反渗透膜在水处理中的系统设计指南

反渗透膜在水处理中的系统设计指南

　　【反渗透膜的特殊应用】

　　一个反渗透系统的优先设计点和需要水量等参数有关，同时也受反渗透膜元件和原水的自身特点的限制。举例说明，从难溶盐和胶体污染角度考虑，多段的反渗透系统回收率可能达到88%。单支膜元件流程的系统即使不会结垢并且SDI3.0-5.0没有问题，但系统回收率还是15%。

　　另一方面, 海水淡化系统只有30-45%的回收率(多支膜串联)，主要因为浓水的渗透压高的原因，一般海水膜元件长期运行时*高的操作压力在69bar左右。单支海水膜元件*高回收率只有10%左右(SDI<5)。

　　在海水系统中，即使在允许的*高压力下，渗透液水量也相对较低，而在苦咸水系统中，即便没有达到41bar的操作极限，渗透液流量也会很高。尽管为了*大限度减少膜元件费用而增加渗透液流量是很诱人的，但是为了防止污染和结垢，这个流量是要被限制的，例如：系统设计中流量极限取决于进水中的污染趋势。

　　系统设计指南

　　上面提到了影响海水淡化系统的主要因素有渗透压和海水膜元件的物理耐久特性，虽然在苦咸水系统中，进水中的结垢和污染趋势对系统设计有很大影响，但在海水系统中这两个因素的影响不大。单段海水系统回收率通常可以做到30- 40%左右。

　　比较而言，由于进水中污染和结垢趋势多种多样，加之在回收率超过50%时要采用多段排列，苦咸水系统的设计需要更加地精心。单位膜面积产水量越大(即平均产水通量越大)，膜的污染越快，化学清洗越频繁。SDI值的高低代表水中污染物质的多少。

　　某些应用领域，原水为少量特殊的溶液如废水或工艺水,间歇式操作是适合的方法。原水收集在一个水箱里等待处理。产品水收集走，浓水循环回原水箱。在一次间歇操作结束时，排放掉原水箱中的少量浓水，按标准方法清洗膜元件，再将原水箱注入溶液等待处理。

　　间歇式运行系统

　　间歇式的改进方式是半间歇式模式。系统运行时不断给原水箱补充源水，当水箱中完全充满浓缩液时停止运行，这样也可以使原水箱小一点。间歇式操作的压力恒定不变，所以产水量随进水浓度增大而减少。表1的设计导则对间歇操作也适用，如果有合理的清洗频率, 产水通量可以适当超出。

　　超滤膜在水处理设备中的作用

　　工业工件的润滑、清洗和石油化工行业的炼制及加工会产生许多含油的废水，含油的废水一般为漂浮油、分散油和乳化油三种形态存在其中乳化油的分离技术难度*大，用电解法或化学法破乳使油粒凝聚的成本比较高，而超滤这种膜就可以直接可将油水分离，特别适用于高浓度乳化油的处理净化回收。超滤净水设备处理乳化油废水时，界面的活性剂可以透过，而超滤膜对油完全阻止，随着浓度的不断增加油就会漂浮油浮于液面上，再用收集油装置即可去除。

　　液膜法除酚速度快、流程简单，可处理各种浓度含酚废水。北京大学环境研究机构所采用液膜法两段逆流连续萃取除酚,将煤油活性剂、氢氧化钠水溶液混合搅拌制成乳状液,处理后的工业含酚废水中酚含量从800mg/L降至0.5mg/L。当今，我国在液膜处酚技术方面已进入工业应用阶段。

　　生物膜废水处理相关技术是把膜分离技术和废水处理中的污泥工艺相结合，将生物器与膜组件合用的一项净水技术。其过程为：污水进入生物器与生物相充分反应后，再循环泵的有效作用下，流经膜组件，排放过滤出水，生物相回流入生物反应器。膜组件取代了传统工艺的二次沉淀池，且比之传统工艺有许多优点：

　　(1)膜生物反应器中同时进行生物处理和过滤***作用，所以其出水水质良好;

