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地表水反滲透系統(tǒng)的設(shè)計
- 『摘要』 苦咸水反滲透系統(tǒng)需要以地表水作為給水水源。地表水以污染物含量高而出名，因此要求在反滲透系統(tǒng)和反滲透預(yù)處理設(shè)計時予以高度注意。本文主要討論現(xiàn)有的和一些新的設(shè)計思路。
- 1. 前言
- 與以井水為給水水源相比，以地表水為給水水源的反滲透水處理系統(tǒng)的工藝設(shè)計和系統(tǒng)監(jiān)控更為復(fù)雜，各種參數(shù)的選定更加保守。其原因可歸為以下幾個方面：
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地表水中的各種懸浮物和膠體的含量較高，需要更多的預(yù)處理；
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市政水處理或反滲透預(yù)處理過程中往往引入了反滲透系統(tǒng)的污染物 ( 如明礬、陽離子、聚合物電解質(zhì)、正磷酸鋅及活性碳微粒等 ) ，有機(jī)污染物以及微生物、藻類等生物活性較高的特質(zhì)；
2. 反滲透預(yù)處理
設(shè)計地表水反滲透系統(tǒng)首先應(yīng)選擇正確的預(yù)處理以減少和控制污染物。如果水的預(yù)處理選擇得當(dāng)，則反滲透系統(tǒng)就能正常運行。確定在系統(tǒng)中是否設(shè)計了合適的預(yù)處理的最好辦法是進(jìn)行現(xiàn)場小型實驗或?qū)κ褂猛唤o水水源的現(xiàn)有反滲透系統(tǒng)進(jìn)行考察。但是，時間和費用往往限制了現(xiàn)場實驗的實施。在缺乏小型實驗或經(jīng)驗數(shù)據(jù)時，以能反映季節(jié)變化的水質(zhì)全分析變得更為重要。
反滲透設(shè)計人員應(yīng)設(shè)計足夠預(yù)處理以使給水水質(zhì)滿足反滲透給水要求。預(yù)處理應(yīng)減少懸浮物和膠體含量以使?jié)岫龋?.0 NTU ( 最好＜0.3 NTU，15分鐘 SDI 低于5.0 ( 最好＜3.0 )。
預(yù)處理還應(yīng)減少有機(jī)物含量，由于有機(jī)物污染程度難于預(yù)測，因而膜生產(chǎn)廠家也無法提供最大含量的規(guī)定，但建議TOC ( 總有機(jī)碳 ) 含量應(yīng)低于2.0ppm ( 以碳計 ) 。這2.0ppmTOC 大致相當(dāng)于5ppm的總有機(jī)生物量，如反滲透膜以13gfd ( 加侖/平方英尺/日，約合22.1升/平方米/小時)的水通量工作一年且在運行過程中這些有機(jī)物不被連續(xù)地沖掉或者未被定期地清洗掉時，就會在膜表面堆積達(dá)0.05 英寸厚 ( 約合1.27毫米，是給水隔網(wǎng)厚度的近兩倍 ) 。
預(yù)處理還應(yīng)控制藻類和細(xì)菌的增長，由于生物污染程度難于預(yù)測，因而膜生產(chǎn)廠家也無法提供最大含量的規(guī)定，但建議在細(xì)菌含量為10,000cfu/ml(在每毫升中的菌落生成單位)時應(yīng)引起注意。
3. 反滲透設(shè)計
設(shè)計地表水反滲透系統(tǒng)時，設(shè)計人員應(yīng)考慮設(shè)備投資和運行成本的平衡，既能保證產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)，又能降低能耗，降低清洗頻度。
影響地表水反滲透系統(tǒng)污染速度的主要因素按其重要性順序排列如下：
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地表水的溫度、總?cè)芙夤绦?( TDS ) 和污染物含量的季節(jié)性變化較大。
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膜材質(zhì)類型 ( 醋酸纖維或聚酰胺膜 )
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產(chǎn)水通量
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橫向流速
