反渗透系统设计导则[1]

反渗透系统设计导则1设计导则说明反渗透是迄今为止最精密的膜法液体分离技术，它能阻挡所有溶解性盐及分子量大于100的有机物，但可允许水分子透过。完整的反渗透处理系统一般由预处理部分、膜处理部分和后处理部分组成。导则中将讨论膜装置本身，包括膜元件、以一定方式排列的含膜元件的压力外壳、给膜压力外壳供水的高压泵、管道、仪表、装置支架和阀门等，还应包括设置就地清洗系统。对反渗透膜系统的性能而言，通常采用产水流量和产水品质两个参数进行衡量，但这两个参数总是针对于给定的进水水质、系统回收率及进水压力。因此设计者的主要职责是针对所需的产水量，使设计的系统尽可能的降低膜元件成本及操作压力，与此同时尽可能的提高水回收率和产水量以及系统的长期稳定性与清洗维护费用。达到设计产水量所需的进水压力取决于产水通量值的选择，设计时选择的通量值越大，所需的进水操作压力也就越高。为了减低膜元件的成本，设计时会选择高的产水通量值，但产水通量值的选择是有上限的，规定上限的目的就是为了减少今后膜设备内的污染和结垢。系统的通量设计极限是由进水的潜在污染程度而定，随着产水通量和元件回收率的增加，膜面上的污染物的浓度也随之增加，产水通量值高的系统其污染速率和清洗频率就越高。经过预处理后的出水淤积密度指数（SDI）与水中残留污堵物质的含量有较好的对应关系。当对某一特定进水水源设计膜系统时，最好能了解到类似膜系统处理该水型时的运行情况。但是，通常未必有这类系统可供参照，此时可遵循本章推荐的系统设计导则。系统设计者应根据项目特点进行设计优化，在设计之前必须充分收集原水水质分析报告等系统设计资料，资料越完整，系统就越具有针对性，就越能为用户提供设备长期稳定运行的可靠设计。12水质分析主要项目简介对于反渗透水处理设备的用户及反渗透设备的生产厂家，全面了解系统应用原水的化学成分和其在运行过程中产生的化学现象，对于判断设备在产水过程中形成污垢(Scale)的可能性是非常重要的，下文将就反渗透水处理系统水质分析进行说明。2.1一般水质分析项目进水水质分析主要包含以下项目：pH值、碱度（Alkalinity）、SO42-(Sulfate)、CI-(Chloride)、NO3(Nitrate)、F-(Flouride)、H2S(Sulfide)、PO43-(Phosphate)、SiO2(Silica)、硬度（Hardness）、Fe,Mn(Iron&Manganese)、Na+(Sodium)、Ba2+(Barium)、Sr2+(Strontium)、Al3+(Aluminun)、Cu2+(Copper)、Zn2+(Zinc)、Ca2+(Calcium)、Mg2+(Magnesium)、K+(Potassium)、游离性余氯（FreeChlorineResidaul）以及CO2(Carbondioxde)等。2.2水源综合分析项目2.2.1SDI（SiltDensityIndex）SDI也称为淤泥密度指数（foulingindex），是表征反渗透系统进水水质的重要指标。该指标是表示RO膜系统在依据此给水条件下运行发生污染可能性的一种尺度：SDI数值表征了在规定时间内,孔径为0.45μm测试膜片被溶在被测试给水中的淤泥、胶体、黏土、硅胶体、铁的氧化物、腐植质等污染物堵塞的比率和污染程度。SDI的具体标准检验法在美国ASTMTEST（D189-82）的文件中有所叙述，具体测试过程如下：首先应充分排除过滤池中的空气压力，使给水以30PSI的恒定压力通过直径为Φ47mm、孔径为0.45μm的测试滤膜后开始测定：首先测定开始通过滤膜的500(250)毫升水所需要的时间T0；在使水连续通过滤膜15分钟后，再次测得通过滤膜的500(250)毫升水所需要的时间T1；在取得以上3个时间数据之后，由此可以计算出该水源的SDI值：即SDI=（1－150TT）×151002在实际工程中，当T15为T0的四倍时，SDI为5；在SDI为6.7时，水会完全堵塞测试膜，而无法取得时间数据T15，在这种情况下需要对反渗透预处理系统进行调整，使其SDI指标降至5.0以下。