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地表水反渗透系统的设计
简介： 苦咸水反渗透系统需要以地表水作为给水水源。地表水以污染物含量高而出名，因此要求在反渗透系统和反渗透预处理设计时予以高度注意。本文主要讨论现有的和一些新的设计思路。
　　与以井水为给水水源相比，以地表水为给水水源的反渗透水处理系统的工艺设计和系统监控更为复杂，各种参数的选定更加保守。其原因可归为以下几个方面：
　　1.地表水中的各种悬浮物和胶体的含量较高，需要更多的预处理；
　　2.市政水处理或反渗透预处理过程中往往引入了反渗透系统的污染物（如明矾、阳离子、聚合物电解质、正磷酸锌及活性碳微粒等），有机污染物以及微生物，藻类等生物活性较高的物质；
　　3.地表水的温度。总溶解固形物（TDS）和污染物含量的季节性变化较大。
　　反渗透预处理
　　设计地表水反渗透系统首先应选择正确的预处理以减少和控制污染物。如果水的预处理选择得当，则反渗透系统就能正常运行。确定在系统中是否设计了合适的预处理的最好办法是进行现场小型实验或对使用同一给水水源的现有反渗透系统进行考察。但是，时间和费用往往限制了现场实验的实施。在缺乏小型实验或经验数据时，能反映季节变化的水质全分析变得更为重要。
　　反渗透设计人员应设计足够的预处理以使给水水质满足反渗透给水要求。预处理应减少悬浊物和胶体含量以使浊度＜1.0NTU（最好＜0.3NTU），15分钟SDI低于5.0（最好＜3.0）。
　　预处理还应减少有机物含量，由于有机物污染程度难于预测，因而膜生产厂家也无法提供最大含量的规定，但建议TOC（总有机碳）含量应低于2.0ppm（以碳计）。这2.0ppmTOC大致相当于5ppm的总有机生物量，如反渗透膜以13gfd（加仑/英尺2/日，约合22.1升/平方米/小时）的水通量工作一年且在运行过程中这些有机物不被连续地冲掉或者未被定期地清洗掉时，就会在膜表面堆积达0.05英寸厚（约合1.27毫米，是给水隔网厚度的近两倍）。
　　预处理还应控制藻类和细菌的增长，由于生物污染程度难于预测，因而膜生产厂家也无法提供最大含量的规定，但建议在细菌含量为10,000cfu/ml（在每毫升中的菌落生成单位）时应引起注意。
　　反渗透设计
　　设计地表水反渗透系统时，设计人员应考虑设备投资和运行成本的平衡，既能保证产水量和产水水质，又能降低能耗，降低清洗频度。
　　影响地表水反渗透系统污染速度的主要因素按其重要性顺序排列如下：
　　1.膜材质类型（醋酸纤维膜或聚酰胺膜）
　　2.产水通量
　　3.横向流速
　　4.反渗透操作条件
　　5.反渗透膜元件结构
　　一、膜类型：
　　设计人员可以选择CAB系列（醋酸纤维）膜元件或CPA系列（芳香族聚酰胺）膜元件。对于难处理的地表水或者废水系统，经常选用CAB膜来代替CPA膜。CAB膜的优点是膜表面光滑不带电荷，在使用时可减小污染物（例如带电荷的有机物）沉积，并且微生物不易在其表面粘滞。在SEM显微镜下可观察到CPA膜表面比较粗糙，另表面带负电荷，会吸引带电的有机物并将其粘滞在膜表面上。
　　CAB膜还有一个优点，即在运行时给水中可含0.3～1.0ppm游离氯。氯作为消毒剂，可保护CAB膜不受有害细菌侵蚀，还可防止因微生物和藻类的生长而引起的污堵。CPA膜本身能耐氯，但不能耐受其氧化性。因此要求除氯。要保证反渗透给水游离氯含量低于0.05ppm。CAB膜耐氯能力为26,000ppm×小时，而CPA膜在有过渡族金属离子存在时的耐氯能力只有1,000～2,000ppm×小时（以透盐率增加一倍的时间考虑）。
　　对于已经过良好的预处理去除了胶体和有机污染物并且生物活性较低的地表水，优先选用CPA膜。CPA与CAB相比有如下优点：CPA膜脱盐率较高（CPA＞99%，而CAB为95～98%），因而产水质量更高；膜耐久性强，使用期内脱盐率下降极少，从而寿命更长；所需给水压力低从而可将反渗透给水泵耗电费用下降60%；运行PH范围宽（CPA：4～10，而CAB为5～8），从而可使反渗透给水不加酸或少加酸；膜清洗时的PH范围宽（CPA：3～10，而CAB为4～7）；允许的温度上限高（CPA为45℃，而CAB为35℃），从而更便于清洗。
　　二、水通量：
　　选定了膜材质以后，设计者要考虑的第二个重要的参数是产水通量。产水通量是单位有效膜表面的产水量，用GFD（加仑/平方英尺/天）或者LMH（升/平方米/小时）表示。
