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1、反渗透预处理系统培训-925Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望反渗透 从20 世纪50年代反渗透过程的发现, 到60 年代的商业化运营, 时至今日经过近50 年的发展, 反渗透水处理成为当今先进的水处理脱盐技术, 成功地运用于各个领域。反渗透用途几乎涵盖了所有工业部门, 广泛应用于电力、化工、石油、饮料、制药、电子、冶金等行业。反渗透的基本原理反渗透原理l水的传递l通过半透膜的速率由方程(2)确定。lQw（water） = ( P - .Posm) * Kw * S/d
2、 (2)l其中lQw为水透过膜的速率，P为膜两侧压力差，Posm为膜两侧的渗透压差，Kw为膜的纯水渗透系数，S为l膜面积。（2）式通常被简化为：lQw = A * (NDP) (3)l其中lA为膜常数，NDP为跨过膜的水传质总驱动压力或总驱动力。盐的传递l透过膜的盐流量定义为：lQs（salt） = C * Ks * S/d (4)l其中Qs为膜的透盐量，Ks为膜的盐渗透系数，C为膜两侧盐浓度差，S为膜面积，ld为膜厚度。该方程可简化为：lQs = B*(C) (5)l其中B代表膜常数，C为盐传质驱动力。l从方程4和5可以看出。对于一个已知的膜来说：l 膜的水通量与总驱动压力差成比例；l 膜的
3、透盐量与膜两侧的浓度差成比例，与操作压力无关。l透过液的盐浓度Cp，取决于透过反渗透膜的盐量和水量的比：lCp = Qs/Qw (6)l膜对水和盐的传质系数不同，所以才有脱盐率。没有什么理想的膜具有对盐完全的脱除性能。设计反渗透系统必须考虑的一些主要因素。比如操作压力的增加会提高水通量，但对盐的透过没有影响，所以透过液的盐度会更低l脱盐率脱盐率l通过反渗透膜从原水中脱除总可溶性杂质浓度或特定溶质浓度的百分率。计算公式为：lSR = 100% - SP (8)l其中SR 为脱盐率（），SP 为透盐率见（7）式。l产水产水-透过液透过液l反渗透、纳滤膜的透过液为净化水，因此也称为系统产水。l浓水-
4、浓缩液l未透过膜的溶液，原水中的溶质在其中被浓缩。在水处理反渗透系统中浓水作为废水排出。l回收率（转化率）l原水转化为产水的百分率。回收率是反渗透系统设计和运行的重要参数，计算公差为：lR = 100% * (Qp/Qf) (9)l其中R为回收率（），Qp为产水流量，Qf为原水流量。回收率影响透盐量和产水量。回收率增加时料液侧中的盐浓度也会增加，致使透盐量增加、渗透压上升以及NDP降低、产水量降低。l浓差极化浓差极化(-beita系数系数)l浓差极化效应如下：膜面上的渗透压比本体溶液中高，从而降低 NDP（净驱动压力）；l 降低水通量（Qw）；l 增加透盐量（Qs）；l 增加难溶盐在膜面上超过
5、其溶度积在膜面上沉淀结垢的可能性。浓差极化因子（CPF）被定义为膜面浓度（Cs）与本体浓度（Cb）的比：lCPF = Cs/Cb (10)。平均给水流量（Qfavg）成反比：CPF = Kp * exp（Qp/ Qfavg） (11)l其中Kp是取决于系统形状的比例常熟。料液平均流量采用料液和浓缩液的算术平均数，CPF可以表达为膜组件透过液回收率的函数（Ri）：lCPF = Kp * exp(2Ri/(2-Ri) (12)l浓差极化因子极限值为1.20透盐率l原水中溶解性杂质透过膜的百分率，计算公式为：lSP = 100% * (Cp/Cfm) (7)l其中SP为透盐率（），Cp为透过液盐浓度
6、，Cfm为料液的平均盐浓度。l水通量和透盐率的基本关系式是反渗透的基本原理。可以看出，透盐率随操作压力增加而降低，其原因是水通量随压力增加，但盐的透过速率在压力变化情况下保持不便。反渗透预处理系统l反渗透运行过程中, 在系统设计合理的情况下, 并排除设备机械损坏等因素外, 由于水质千差万别, 若运行控制不当, 必然会导致膜的污染, 严重的会导致整个反渗透装置的报废, 会造成巨大的经济损失。因此, 位于反渗透装置之前的预处理系统就显得格外重要。反渗透预处理的必要性l反渗透装置运行过程中, 膜本身对于pH 值、温度、某些化学物质较敏感, 有一定的要求; 同时为了避免膜表面被污染, 对各种微生物、浓