SDI数值测试方法的局限性在于该测试方法与反渗透膜系统的运行方式有所不同：因为在测定SDI时，给水中的所有污染物均被测试滤膜过滤；而反渗透系统在运行时，膜表面则有相当部分的污染物沿着膜表面被RO浓水一道流走。但是，经过大量的工程实践证明，以该种测试方法而得到的SDI值还是能说明反渗透系统给水的污染程度：（1）一般说来，在RO系统给水SDI值低于3时，对膜系统的污染不重，设备运行基本不会出现膜系统的过快污染；（2）当SDI大于5时，则说明在反渗透系统运行时可能会引起较重的膜污染。2.2.2有机物、生物污染物的综合监测有机污染物、微生物和细菌普遍存在于地表水和废水之中。反渗透系统在处理该类水源时，水中尚存的有机物在膜分离过程中非常容易被吸附在膜表面上，但是我们在设计及对原水取样分析时想得到准确的分析结果却十分不易。一般情况下在设计使用该类水源的反渗透系统时，对有机物的全面分析只能从总有机碳含量（TOC），生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）几方面对水源进行鉴定。工程实践证明：（1）一般说来当原水TOC含量在2毫克/升以上时就应引起足够的重视；（2）在TOC含量高于3毫克/升时就应该对存在于原水中的有机物进行细致的分析才好。这是因为水中有的有机物不仅会污染RO膜，而且长期附在膜面上还会引起RO膜的超薄屏障层的化学降解，进而引起膜性能的退化和降低。但是，在有的水源下，虽然水中有机物含量很高，但是实践证明其对膜材料却无丝毫损害，所以工程设计时在对特殊水源的有机物分析十分重要。原水的生物含量检测也是十分重要的，必须引起足够的重视，这是因为微生物3在进入RO系统后，虽然不会吞噬膜材料，但是其在膜元件表面及内部寻找到形成生物膜的理想环境，以致于对膜元件形成生物污堵。由此而引起的生物污堵严重并增大到一定程度时，甚至会导致反渗透膜系统中的膜元件发生“望远镜现象”，造成膜元件的机械损坏，这一点对反渗透系统设计者来说很重要。2.2.3氧化还原电位ORP氧化还原电位ORP是表征水体中氧化性物质和还原性物质多少的一种参数。当氧化还原电位呈正值时表示水体中含氧化性物质，当氧化还原电位呈负值时表示水体中含还原性物质。水体中的氧化物质通常是游离性氯、臭氧等，聚酰胺复合膜的耐氯性都比较差，膜元件要求的进水游离性氯含量不超过0.1ppm，所以反渗透进水的氧化还原电位较低，必须采用活性炭过滤器或投加还原剂的方法去除水体中的氧化性物质。自然界的水体氧化还原电位通常为负值，这是因为这些水中含有H2S、SO32-、Fe2+等。反渗透系统对H2S和Fe2+也很敏感，因为这两种物质可能会在系统内部造成胶体污染和微生物污染，可以采用活性炭吸附、絮凝过滤、离子交换等方法在系统预处理中去除。2.3反渗透污染物分类说明2.3.1悬浮固体●普遍存在于地表水和废水中●直径1微米●水流处于未搅动状态时，可以沉积下来●很容易被反渗透系统设置的细砂过滤器和多介质过滤器滤出预处理后，下列指标必须降低至：●浊度1NTU●15分钟SDI52.3.2胶体污染物4●普遍存在于地表水和废水中●颗粒直径往往小于1微米●污染物主要存在于反渗透系统的前端●即使在未处于水流搅动时也不会自由沉降，始终保持悬浮状态●可能是有机或无机成分组成的单体或复合化合物●如硅酸化合物，铁铝氧化物，硫化物，单宁酸，腐殖质等预处理后，下列指标必须降低至：●浊度1NTU●15分钟SDI52.3.3有机污染物●普遍存在于地表水和废水中●污染物主要存在于反渗透系统的前端，被吸附在膜表面●来源：动植物的腐烂物和工业废弃物污染●对膜系统的污染后果最难预测●进水TOC含量达到2ppm时应采取相应的去除措施●可采取如絮凝、澄清、氧化、活性炭吸附过滤器、有机物清扫器或超滤设备的设置等预处理工艺●具有电中性表面的FR膜可能更为适用2.3.4生物污染●普遍存在于地表水和废水中●开始易形成于反渗透前端，随后扩展至整个反渗透系统。