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地表水反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
- 『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(jì)時(shí)予以高度注意。本文主要討論現(xiàn)有的和一些新的設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)方面：
-
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；
-
市政水處理或反滲透預(yù)處理過(guò)程中往往引入了反滲透系統(tǒng)的污染物 ( 如明礬、陽(yáng)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(jì)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(yùn)行。確定在系統(tǒng)中是否設(shè)計(jì)了合適的預(yù)處理的最好辦法是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)小型實(shí)驗(yàn)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(shí)間和費(fèi)用往往限制了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施。在缺乏小型實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，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(jì)人員應(yīng)設(shè)計(jì)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(cè)，因而膜生產(chǎn)廠家也無(wú)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(jì) ) 。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(shí))的水通量工作一年且在運(yùn)行過(guò)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(shí)，就會(huì)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(zhǎng)，由于生物污染程度難于預(yù)測(cè)，因而膜生產(chǎn)廠家也無(wú)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(shí)應(yīng)引起注意。
3. 反滲透設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)地表水反滲透系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮設(shè)備投資和運(yùn)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(jì)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(duì)于難處理的地表水或者廢水系統(tǒng)，經(jīng)常選用CAB膜來(lái)代替CPA膜。CAB膜的優(yōu)點(diǎn)是膜表面光滑、不帶電荷，在使用時(shí)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(huì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)，即在運(yùn)行時(shí)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(zhǎng)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(shí)，而CPA膜在有過(guò)渡族金屬離子存在時(shí)的耐氯能力只有1,000~2,000ppm×小時(shí)(以透鹽率增加一倍的時(shí)間考慮)。
- 對(duì)于已經(jīng)過(guò)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(diǎn)：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(zhǎng)；所需給水壓力低從而可將反滲透給水泵耗電費(fèi)用下降60%；運(yùn)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(shí)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(jì)者要考慮的第二個(gè)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(shí))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(guò)膜表面時(shí)還有部分產(chǎn)水垂直透過(guò)膜表面而產(chǎn)生的。多年觀察表明，一旦超過(guò)一定的水通量，其污染速度會(huì)呈指數(shù)上升。對(duì)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(jì)水通量范圍(參看表1建議的反滲透設(shè)計(jì)導(dǎo)則)。這些設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)，如果每隔3個(gè)月或者更長(zhǎng)的時(shí)間清洗一次，則表明預(yù)處理和反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的，如果1至3個(gè)月清洗一次，則可改進(jìn)工藝和增加設(shè)備。假如不到1個(gè)月就清洗一次，考慮到清洗費(fèi)用、反滲透膜壽命縮短以及運(yùn)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(guò)給水/濃水隔網(wǎng)時(shí)，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(xiǎn)。
- 為了達(dá)到所希望的系統(tǒng)水通量，設(shè)計(jì)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(wèn)題。這些反滲透元件可串聯(lián)在壓力容器中，對(duì)于地表水反滲透系統(tǒng)，一般可用6個(gè)40英寸長(zhǎng)的元件串入一個(gè)壓力容器中(注：對(duì)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(zhǎng)的高膜面積元件(與330平方英尺的元件相比較)的優(yōu)點(diǎn)是在對(duì)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(gè)容器的橫向流速高，污染的可能性就減少，設(shè)備投資費(fèi)用也少。
- 表1中建議的反滲透設(shè)計(jì)導(dǎo)則注明了對(duì)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(lái)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(guò)10psi。壓力降高于此值就會(huì)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(duì)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(huì)增多，而且更多的鹽會(huì)透過(guò)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(jì)導(dǎo)則(針對(duì)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(yùn)行時(shí)的濃水再循環(huán)，停運(yùn)后低壓沖洗，停運(yùn)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(duì)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(zhǎng)，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(diǎn)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(diǎn)是使RO給水泵的容量增大，而且RO產(chǎn)水含 鹽量也會(huì)增加10%。
- 停運(yùn)后沖洗的優(yōu)點(diǎn)是可將污染物及濃水從膜元件中沖洗出來(lái)。
- 停運(yùn)期間沖洗的優(yōu)點(diǎn)是可將膜元件表面的死水沖洗出來(lái)并能阻止生物滋長(zhǎng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，這種沖洗至多每8小時(shí)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(zhǎng)。
- 在運(yùn)行狀態(tài)連續(xù)消毒是工藝設(shè)計(jì)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(diǎn)可在給水中含0.3~1.0ppm的游離氯)。而對(duì)于CPA膜，在運(yùn)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(guò)醋酸/過(guò)氧化氫控制到0.4~1.0ppm。目前正在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以研究對(duì)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(zhǎng)的使用壽命。目前還正在進(jìn)行其它現(xiàn)場(chǎng)研究以調(diào)查氯胺的殺菌能力及其對(duì)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(yùn)行費(fèi)用以及可從很多的供應(yīng)商處購(gòu)得等方面提供了最佳的組合。
- 選擇卷式膜元件時(shí)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(lái)確保膜元件的可靠性，如密封完整性和FRP外皮的堅(jiān)固性。
- 如前所述，具有最大膜面積有利于設(shè)計(jì)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(dòng)。以前市場(chǎng)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(lái)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(kāi)始時(shí)較低因而可延長(zhǎng)兩次清洗之間的運(yùn)行時(shí)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(duì)雷諾數(shù)的影響。在運(yùn)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(shí)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(shí)就應(yīng)清洗的說(shuō)法相對(duì)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(gè)小缺點(diǎn)，因?yàn)樗懈艟W(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(shí)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(hào)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(jiān)固性、膜片在卷制中無(wú)皺折、使用合適的卷繞拉力等等。實(shí)際情況是主要生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的、市售超過(guò)一年的任何反滲透膜元件，如在生產(chǎn)廠家建議的設(shè)計(jì)導(dǎo)則內(nèi)運(yùn)行時(shí)對(duì)于地表水處理都合適的。
3.6 結(jié)束語(yǔ)：
地表水處理用反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)仔細(xì)考慮各種因素并采取相應(yīng)的對(duì)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(wú)大的突破。降低污染速率的進(jìn)一步設(shè)計(jì)概念是開(kāi)發(fā)新的反滲透膜、改進(jìn)反滲透膜元件結(jié)構(gòu)、開(kāi)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(shí)間。雖然并無(wú)明確的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以支持這一設(shè)計(jì)，而且還需要繼續(xù)研究以確定厚隔網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是否可以抵消反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的高水通量和低橫向流速的消極影響。
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