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1、地表水反渗透系统的设计(一)摘要：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。关键词：地表水反渗透前言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
2、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
3、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
4、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 S
5、EM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0.31.0ppm 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 1,0002,000ppm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 C
6、PA膜。CPA与 CAB相比有如下优点： CPA膜脱盐率较高（ CPA99%，而 CAB 为 9598%），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：410，而 CAB 为 58），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：310，而 CAB为 47）；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
7、 / 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
8、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
9、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
10、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。