7、差极化、悬浮物、胶体、乳化油有严格的要求, 为了满足反渗透膜对水质的要求, 进料水进入膜之前必须进行妥善的预处理。反渗透预处理的必要性l只有满足反渗透进水水质要求的预处理, 才能保证反渗透膜的使用寿命; 确保产品水(渗透水) 流量稳定、脱盐率较高、回收率不变; 运行费用最低。从这个意义上来说, 预处理工艺设计恰当与否是整个反渗透装置设计成败的关键。l倘若RO 系统未设置适当的预处理，则不可能得到长期满意的运行效果；不适当或不稳定的预处理都将会导致频繁的膜清洗及膜的过早降解，甚至导致过早地更换膜元件。反渗透预处理的必要性图图 1 不同情况下膜的渗透流量与时间的关系不同情况下膜的渗透流量与时间的关
8、系反渗透预处理的目的l预处理的效果是以SDI 指数( silt density index) 或MFI 指数(modified fouling index) 来表征. 源水水质的优劣及其随时间的变化情况决定了预处理系统的复杂程度,因此在确定采取何种预处理系统之前应进行水质分析,而在运行时则需在线监测各项水质指标.l预处理的目的是使经过常规处理后的废水, 在进入反渗透装置之前, 达到进水要求, 具体如下:lSDI (污泥密度指数) 5 , 浊度(NTU) 95%, 符合反渗透进水水质的要求。新型反渗透预处理技术l l纳滤技术纳滤技术（NF） 纳滤( NF) 膜技术是近10 年发展起来的一种新型的
9、膜分离技术。NF 膜的膜孔介于超滤膜和反渗透膜之间, 截留物相对分子量200 1000，可大幅度降低进料水的浊度、硬度和TDS 的含量。NF 膜还对无机离子进行选择性分离, 使得它特别适合于海水的脱盐处理。新型反渗透预处理技术l用纳滤( NF) 技术进行反渗透海水预处理, 其优点是降低了海水结垢、污染的趋势及海水的渗透压, 从而可以较大幅度地提高浓缩倍数和水回收率, 降低后续淡化过程的屯水能耗, 提高现有装置的利用率; 或在相同产水量的情况下, 降低淡化过程的生产负荷, 有效降低海水淡化成本。新型反渗透预处理技术l以NF 产水作为RO 的进水, 则构成了NF SWRO 集成淡化系统。l与无NF
10、 预处理的SWRO 相比, 集成过程的SWRO 水回收率,在4.0 MPa 压力下为48%, 为相同压力下前者的3倍, 在5.6 MPa 压力下为50%左右, 为相同压力下前者的2 倍。表明采用纳滤预处理操作压力可有较大幅度的降低, 水回收率可有较大幅度的提高。 展望l预处理技术是影响反渗透经济性的关键因素. 先进的预处理技术不但可使反渗透可处理的源水范围更广,拓展其应用领域,而且能够最大限度地维持产水率和脱盐率,减少清洗次数,从而降低运行费用。l随着各种膜材料的不断改进和分离工艺的改良, 反渗透海水淡化在世界海水淡化产业中所占比例正在不断扩大, 而膜法处理作为反渗透海水淡化的预处理工艺也得到
11、了高度的重视, 并以较快的速度发展。同时随着新型膜与膜技术的开发, 海水淡化成本有望进一步降低, 必将加快膜法海水淡化技术转化为实际生产力的速度, 使之在解决世界性水资源短缺的难题中发挥更大的作用。设计基础l设计要点l反渗透系统的主要性能参数是产水量、回收率和产水水质指标，在设计中按照膜的产水通量、浓差极l化和膜元件内部流量分布等条件来决定能够达到系统性能指标的膜元件型号、数量以及排列方式。l实际装置通常由段组成，段是由装填有若干膜元件（通常18 支）的压力容器并联组成。前一段压l力容器的浓水进入下一段压力容器。最常见的系统为两段系统，第一段压力容器的数量通常是第二段压力l容器数量的2 倍或接