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- 反滲透操作條件
- 3.1 膜類型：
- 設(shè)計人員可以選擇海德能公司的CAB系列 ( 醋酸纖維素 ) 膜元件或CPA系列 ( 芳香族聚酰胺 ) 膜元件。對于難處理的地表水或者廢水系統(tǒng)，經(jīng)常選用CAB膜來代替CPA膜。CAB膜的優(yōu)點是膜表面光滑、不帶電荷，在使用時可減小污染物(例如帶電荷的有機(jī)物)沉積，并且微生物不易在其表面粘滯。在SEM顯微鏡下可觀察到CPA膜表面比較粗糙，另表面帶負(fù)電荷，會吸引帶電的有機(jī)物并將其粘滯在膜表面上。
- CAB膜還有一個優(yōu)點，即在運行時給水中可含0.3~1.0ppm游離氯。氯作為消毒劑，可保護(hù)CAB膜不受有害細(xì)菌侵蝕，還可防止因微生物和藻類的生長而引起的污堵。CPA膜本身能耐氯，但不能耐受其氧化性，因此要求除氯。要保證反滲透給水游離氯含量低于0.05ppm。CAB膜耐氯能力為26,000ppm×小時，而CPA膜在有過渡族金屬離子存在時的耐氯能力只有1,000~2,000ppm×小時(以透鹽率增加一倍的時間考慮)。
- 對于已經(jīng)過良好的預(yù)處理去除了膠體和有機(jī)污染物并且生物活性較低的地表水，優(yōu)先選用CPA膜。CPA與CAB相比有如下優(yōu)點：CPA膜脫鹽率較高(CPA＞99%，而CAB為95～98%)，因而產(chǎn)水質(zhì)量更高；膜耐久性強(qiáng)，使用期內(nèi)脫鹽率下降極少，從而壽命更長；所需給水壓力低從而可將反滲透給水泵耗電費用下降60%；運行pH范圍(CPA為4～10，而CAB為5～8)；從而可使反滲透給水不加酸或少加酸；膜清洗時的pH范圍寬(CPA為3～10：而CAB為4～7)；允許的溫度上限高(CPA為45℃，而CAB為35℃)，從而更便于清洗。
- 3.2 水通量：
- 選定了膜材質(zhì)以后，設(shè)計者要考慮的第二個重要的參數(shù)是產(chǎn)水通量。產(chǎn)水通量是單位有效膜表面的產(chǎn)水量，用gfd(加侖/平方英尺/天)或者LMH(升/平方米/小時)表示。
- 在反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水通量與污染速度之間存在直接關(guān)系。水通量低，污染速度就低，要想降低水通量可選擇膜面積較大的反滲透膜元件。在低水通量下，減小了污染物在給定面積膜表面上的沉淀從而降低了污染速度。這種沉淀是由于在給水平行流過膜表面時還有部分產(chǎn)水垂直透過膜表面而產(chǎn)生的。多年觀察表明，一旦超過一定的水通量，其污染速度會呈指數(shù)上升。對不同水質(zhì)和不同污染物含量的水源給出了建議的設(shè)計水通量范圍(參看表1建議的反滲透設(shè)計導(dǎo)則)。這些設(shè)計導(dǎo)則的基礎(chǔ)是假定已經(jīng)有了足夠的預(yù)處理，而且生物活性受到控制。制定設(shè)計導(dǎo)則的目的是為了降低污染速度，從而減少清洗次數(shù)。
- 根據(jù)經(jīng)驗，如果每隔3個月或者更長的時間清洗一次，則表明預(yù)處理和反滲透系統(tǒng)設(shè)計是合理的，如果1至3個月清洗一次，則可改進(jìn)工藝和增加設(shè)備。假如不到1個月就清洗一次，考慮到清洗費用、反滲透膜壽命縮短以及運行工況惡化，則需要增加更多的預(yù)處理設(shè)備以便進(jìn)行工藝改進(jìn)。
- 3.3 橫向流速：
- 為了控制地表水反滲透系統(tǒng)中的污染速度，選擇最佳膜面橫流速度與選擇水通量同樣重要。給水和其產(chǎn)生的濃水在膜表面的模向流速越高，膜污染速度就越低。當(dāng)給水和濃水水流穿過給水/濃水隔網(wǎng)時，高橫向流速可增加湍流程度，從而減少顆粒物質(zhì)在膜表面上的沉淀或在隔網(wǎng)空隙處的堆積。較高的橫向流速也提高了膜表面上的高濃度鹽分向主體溶液的擴(kuò)散速度，從而減少了難溶鹽沉淀在膜表面上的危險。