●该类污染物通常为细菌、生物膜、藻类和真菌●进行反渗透工艺系统设计时，必须控制生物活性●原水细菌含量在1000cfu/100mg以上时就必须考虑去除措施2.4针对特定污染物的预处理设计要点52.4.1针对难溶无机盐的反渗透预处理系统设计●离子交换软化●给水中计量添加化学阻垢剂●弱酸型阳离子交换脱碱软化●石灰软化辅助投加镁剂2.4.2针对胶体和微粒的反渗透预处理系统设计●石灰预软化工艺，并辅助投加少量铝酸钠。●采用微滤或超滤预处理设备●投加混凝剂、助凝剂或絮凝剂后进行多介质过滤或细砂过滤2.4.3针对金属氧化物的反渗透预处理系统设计●石灰预软化和混凝、澄清、沉降的组合处理工艺●混凝、沉降和砂滤或锰砂过滤等工艺●添加化学分散剂●电化学凝聚、沉降和多介质过滤的组合处理工艺2.4.4针对难溶性硅的反渗透预处理系统设计●投加硅分散剂●石灰预软化和投加镁剂(菱苦土)相结合的方法●设置的热交换器2.4.5针对原水含有微生物或系统已有微生物滋长的反渗透预处理系统设计●紫外线杀菌●投加非氧化性化学杀菌剂●增设微滤或超滤工艺●保持水流动，尽量减少水流死角●石灰软化或是投加硫酸铜（0.1PPM）工艺62.4.6针对含有天然有机物的反渗透预处理系统设计●活性炭吸附过滤工艺●石灰预软化、混凝、澄清组合处理工艺●微滤或超滤工艺2.4.7针对原水处于还原状态(缺氧)且含有锰、二价铁和硫化氢及氨盐的反渗透预处理系统设计●混凝、沉降及介质过滤等组合工艺●对原水中铁离子含量的控制●采用脱气或气提的方法●采用加氯工艺需特别谨慎2.4.8针对原水中微量油脂的反渗透预处理系统设计●油水分离●活性炭吸附过滤●超滤膜分离●化学凝聚2.4.9针对原水是稍差的城市自来水或自备水源的反渗透预处理系统设计●还原剂（亚硫酸氢钠）计量投加装置●活性炭吸附过滤器●投加阻垢剂，但应考虑所投加的阻垢剂与给水前期投加的絮凝剂和凝聚剂是否兼容3系统设计导则及应用指南反渗透系统设计的最终目的是为了安全、有效地运行，因此反渗透系统或装置的设计必须综合考虑到其运行的技术经济合理性、安全、易于操作和设备空间限制、维护及环境保护等诸多方面的要求，设计时应首要考虑操作管理人身及设备安全两个方面。7反渗透膜分离系统的运行方式与传统的过滤系统完全不同。传统的过滤系统在运行时，水体全部通过过滤器的滤层，在截污能力降低到一定程度时，依靠设备的反冲洗操作将截留下来的污物从滤层中除掉。而反渗透系统在运行时则是原水中的一部分水流沿与膜表面垂直的方向透过膜，同时另外未透过的部分水流则沿着与膜表面平行的方向流过，因此在工艺上属横流过滤的范畴。在反渗透系统产水过程中，水流垂直透过反渗透膜时，原水中的盐类和其它胶体污染物受给水的净压力作用被浓缩于膜表面，与此同时剩下的另外部分未透过的水流则沿与膜表面平行的方向被浓缩在膜表面的污染物质带走。也就是说，一个设计优良的反渗透系统在运行过程中能够在正常运行的同时完成良好的自身清洗过程。大量的工程实践表明，为有效地控制反渗透膜系统在使用过程中的污染速度，选择适宜的水通量及分离过程中的横向流速是十分重要的。但过高的水通量设计，会使其污染速度呈指数变化趋势上升，同时较高的横向流速设计则可增加膜系统运行时水流的湍流程度，从而减少已进入膜系统内的颗粒物质在膜表面的沉淀或在隔室空隙处的堆积。另外，由于系统采用了较高的横向流速，因此提高了膜表面的高浓度盐分向主体水流的扩散速度，进而减少了难溶物沉淀在膜表面上的危险。但是，较高的横向流态设计往往会使系统水回收率降低或循环水量过大，这样在具体工程设计时，适宜的水通量及横向流速的设计与选择至关重要。我们把这种在膜分离过中，由于料液的浓缩导致了膜表面处的物料浓度与膜水流道间的主体水流物料浓度不同的现象称之为浓差极化，若设计或运行管理不适，往往会使反渗透膜系统浓差极化现象加剧。反渗透系统产生这种浓差极化现象后会产生如下不良后果：（1）膜表面的盐量浓度高，从而增加了