12、近2 倍（即2:1 排列），每个压力容器装6 支反渗透膜元件。如图示以海德能为例lSWC 是海水复合膜（Sea water composite）的简写。美国海德能公司一直致力于高性能海水淡化膜的l持续开发，自从成功推出性能优秀的SWC1 型海水淡化反渗透膜以来，SWC 系列产品的的家族成员在不l断增加，目前已经拥有SWC1、SWC2、SWC3、SWC4、SWC3+、SWC4+和SWC5 等性能各具特色的多l品种系列。海德能海水淡化膜的优异性能得到了世界各地用户的广泛认可，主要的大型海水淡化工程都选l用了SWC 系列产品，已经投运的SWC 海水淡化装置的制水能力已达到200 万吨每天。l SWC
13、1 和SWC2 主要是4 英寸及2.5 英寸的小型膜元件。l SWC3 是目前海德能8 英寸海水淡化膜的基本通用型产品。l SWC4 除具有极高脱盐率和高脱硼的特点外，给水温度范围也扩大了。l SWC3+和SWC4+是SWC3 和SWC4 的改进型，将原来的膜面积增加了约10%，从370ft2提高到400ft2，l通过膜性能的进一步改进，在保持原有高脱盐率的同时，产水量增加了约15%。l SWC5 是最新推出的节能型海水淡化反渗透膜，在保持99.8%高脱盐率的情况下将产水量提高到l9000gpd，成为全世界显著降低运行成本高性能的海水淡化反渗透膜的典范。SWC 系列海水淡化膜的主要性能参数（回
14、收率：15%；给水含盐量：1500 mg/L NaCl；温度：25 ；pH = 6.5 7.0）操作压力对产水量和脱盐率的影响给水流量对产水量和脱盐率的影响给水含盐量对产水量和脱盐率的影响给水温度对产水量和脱盐率的影响海水淡化装置的设计硼脱除l一般要低于世界卫生组织规定指标0.5mg/l。尽管SWC4 的硼脱除率已经l相当高了，单级反渗透系统在通常情况下还是难以达到指标(特别在温度较高时)。因此海德能推荐了一些l设计方案来获取超出SWC4 脱硼能力的产水水质，这些方案有：l 采用部分或全部二级反渗透工艺，调高二级进水的 pH 值；l 在二级使用高脱硼苦咸水膜 ESPAB；l 用硼离子交换树脂进
15、行抛光处理；l 提高一级进水的 pH 值；l 二级浓水不再回到一级进水。RO 系统估算l可按以下步骤确定生产一定量的产水的系统的近似大小（膜元件数的膜壳数）：la 选择膜元件类型和组件lb 根据进水水质选择通量范围lc 将期望的装置生产能力除以设计通量和单个膜元件膜面积数（在元件说明上有膜面积数）。ld 将总膜元件数除以单根膜壳装填膜元件数。取计算结果的整数。le 选择适当的排列以获得期望的回收率。必要时增加组件数。膜系统的设计步骤l【第 1 步】：考虑进水水源、水质，进水和产水流量以及所需的产水水质.l膜系统的设计取决于将要处理的原水和处理后产水用途，因此必须首先按照要求详细收集系统设计资料
16、及原水分析报告。必要时对水样进行调研和取样分析。【第 2 步】：选择系统排列和级数l常规的一级海水水处理系统排列结构为进水一次通过式。两级系统是两个传统RO/NF 系统的组合工艺，第一级的产水作为第二级的进水，每一级既可以是单段式或也可以是多段式，既可以是原水一次通过式也可以是浓水再循环式。【第 3 步】：膜元件的选择l根据进水含盐量、进水污染可能、所需系统脱盐率、产水量和能耗要求来选择膜元件，当系统产水量大于10gpm（2.3m3/h）时，选用直径为8 英寸长度为40 英寸的膜元件。【第 4 步】：膜平均通量的确定l平均通量设计值 f (gfd 或L/m2h)的选择可以基于现场试验数据、以往
17、的经验或参照设计导则所推荐的典型设计通量值选取。l可以根据确定膜的型号结合不同膜厂家提供的技术参数确定。【第 5 步】：计算所需的元件数量l将产水量设计值 QP除以设计通量f，再除以所选元件的膜面积SE，就可以得出元件数量NE：取 10%的过量系数的同时取整。【第 6 步】：计算所需的压力容器数l将膜元件数量NE 除以每支压力容器可安装的元件数量NEpV，就可以得出圆整到整数的压力容器的数量NV。对于大型系l统，常常选用67 芯装的压力容器，目前世界上最长的压力容器为8 芯装，对于小型或紧凑型的系统，选择较短的压力容l器：【第 7 步】：段数的确定段的数量是系统设计回收率、每一支压力容器所含元