　　在反渗透系统的产水通量与污染速度之间存在直接关系。水通量低，污染速度就低，要想降低水通量可选择膜面积较大的反渗透膜元件。在低水通量下，减小了污染物在给定面积膜表面上的沉淀从而降低了污染速度。这种沉淀是由于在给水平行流过膜表面时还有部分产水垂直透过膜表面而产生的。多年观察表明，一旦超过一定的水通量，其污染速度会呈指数上升。对不同水质和不同污染物含量的水源给出了建议的设计水通量范围（能看表1建议的反渗透设计导则）。这些设计导则的基础是假定已经有了足够的预处理，而且生物活性受到控制。制定设计导则的目的是为了降低污染速度，从而减少清洗次数。
　　根据经验，如果每隔3个月或者更长的时间清洗一次，则表明预处理和反渗透系统设计是合理的，如果1至3个月清洗一次，则可改进工艺和增加设备。假如不到1个月就清洗一次，考虑到清洗费用、反渗透膜寿命缩短以及运行工况恶化，则需要增加更多的预处理设备以便进行工艺改进。
　　三、横向流速：
　　为了控制地表水反渗透系统中的污染速度，选择最佳膜面横流速度与选择水通量同样重要。给水和其产生的浓水在膜表面的横向流速越高，膜污染速度就越低。当给水和浓水水流穿过给水/浓水隔网时，高横向流速可增加湍流程度，从而减少颗粒物质在膜表面上的沉淀或在隔网空隙处的堆积。较高的横向流速也提高了膜表面上的高浓度盐分向主体溶液的扩散速度，从而减少了难溶盐沉淀在膜表面上的危险。
　　为了达到所希望的系统水通量，设计人员在确定了所要求的反渗透膜元件的数量之后，还应考虑到横向流速问题。这些反渗透元件可串联在压力容器中。对于地表水反渗透系统，一般可用6个40英寸长的元件串入一个压力容器中（注：对于井水或MF、UF或RO出水等SDI较低，因而污染程度低的给水，由于给水-浓水压降一般较低，因而在这些系统中每压力容器可使用7只膜元件）。选择365或者400平方英尺的8英寸直径×40英寸长的高膜面积元件（与330平方英尺的元件相比较）的优点是在对给定水通量的系统中可减少压力容器数量。压力容器数量的减少即意味着每个容器的横向流速高，污染的可能性就减少，设备投资费用也少。
　　表1中建议的反渗透设计导则注明了对于不同给水水源，压力容器中膜元件的最大给水流量和最低浓水流量。设定最大给水流量用来保护容器中的第一根反渗透元件，使其给水与浓水压力降不超过10psi。压力降高于此值就会使膜组凸出并且使给水隔网变形，从而损坏膜元件。设定最小的浓水流量以保证在容器末端的膜元件有足够的横向流速。从而减少了胶体在膜表面上的沉淀，并且减少浓差极化对膜表面的影响。浓差极化是指在膜表面上的盐浓度高于主体流体浓度的现象。盐浓缩是因膜表面附近的横向流速低而造成的（与管子中心的流速高于管子表面的流速的概念相似）。横向流速越低，膜表面的盐的反向扩散速度就越低，结果难溶盐沉淀的机会增多，而且更多的盐会透过膜表面。浓差极化的程度可被量化为b值，该值应该小于1.20。
　　四、反渗透维护：
　　有多种维护方法可以降低地表水反渗透系统的污染速度。这些方法包括伺服运行时的浓水再循环，停运后低压冲洗，停运期间定期低压冲洗以及定期消毒。我们建议采用RO产水对膜元件进行冲洗和短期浸泡，但这种方法常常得不到使用。RO产水可抑制细菌滋长，而且还可以溶解膜上的污染物或者使它疏松。
　　浓水再循环的优点是提高了横向流速，从而可冲洗掉膜表面上的污染物，其缺点是使RO给水泵的容量增大而且RO产水含盐量也会增加10%。
　　停运后冲洗的优点是可将污染物及浓水从膜元件中冲洗出来。
　　停运期间冲洗的优点是可将膜元件表面的死水冲洗出来并能阻止生物滋长。根据现场条件，这种冲洗至多每8小时进行一次。
　　可以进行定期消毒，以控制两次清洗之间的生物滋长。
　　在运行状态连续消毒是工艺设计中所关心的最新领域。醋酸纤维素膜有其固有的杀菌优点（可在给水中含0.3～1.0ppm的游离氯）。而对于CPA膜，在运行中使用氧化型杀菌剂方面就受到限制。在不含铁的给水中（这在多数反渗透系统中都很难做到），要求将氯控制到少于0.05ppm，过醋酸/过氧化氢控制到0.4～1.0ppm。目前正在进行现场试验，以研究对于较复杂的RO用途，是否可加入较多的氯以减少清洗次数并且还能保持适当长的使用寿命。目前还正在进行其它现场研究以调查氯胺的杀菌能力及其对CPA膜的影响。最初的结果表明在某些情况下CPA膜可耐受6～8ppm的氯胺，而在其它情况下可耐受多达12ppm的氯胺。
