6 步：压力外壳总数=35/6=5.83 圆整到36第7 步：对于6 芯外壳75%回收率 段数选 2第8 步：段排列比2:1，最适宜的排列为 4:2,系统主要部件,高压泵-（柱塞泵或离心泵）必须控制高压泵的出口压力，既能维持设计产水量同时又不会超过膜元件最高允许进水压力。在海水淡化系统中，一般 5560%的高压浓水以大约60bar 的压力离开系统，这部分能量可以加以回收以降低系统的吨水单位能耗，能量回收方法如下：冲击水轮式（Pelton Wheel）反转透
42、平 活塞型功交换器 压力交换式（PX）高压浓水引入能量回收装置后，转换成旋转机械能输出，帮助主电动机一道驱动高压泵，应咨询相关制造商。,压力容器,压力容器有各种不同直径、长度和压力等级，在选用压力容器时，所选择的压力等级必须高于因膜污染需要提高运行压力情况下的最高压力（一般要求，必须比3 年后系统运行压力设计值高10%）。当运行产水侧出现动态压力时，此时某些压力容器产水出口强度会成为制约因素，如某些采用聚氯乙烯（PVC）材质制造的压力容器，此时应咨询制造商。,紧急开关,阀 门,在 RO/NF 系统中通常使用以下几类阀门：整个系统进水阀，当需要对系统进行维修或保存系统时，起良好的切断作用；离心泵
43、泵出口端或正位移泵旁路上的调节阀，应能控制操作压力及系统升压速度；泵出口端应该装设止回阀 产水管路上应装设有止回阀及防止产水压力超过进水压力的对地压力泄放阀；浓水管路上应设有控制回收率的浓水流量控制阀（注意：不可使用背压阀）；产水管线上应装有排放阀，用于清洗或开机时排放不合格产水；进水和浓水管路上应设有连接清洗回路的阀门（每段能单独清洗）。,控制仪表,为保证 RO/NF 系统的正常操作，必须安装一些必要的仪表，仪表的准确度也相当重要，应按照制造商的规定进行仪表安装与校正。压力表用于测量保安滤器的压降、泵进出口的压力、膜元件进口压力、系统段间压降和产水压力，充液的压力表应使用与膜相兼容的液体如水
44、或甘油，而不允许使用油脂或其它不溶于水的液体；流量计用以测量浓水和产水总流量以及每一段的产水流量；产水和进水管线上的水表用以记录累积的产水量及系统耗量；计时器用以记录累积的操作时间；在加酸之后的进水管路上安装 pH 仪用以监控碳酸盐是否垢；电导计安装于进水、浓水和产水管线上以检测产水水质和系统表观脱盐率；在进水、浓水及产水管线上（总产水及各段分产水）均应设置取样口，便于评估系统的性能表现，并建议在每支压力容器的产水出口设置一个取样口，以方便今后的故障排除。,水 箱水箱内的的水位通常应保持在最低的水位以上，必须正确地安装水箱的进出口管线，避免水箱内存在死角，还须对水箱采取防止尘埃及微生物污染的措
45、施，特别严格的使用条件下，要求水箱为密闭型，并设置特制的水箱呼吸过滤器,原水水箱当用氯进行原水处理时，该水箱必须提供2030min 的反应时间，介质过滤器内的自由空间也可起这样的作用。原水水箱还常常起到缓冲作用，以便RO/NF 系统在滤器反洗期间仍可连续运行。系统的操作模式为分批或半分批时，总是需要有原水水箱。,产水水箱当产水为所需的产品时，一般需要设置产水水箱，系统的起动与停机均与产水水箱的高低液位相连锁。RO/NF 系统的处理量与产水水箱的大小应作适当的设计，使得系统可以连续运转几小时。系统停机的频率愈低，则系统的性能表现愈佳。,加药箱对进水进行投药处理时，必须设置加药箱，其容积一般为一天
46、的药剂使用量清洗水箱属于清洗系统设备的一部份，详见清洗与消毒部分的介绍。,可选设备各种可选设备及其特点对于系统的操作和监控是有帮助的：停机后的系统自动冲洗装置采用经预处理过的原水或直接用产水冲洗膜元件的浓水侧。当预处理投加抗垢剂时，必须设置系统停机自动冲洗装置；报警装置1)高产水电导；2)高浓水电导；3)低进水pH 值；4)高进水pH 值；5)高进水硬度；6)高进水温度；7)低加药箱液位。,连续纪录装置1)进水温度；2)进水pH 值；3)进水及产水电导；4)进水SDI 值；5)进水及浓水流量。6)进水、产水及浓水压力；7)进水ORP,在完美的理想设计中，应安装一套能在线实时记录与处理系统所有重
47、要操作数据的监控装置。具有保证系统安全操作的自动控制装置和马达起动装置，包括过滤器自动反洗、膜元件自动清洗及系统自动低压冲洗。压缩空气系统，包括空气压缩机、空气干燥器、空气控制站及整套空气管路。12 年操作备品备件。通用及专用工具。其它选择包括系统操作培训、监督及维护。,材质选择和腐蚀控制,就反渗透和纳滤本体而言，高压泵、高压管路及保安滤器材质均应选用不锈钢，而产品水输送管和储槽一般采用非腐蚀的优质PVC、UPVC、ABS 工程塑料和玻璃钢复合材料等，而选择衬胶管线通常不是现实，因为膜系统本体通常采用紧密的管线设计，而且需要使用不少的联接件与配件。,不锈钢的基本优点是对一般腐蚀具有很好的抵抗力
48、。不锈钢很少产生电流腐蚀和应力腐蚀破坏，但不锈钢却容易发生点蚀和缝隙腐蚀，点蚀代表金属受到局部侵蚀，在其表面上造成凹陷孔洞，如果氧化铬钝化层被破坏，氯离子就会攻击裸露的金属形成点蚀。缝隙腐蚀与小孔、垫片表面、沉积物周围以及螺丝下的裂缝等处的一小撮静止水所导致的点蚀有关。为避免发生膜系统高压管路的点蚀及缝隙腐蚀。,在一般水源条件下，可以选用AISI304 材质的不锈钢（国内相似组成的不锈钢材质为SS321，0Cr18Ni9 或1Cr18Ni9Ti 等）当原水含盐量在 2,0005,000ppm 时，建议选用含碳量小于0.08%的AISI316 不锈钢；当原水含盐量在 5,0007,000ppm
49、时，建议选用含碳量小于0.03%的AISI316L 不锈钢；当原水含盐量在 7,00030,000ppm 时，建议选用含钼量为4.05.0%的904L 不锈钢；当原水为含盐量在 32,000ppm 以上的海水时，建议选用含钼量大于6.0%的254 SMO 不锈钢；,除了上述建议外，在设计与加工时还应注意：尽量减少管路缝隙及死角；高压管道设计流速须高于 1.5 m/s；焊接应采用内外惰性气体保护焊，如氩弧焊等，焊前应对焊接处作清洗干燥处理，焊后作热处理；酸洗并钝化管线；停机前用低含盐量原水或 RO 产水冲洗置换浓水。,SWRO成本比例IMSdesign 具有成本分析功能,图1表明了SWRO系统运行成本中最大的影响因素为系统电耗，其次为设备固定投资及折旧。,便于今后排除系统故障的设计建议,装卸及故障排除空间设有能探测单支元件和单个压力容器的取样接口段间性能监视仪表在线标准化每段能够单独清洗能够进行产水冲洗SDI 测量装置及其测量点现场试验台单元件测试装置,Thank You!,