- 為了達(dá)到所希望的系統(tǒng)水通量，設(shè)計人員在確定了所要求的反滲透膜元件的數(shù)量之后，還應(yīng)考慮到橫向流速問題。這些反滲透元件可串聯(lián)在壓力容器中，對于地表水反滲透系統(tǒng)，一般可用6個40英寸長的元件串入一個壓力容器中(注：對于井水或MF、UF或RO出水等SDI較低，因而污染程度低的給水，由于給水-濃水壓降一般較低，因而在這些系統(tǒng)中每壓力容器可使用7只膜元件)。選擇365或者400平方英尺的8英寸直徑×40英寸長的高膜面積元件(與330平方英尺的元件相比較)的優(yōu)點是在對給定水通量的系統(tǒng)中可減少壓力容器數(shù)量。壓力容器數(shù)量的減少即意味著每個容器的橫向流速高，污染的可能性就減少，設(shè)備投資費用也少。
- 表1中建議的反滲透設(shè)計導(dǎo)則注明了對于不同給水水源，壓力容器中膜元件的最大給水流量和最低濃水流量。設(shè)定最大給水流量用來保護(hù)容器中的第一根反滲透元件，使其給水與濃水壓力降不超過10psi。壓力降高于此值就會使膜組凸出并且使給水隔網(wǎng)變形，從而損壞膜元件。設(shè)定最小的濃水流量以保證在容器末端的膜元件有足夠的橫向流速。從而減少了膠體在膜表面上的沉淀，并且減少濃差極化對膜表面的影響。濃差極化是指在膜表面上的鹽濃度高于主體濃度的現(xiàn)象。鹽濃縮是因膜表面附近的橫向流速低而造成的(與管子中心的流速高于管子表面的流速的概念相似)。模向流速越低，膜表面的鹽的反向擴(kuò)散速度就越低，結(jié)果難溶鹽沉淀的機(jī)會增多，而且更多的鹽會透過膜表面。濃差極化的程度可被量化為值，該值應(yīng)該小于1.20。
- 表1 海德能公司反滲透設(shè)計導(dǎo)則(針對8×40英寸膜元件)
- 注：透鹽率 = 100% - 脫鹽率；gfd — 加侖/平方英尺/天；gpm — 加侖/分鐘；psi — 磅/平方英寸
- 3.4 反滲透維護(hù)
- 有多種維護(hù)方法可以降低地表水反滲透系統(tǒng)的污染速度。這些方法包括伺服運行時的濃水再循環(huán)，停運后低壓沖洗，停運期間定期低壓沖洗以及定期消毒。我們建議采用RO產(chǎn)水對膜元件進(jìn)行沖洗和短期浸泡，但這種方法常常得不到使用。RO產(chǎn)水可抑制細(xì)菌滋長，而且還可溶解膜上的污染物或者使它疏松。
- 濃水再循環(huán)的優(yōu)點是提高了橫向流速，從而可沖洗掉膜表面上的污染物，其缺點是使RO給水泵的容量增大，而且RO產(chǎn)水含 鹽量也會增加10%。
- 停運后沖洗的優(yōu)點是可將污染物及濃水從膜元件中沖洗出來。
- 停運期間沖洗的優(yōu)點是可將膜元件表面的死水沖洗出來并能阻止生物滋長。根據(jù)現(xiàn)場條件，這種沖洗至多每8小時進(jìn)行一次。
- 可以進(jìn)定期消毒，以控制兩次清洗之間的生物滋長。
- 在運行狀態(tài)連續(xù)消毒是工藝設(shè)計中所關(guān)心的最新領(lǐng)域。醋酸纖維素膜有其固有的殺菌優(yōu)點可在給水中含0.3~1.0ppm的游離氯)。而對于CPA膜，在運行中使用氧化型殺菌劑方面就受到限制。在不含鐵的給水中(這在多數(shù)反滲透系統(tǒng)中都很難做到)，要求將氯控制到少于0.05ppm，過醋酸/過氧化氫控制到0.4~1.0ppm。目前正在進(jìn)行現(xiàn)場試驗，以研究對于較復(fù)雜的RO用途，是否可加入較多的氯以減少清洗次數(shù)并且還能保持適當(dāng)長的使用壽命。目前還正在進(jìn)行其它現(xiàn)場研究以調(diào)查氯胺的殺菌能力及其對CPA膜的影響。最初的結(jié)果表明在某些情況下CPA膜可耐受6~8ppm的氯胺，而在其它情況下可耐受多達(dá)12ppm的氯胺。
- 3.5 反滲透膜元件結(jié)構(gòu)：
- 世界上所有的井水和地表水反滲透系統(tǒng)采用的膜元件絕大多數(shù)為卷式膜元件。與中空纖維和板框式結(jié)構(gòu)相比較，卷式膜元件在給水通道抗污染能力、設(shè)備空間要求、投資和運行費用以及可從很多的供應(yīng)商處購得等方面提供了最佳的組合。
- 選擇卷式膜元件時主要考慮因素為膜的有效表面積、給水通道隔網(wǎng)的幾何形狀、尺寸以及產(chǎn)品制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這些質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是用來確保膜元件的可靠性，如密封完整性和FRP外皮的堅固性。
- 如前所述，具有最大膜面積有利于設(shè)計最低水通量和最高橫向流速的反滲透系統(tǒng)。