18、件数量和进水水质的函数。系统回收率越高，进水水质越差，系统就应该越长，即串联的元件就应该越多。海水的段数与回收率有以下的关系。【第8 步】：确定排列比l相邻段压力容器的数量之比称为排列比，例如第一段为 4 支压力容器，第二段为2 支压力容器所组成的系统，排列比为2:1，而一个三段式的系统，第一段、第二段和第三段分别为4 支、3 支和2 支压力容器时，其排列比为4:3:2。当采用常规6元件外壳时，相邻两段之间的排列比通常接近2:1，如果采用较短的压力容器时，应该减低排比。另一个确定压力容器排列的重要因素是第一段的进水流量和最后一段每支压力容器的浓水流量。，最后一段压力容器的数量必须使得每一支l8
19、 英寸元件压力容器的最小浓水流量大于3.6m3/h【第 9 步】：分析和优化膜系统l所确立的膜系统结构可以采用 RO 计算机系统分析软件进行分析和调整.l结合附件的IMSdesign进行练习。举例联系。l第 1 步：SDI155 的地表苦咸水，总产水量720m3/d(132gpm)l第2 步：选择进水一次通过式结构l第 3 步：BW30-365(苦咸水膜元件，有效膜面积365ft2，即33.9m2)l第4 步：建议平均通量15gfd（25LMH），查阅设计导则。l第 5 步：元件总数=l第6 步：压力外壳总数 = 35/6 = 5.83 圆整到36l第7 步：对于6 芯外壳75%回收率 段数选
20、 2l第8 步：段排列比2:1，最适宜的排列为 4:2系统主要部件l高压泵-（柱塞泵或离心泵）l必须控制高压泵的出口压力，既能维持设计产水量同时又不会超过膜元件最高允许进水压力。l在海水淡化系统中，一般 5560%的高压浓水以大约60bar 的压力离开系统，这部分能量可以加以回收以降低系统的吨水单位能耗，能量回收方法如下：l 冲击水轮式（Pelton Wheel）l 反转透平l 活塞型功交换器l 压力交换式（PX）l高压浓水引入能量回收装置后，转换成旋转机械能输出，帮助主电动机一道驱动高压泵，应咨询相关制造商。压力容器l压力容器有各种不同直径、长度和压力等级，在选用压力容器时，所选择的压力等级
21、必须高于因膜污染需要提高运行压l力情况下的最高压力（一般要求，必须比3 年后系统运行压力设计值高10%）。当运行产水侧出现动态压力时，此时某些压l力容器产水出口强度会成为制约因素，如某些采用聚氯乙烯（PVC）材质制造的压力容器，此时应咨询制造商。紧急开关阀 门l在 RO/NF 系统中通常使用以下几类阀门：l 整个系统进水阀，当需要对系统进行维修或保存系统时，起良好的切断作用；l 离心泵泵出口端或正位移泵旁路上的调节阀，应能控制操作压力及系统升压速度；l 泵出口端应该装设止回阀l 产水管路上应装设有止回阀及防止产水压力超过进水压力的对地压力泄放阀；l 浓水管路上应设有控制回收率的浓水流量控制阀（
22、注意：不可使用背压阀）；l 产水管线上应装有排放阀，用于清洗或开机时排放不合格产水；l 进水和浓水管路上应设有连接清洗回路的阀门（每段能单独清洗）。控制仪表l为保证 RO/NF 系统的正常操作，必须安装一些必要的仪表，仪表的准确度也相当重要，应按照制造商的规定进行仪表安装与校正。l 压力表用于测量保安滤器的压降、泵进出口的压力、膜元件进口压力、系统段间压降和产水压力，充液的压力表应使用与膜相兼容的液体如水或甘油，而不允许使用油脂或其它不溶于水的液体；l 流量计用以测量浓水和产水总流量以及每一段的产水流量；l 产水和进水管线上的水表用以记录累积的产水量及系统耗量；l 计时器用以记录累积的操作时间
23、；l 在加酸之后的进水管路上安装 pH 仪用以监控碳酸盐是否垢；l 电导计安装于进水、浓水和产水管线上以检测产水水质和系统表观脱盐率；l 在进水、浓水及产水管线上（总产水及各段分产水）均应设置取样口，便于评估系统的性能表现，并建议在每支压力容器的产水出口设置一个取样口，以方便今后的故障排除。l水 箱l水箱内的的水位通常应保持在最低的水位以上，必须正确地安装水箱的进出口管线，避免水箱内存在死角，还须对水箱l采取防止尘埃及微生物污染的措施，特别严格的使用条件下，要求水箱为密闭型，并设置特制的水箱呼吸过滤器l原水水箱l当用氯进行原水处理时，该水箱必须提供2030min 的反应时间，介质过滤器内的自由