　　(2)在反应器中可获得较高的微生物浓度，提高处理负荷;

　　(3)水力停留时间与污泥龄完全分离，使生物处理过程易于控制且具有更高的可靠性和灵活性;

　　(4)可以截留短时间难于降解的大分子有机物;

　　(5)设备紧凑，占地少。

　　【反渗透膜的评价指标及影响因素】

　　反渗透膜元件的脱盐率在其制造成形时就已确定，脱盐率的高低取决于反渗透膜元件表面超薄脱盐层的致密度，脱盐层越致密脱盐率越高，同时产水量越低。反渗透对不同物质的脱除率主要由物质的结构和分子量决定， 海德能反渗透膜元件 对高价离子及复杂单价离子的脱除率可以超过99%，对单价离子如：钠离子、钾离子、氯离子的脱除率稍低，但也超过了98%;对分子量大于100的有机物脱除率也可达到 98%。

　　2、产水量(水通量)

　　产水量(水通量)――指反渗透系统的产能，即单位时间内透过膜水量，通常用吨/小时或加仑/天来表示。

　　渗透流率――渗透流率也是表示反渗透膜元件产水量的重要指标。指单位膜面积上透过液的流率，通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

　　回收率–指膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分比。膜系统的回收率在设计时就已经确定，是基于预设的进水水质而定的。回收率通常希望*大化以便提高经济效益，但是应该以膜系统内不会因盐类等杂质的过饱和发生沉淀为它的极限值。 回收率=(产水流量/进水流量)×100%

　　二、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*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。

　　【反渗透膜的基本分离特性】

　　1) 无机物的脱除率比有机物的脱除率高，有机物分子量大于100的也有比较高的脱除率。

　　2) 离子态溶质的脱除率好于非离子态溶质。

　　脱除率高于Na+。

　　4) 无机物溶质脱除率与离子大小和水合离子大小有关。离子半径或水合离子半径越大，脱除率就越高。

　　5) 非离子态溶质的分子量越大，脱除率越高。

　　6) 分子量小于100的气体分子很容易渗透过膜片。例如，氨气、氯气、二氧化碳、氧气和硫化氢容易透过膜。

　　7) 弱酸的脱除率低并且和分子量有关。以下三种酸的脱除率因分子量减少而降低。柠檬酸高于酒石酸高于乙酸。

　　◎ CSM反渗透膜的特性

　　1) 高水通量和高脱盐率

　　2) 化学稳定性好 (pH2 – 12)

　　3) 使用寿命长

　　4) 抗生物污染

　　5) 可使用压力范围广泛(20 – 1000psi)

　　6) 可使用温度范围广泛(4℃ – 45℃)

　　7) 经济性好

　　间歇式操作与连续操作的比较

　　优势 :

　　? 系统回收率可以*大化

　　? 清洗容易操作

　　缺点 :

　　? 产水质量不稳定

　　? 泵选择偏大

　　? 运行费用偏高

　　单支压力容器系统

　　单支压力容器*多可以串联安装7支膜元件，第1支膜的浓水作为第2支膜的进水流入下一支膜。 如此下去，所有膜元件的产水管连接并与容器两端端板上的产水口连接，产水收集可以在其中任何一端。

　　单支压力容器系统中的膜元件数量根据产水需要而定。

　　进水经过截止阀进入膜系统，首先通过保安过滤器，然后进入高压泵，通过高压泵升压后，再进入膜组件的入口，产品水离开膜组件时，为防止产水背压造成膜元件的损坏，产水压力不应高于0.3 bar( 5 psi )。

　　浓水端出口的压力几乎与进水压力相当，系统从进水到浓水出口之间的压差通常在0.3-2.0 bar之间，它取决于元件数量、进水流速和水温。浓水控制阀控制浓水流量和系统的回收率，系统回收率不得超过设计规定值。

　　单段系统

　　在单段系统中，两个或两个以上的膜组件并联在一起，进水、产水和浓水均由总管管路系统分别相连。其它方面与单支组件系统相同。单段系统通常用于要求系统回收率小于 50%，