- 反滲透膜元件采用塑料網(wǎng)作為給水通道隔網(wǎng)，其目的是向給水提供一條盡量接近湍流的通路，使給水在卷式膜片之間充分流動。以前市場上多數(shù)苦咸水反滲透膜元件都是采用0.028英寸至0.031英寸(28~31密耳)厚金剛石形隔網(wǎng)。一些較新的反滲透膜元件使用了26密耳(0.66毫米)隔網(wǎng)來增加膜面積、產(chǎn)水量和元件中的給水與濃水的壓力降，而另一些元件采用了31至34密耳隔網(wǎng)，以減少膜面積、產(chǎn)水量和給水與濃水的壓力降。
- 地表水采用較厚隔網(wǎng)的目的是希望：
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滲透膜元件結(jié)構(gòu)
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由于給水與濃水間的壓力降開始時較低因而可延長兩次清洗之間的運行時間，從而能容納更多的污染物：
表2是市售的8×40英寸反滲透元件的部分?jǐn)?shù)據(jù)總結(jié)，包括膜工作面積、給水隔網(wǎng)厚度、給水隔網(wǎng)的大約體積(立方英尺)以及隔網(wǎng)厚度對雷諾數(shù)的影響。在運行期間厚鹽水隔網(wǎng)的有利方面是壓力降可能較低，因此達(dá)到單支膜元件上壓力降的極限值(10psid)時的工作周期，但這與通常建議的清洗要求：因污染導(dǎo)致壓力降升高10~15%時就應(yīng)清洗的說法相對立，厚鹽水隔網(wǎng)也有雷諾數(shù)低的影響，盡管這可能是一個小缺點，因為所有隔網(wǎng)的雷諾數(shù)都是100左右，這一數(shù)值使隔網(wǎng)水流完全處于0~2000的層流范圍內(nèi)，所以不可能出現(xiàn)渦流或者湍流。在清洗期間厚鹽水隔網(wǎng)的正面影響可能在于能更快地去除較大的污染物，因此可縮短清洗時間。
表2 海德能公司8×40英寸反滲稼膜元件部分工藝參數(shù)
膜元件型號有效膜面積 - ft2給水隔網(wǎng)厚度 - 密耳給水通道體積 - ft3給水通道內(nèi)雷諾數(shù)CAB(醋酸膜)340280.79中CPA(復(fù)合膜)330310.85低365280.85中400260.87高從表中可有趣地觀察到醋酸纖維素反滲透膜元件(最常推薦的用于地表水處理的膜元件)的給水隔網(wǎng)總體積最小(收集污染物的能力小)，而給水隔網(wǎng)的厚度處于中等范圍，為28密耳。
反滲透元件的生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也很重要。制造考慮的因素有給水密封的完整性、FRP外皮的堅固性、膜片在卷制中無皺折、使用合適的卷繞拉力等等。實際情況是主要生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的、市售超過一年的任何反滲透膜元件，如在生產(chǎn)廠家建議的設(shè)計導(dǎo)則內(nèi)運行時對于地表水處理都合適的。
3.6 結(jié)束語：
地表水處理用反滲透系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)仔細(xì)考慮各種因素并采取相應(yīng)的對策，這些因素包括反滲透預(yù)處理、反滲透排列選擇、反滲透膜元件選擇以及反滲透操作步驟。目前為降低地表水反滲透系統(tǒng)的污染速率已有一些小改進(jìn)，但在技術(shù)上尚無大的突破。降低污染速率的進(jìn)一步設(shè)計概念是開發(fā)新的反滲透膜、改進(jìn)反滲透膜元件結(jié)構(gòu)、開發(fā)清洗或者消毒用的新化學(xué)藥品或者使用現(xiàn)有的化學(xué)藥品而改進(jìn)清洗和消毒程序。
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一旦反滲透膜元件被污堵，可縮短清洗時間。雖然并無明確的經(jīng)驗數(shù)據(jù)以支持這一設(shè)計，而且還需要繼續(xù)研究以確定厚隔網(wǎng)的優(yōu)點是否可以抵消反滲透系統(tǒng)設(shè)計中的高水通量和低橫向流速的消極影響。
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