24、空间也可起这样的作用。原水水箱还常常起到缓冲作用，以便RO/NF 系统在滤器反洗期间仍可连续运行。系统的操作模式为分批或半分批时，总l是需要有原水水箱。l产水水箱l当产水为所需的产品时，一般需要设置产水水箱，系统的起动与停机均与产水水箱的高低液位相连锁。RO/NF 系统的处理量与产水水箱的大小应作适当的设计，使得系统可以连续运转几小时。系统停机的频率愈低，则系统的性能表现愈佳。l加药箱l对进水进行投药处理时，必须设置加药箱，其容积一般为一天的药剂使用量l清洗水箱l属于清洗系统设备的一部份，详见清洗与消毒部分的介绍。l可选设备l各种可选设备及其特点对于系统的操作和监控是有帮助的：l 停机后的系统
25、自动冲洗装置采用经预处理过的原水或直接用产水冲洗膜元件的浓水侧。当预处理投加抗垢剂时，l必须设置系统停机自动冲洗装置；l 报警装置l1) 高产水电导；l2) 高浓水电导；l3) 低进水pH 值；l4) 高进水pH 值；l5) 高进水硬度；l6) 高进水温度；l7) 低加药箱液位。l 连续纪录装置l1) 进水温度；l2) 进水pH 值；l3) 进水及产水电导；l4) 进水SDI 值；l5) 进水及浓水流量。l6) 进水、产水及浓水压力；l7) 进水ORPl在完美的理想设计中，应安装一套能在线实时记录与处理系统所有重要操作数据的监控装置。l 具有保证系统安全操作的自动控制装置和马达起动装置，包括过
26、滤器自动反洗、膜元件自动清洗及系统自动低压冲洗。l 压缩空气系统，包括空气压缩机、空气干燥器、空气控制站及整套空气管路。l 12 年操作备品备件。l 通用及专用工具。l 其它选择包括系统操作培训、监督及维护。材质选择和腐蚀控制l就反渗透和纳滤本体而言，高压泵、高压管路及保安滤器材质均应选用不锈钢，而产品水输送管和储槽一般采用非腐蚀的优质PVC、UPVC、ABS 工程塑料和玻璃钢复合材料等，而选择衬胶管线通常不是现实，因为膜系统本体通常采用紧密的管线设计，而且需要使用不少的联接件与配件。l不锈钢的基本优点是对一般腐蚀具有很好的抵抗力。不锈钢很少产生电流腐蚀和应力腐蚀破坏，但不锈钢却容易发生点蚀和
27、缝隙腐蚀，点蚀代表金属受到局部侵蚀，在其表面上造成凹陷孔洞，如果氧化铬钝化层被破坏，氯离子就会攻击裸露的金属形成点蚀。缝隙腐蚀与小孔、垫片表面、沉积物周围以及螺丝下的裂缝等处的一小撮静止水所导致的点蚀有关。为避免发生膜系统高压管路的点蚀及缝隙腐蚀。l 在一般水源条件下，可以选用AISI304 材质的不锈钢（国内相似组成的不锈钢材质为SS321，0Cr18Ni9 或l1Cr18Ni9Ti 等）l 当原水含盐量在 2,0005,000ppm 时，建议选用含碳量小于0.08%的AISI316 不锈钢；l 当原水含盐量在 5,0007,000ppm 时，建议选用含碳量小于0.03%的AISI316L
28、不锈钢；l 当原水含盐量在 7,00030,000ppm 时，建议选用含钼量为4.05.0%的904L 不锈钢；l 当原水为含盐量在 32,000ppm 以上的海水时，建议选用含钼量大于6.0%的254 SMO 不锈钢；l除了上述建议外，在设计与加工时还应注意：l 尽量减少管路缝隙及死角；l 高压管道设计流速须高于 1.5 m/s；l 焊接应采用内外惰性气体保护焊，如氩弧焊等，焊前应对焊接处作清洗干燥处理，焊后作热处理；l 酸洗并钝化管线；l 停机前用低含盐量原水或 RO 产水冲洗置换浓水。SWRO成本比例IMSdesign 具有成本分析功能l图1表明了SWRO系统运行成本中最大的影响因素为系统电耗，其次为设备固定投资及折旧。便于今后排除系统故障的设计建议l装卸及故障排除空间l设有能探测单支元件和单个压力容器的取样接口l段间性能监视仪表l在线标准化l每段能够单独清洗l能够进行产水冲洗lSDI 测量装置及其测量点l现场试验台l单元件测试装置Thank You!