　　五、反渗透膜元件结构：
　　世界上所用的井水和地表水反渗透系统所用的膜元件绝大多数为卷式膜元件。与中空纤维和板框式结构相比较，卷式膜元件在给水通道抗污染能力、设备空间要求、投资和运行费用以及可从很多的供应商处购得等方面提供了最佳的组合。
　　选择卷式膜元件时主要考虑因素为膜的有效表面积、给水通道隔网的几何形状、尺寸以及产品制造质量标准，这些质量标准是用来确保膜元件的可靠性，如密封完整性和FRP外皮的坚固性。
　　如前所述，具有最大的膜面积有利于设计最低水通量和最高横向流速的反渗透系统。
　　反渗透膜元件采用塑料网作为给水通道隔网，其目的是向给水提供一条尽量接近湍流的通路，使给水在卷式膜片之间充分流动。以前市场上多数苦咸水反渗透膜元件都是采用0.028英寸至0.031英寸（28～31密耳）厚的金刚石形隔网。一些较新的反渗透膜元件使用了26密耳（0.66毫米）隔网来增加膜面积、产水量和元件中的给水与浓水的压力降，而另一些元件采用了31至34密耳隔网，以减小膜面积、产水量和给水与浓水的压力降。
　　地表水采用较厚隔网的目的是希望：
　　1.由于给水与浓水间的压力降开始时较低因而可延长两次清洗之间的运行时
　　  间,从而能容纳更多的污染物；
　　2.一旦反渗透膜元件被污堵，可缩短清洗时间。虽然并无明确的经验数据以
　　  支持这一设计，而且还需要继续研究以确定厚隔网的优点是否可以抵销反
　　  渗透系统设计中的高水通量和低横向流速的消极影响。
　　表2是市售的8英寸×40英寸反渗透元件的部分数据总结，包括膜工作面积、给水隔网厚度、给水隔网的大约体积（立方英尺）以及隔网厚度对雷诺数的影响。在运行期间厚盐水隔网的有利方面是压力降可能较低，因此达到单支膜元件上压力降的极限值（10psid）时的工作周期。但这与通常建议的清洗要求：因污染导致压力降升高10～15%时就应清洗的说法相对立。厚盐水隔网也有雷诺数低的消极影响，尽管这可能是一个小缺点，因为所有隔网的雷诺数都是100左右，这一数值使隔网水流完全处于0～2000的层流范围内，所有不可能出现涡流或者湍流。在清洗期间厚盐水隔网的正面影响可能在于能更快地去除较大的污染物，因此可缩短清洗时间。
　　从表中可有趣地观察到醋酸纤维反渗透膜元件（最常推荐的用于地表水处理的膜元件）的给水隔网总体积最小（收集污染物的能力小），而给水隔网的厚度处于中等范围，为28密耳。
　　反渗透元件的生产质量标准也很重要。制造考虑的因素有给水密封的完整性、FRP外皮的坚固性、膜片在卷制中无皱折、使用合适的卷绕拉力等等。实际情况是主要生产厂家生产的、市售超过一年的任何反渗透膜元件，如在生产厂家建议的设计导则内运行时对于地表水处理都是合适的。
　　结束语：
　　地表水处理用反渗透系统的设计应仔细考虑各种因素并采取相应的对策，这些因素包括反渗透预处理、反渗透排列选择、反渗透膜元件选择以及反渗透操作步骤。目前为降低地表水反渗透系统的污染速率已有一些小改进，但在技术上尚无大的突破。降低污染速率的进一步设计概念是开发新的反渗透膜、改进反渗透膜元件结构、开发清洗或者消毒用的新化学药品或者使用现有的化学药品而改进清洗和消毒程序。
　　表1. 反渗透设计导则(针对8×40英寸膜元件)
设计参数
地表水
井水
反渗透产品水
SDI的最大值(15分钟)
4
2
1
产水通量GFD
8～14
14～18
20～30
产水通量的年下降率%
7～10
4～7
1～4
CPA膜透盐率的年增长率%
5～17
3～10
1～5
CAB膜透盐率的年增长率%
33
17～33
17
每根膜组件的最大给水流量gpm
55～75
60～75
75
每根膜组件的最低浓水流量gpm
12～20
12～16
12
单只膜元件允许的最大压力降psi
10
10
10
　　注:  透盐率=100%－脱盐率
　　GFD：加仑/平方英尺/天；gpm：加仑/分钟；psi：磅/平方英寸
　　表2    8×40英寸反渗透膜元件部分工艺参数
膜元件型号
有效膜面积(平方英尺)
给水隔网厚度(密耳,mil)
给水通道体积(立方英尺)
给水通道内雷诺数(一)
CAB(醋酸膜)
340
28
0.79
中
CPA(复合膜)
330
31
0.85
低
365
28
0.85
中
400
26
0.87
高