反渗透和纳滤系统的设计

反渗透和纳滤系统的设计

反渗透和钠滤系统通常包含预处理设备、反渗透/钠滤设备和后处理设备。设置预处理部分

的目的是调整原水的水质使其符合反渗透和纳滤系统的进水水质要求。后处理工序的目的有两个，一是调节反渗透和纳滤的产水成分使其符合使用目的，二是使浓水符合排放标准。 在设计反渗透和纳滤系统时，正确掌握原水水质和对产水的要求是最基本的要素，对各个装置的设计进行优化组合是保证系统的正常运行必不可少的重要环节。下面针对反渗透和纳滤系统的设计进行论述。 1 系统配置 1、1 概述

在反渗透和纳滤系统的设计中，（1）膜元件型号的选择；（2）水通量选择（单位膜面积的产水量，GFD或LMH）；以及（3）回收率，都是重要的事项。一般尽可能设计高的回收率，这样可以降低供给水的量，减少预处理的成本。但是，系统的回收率过高时会有以下的不利因素需要考虑：

⑴ 结垢的风险增大，需要添加阻垢剂； ⑵ 产水的水质下降；

⑶ 运行操作压力增高，泵和相关设备的费用增加。

产水量和回收率的设计一定要符合安全的标准。一般建议要有一定的设计弹性。使用某公司的膜元件时注意参看该公司的设计导则。

系统的运行方式一般分为连续操作和批式操作两种。批式处理是指储存一定量的进水，一定期间内处理产水和浓水，一般在小规模的浓缩工程和水量小或连续供水不足的场合被采用。连续操作是设定一定的回收率和产水量，基本上以一定的操作压力进行连续地分离处理产水和浓水，大规模的反渗透和纳滤装置都采用连续过滤。 1、2 单元件系统

单元件系统是最小的反渗透或纳滤系统，虽然只包含一支膜元件，但是配套设备却很完整。因此熟悉了解单元件系统的结构和设计，对理解大系统的设计是十分有帮助的。控制适当的给水范围（最大给水流量和最小浓水流量），防止由于浓差极化所引起的水通量减少和膜污染非常重要。由于该系统仅采用一支膜元件，而设计要求单支 40 英寸的膜元件浓水排放量与产水量比的最小值为 5：1（约相当于 18% 的回收率），因此单一膜元件系统很难达到较高的系统回收率。为了提高回收率，系统流出的浓水的一部分可以返回到给水处。采用部分浓水回流的方式可以增加回收率（一般可增加到 50 % ），但是由于有部分浓水返回到进水，会导致产水的水质下降。 1、3 单段系统的排列

把单支膜元件并联起来排列就成了单段系统。单段系统中包含两个以上的膜元件。单段系统的排列和单元件系统的排列意义相同，系统的回收率一般在 15—50 % 之间。为了提高回收率，可以在每一个压力容器内串联更多的膜元件。膜元件串联的数量和回收率之间的关系见下表： 膜元件串联数

量 1 2 3 4 5 6 最大回收

率，% 16 29 38 46 53 59 1、4 多段系统的排列

当要求系统的回收率高于 50 % 时，可以采用多段系统。多段系统是指第一段的浓水作为第二段的进水，第二段的浓水作为第三段的进水，以此类推。每段的进水一部分变成产水，后一段的进水流量会减少，含盐量会升高，所以后段的膜元件数量要比上一段的膜元件数量少，以保证正常的进水流量。一般的排列方式是 2：1 或 4：2：1 。通常，两段系统可以把回收率做到 50—70 % ，三段系统回收率做到 75—90 %。

在多段系统中，浓水侧的渗透压不断升高，有时会发生净驱动力（NDP）不足的现象。造成前段产水和后段产水不均衡。这时有三个解决方法： ⑴ 在每个段间加增压泵，以提高后段的驱动力；

⑵ 在第一、第二段产水侧设置节流阀门。通过增加产水背压的方式，降低前段产水量，保持整体有效压力（NDP）的均衡。采用这个方法时，系统停止运行时有可能造成背压（产水侧压力大于进水侧压力）。在设计以及操作时必须谨慎处理。

⑶ 前后各段采用不同过滤阻力的膜元件。前段采用阻力大的膜元件，，人为降低前段的产水量，后段采用阻力小的膜元件，以保证产水量。 1、5 多级系统

在一些应用中，单级反渗透的产水水质无法满足用水的要求，为了尽可能的降低产水含盐量，前一级反渗透的产水作为下一级反渗透的进水被称为多级反渗透系统。设计多级反渗透系统时，根据产水水质的要求，可以考虑第一级的产水全部进入第二级或部分进入第二级反渗透系统。如美国海德能公司的分裂式部分二级设计的海水淡化系统中，第一级中采用海水淡化反渗透膜元件 SWC系列，后端高浓度的产水作为第二级低压型 ESPA 膜的进水，经过二级处理的产水和第一级前段低浓度的产水进行混合。第二级反渗透的浓水可以循环回第一级反渗透系统进水中。第二级反渗透浓水中的含盐量通常比第一级进水的含盐量还要低，所以将第二级浓水返回到第一级进水会降低进水含盐量，增加整体的回收率。这就是分裂式二级设计。 与第一级不同，在第二级反渗透系统的设计中，还应该注意以下几点： A、选择大通量的超低压反渗透膜元件；

B、第二级反渗透在设计时可以选择更高的水通量，一般一支 8 英寸的膜元件可以设计产水 1.5—2.0 m3/h，即：40—50 LMH；

C、在第二级反渗透中，浓差极化指数（β）最高可以达到 1.70； D、第二级反渗透系统的排列最好接近 3：1； E、最好选择 4—5 芯的压力溶器；

F、回收率应大于等于 85% ，最好能达到 90%。

1、6 采用批式操作的浓缩循环系统

茶叶、果汁和制药等工业，常以浓缩为目的。在设计反渗透和纳滤系统时，要考虑处理量和处理时间问题。以浓缩为目的的系统，批式处理比连续处理要多。采用批式处理时，被处理液的浓水以一定的流量循环回原液槽中，循环一定时间后，原液中的浓度会上升，随着浓缩倍率的增大，渗透压也会显著的上升。所以要掌握压力的调整和膜污染的情况。设计时要考虑原液温度的控制、腐蚀以及清洗杀菌的方法等。 2 系统设计步骤

为了有效发挥反渗透系统的性能，需要准确了解给水水质、用水点对产水水质和水量的要求，参考预处理和后处理工艺，以达到设计上的最优化。下面讲述的反渗透系统设计建立在进水水质符合反渗透系统进水要求的前提下。 2、1 水源

掌握水源的种类和水质情况以及水质变动的情况。水源大致可分为地表水（河川、湖泊和水库），地下水（井水），废水（工业废水和市政污水）和海水（直接取水和打井取水）。 2、2 膜元件的分类

根据原水的含盐量、进水水质的情况和对产水水质的要求，一般将膜元件分为五大类：苦咸水脱盐、超低压、低污染、纳滤和海水淡化。 2、3 平均水通量和回收率的确定

根据进水水质和对产水水质的不同要求，决定单位面积的产水通量 J （单位：GFD 或 LMH ）和回收率（Rec.）产水通量可以参照膜公司的设计导则。回收率的设定要考虑原水中含有的难溶盐的析出极限值。通常，单位面积产水量 J 和回收率 Rec. 设计的过高，发生膜污染的可能性会大大增加，造成产水量下降，清洗膜系统的频率增多，维护系统正常运行的费用增加。所以，进行设计系统时，在可能的条件下，希望采用有余量的产水通量和回收率。