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地表水反滲透系統的設計
- 『摘要』 苦咸水反滲透系統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和反滲透預處理設計時予以高度注意。本文主要討論現有的和一些新的設計思路。
- 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的工藝設計和系統監控更為復雜，各種參數的選定更加保守。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，需要更多的預處理；
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2. 反滲透預處理
設計地表水反滲透系統首先應選擇正確的預處理以減少和控制污染物。如果水的預處理選擇得當，則反滲透系統就能正常運行。確定在系統中是否設計了合適的預處理的最好辦法是進行現場小型實驗或對使用同一給水水源的現有反滲透系統進行考察。但是，時間和費用往往限制了現場實驗的實施。在缺乏小型實驗或經驗數據時，以能反映季節變化的水質全分析變得更為重要。
反滲透設計人員應設計足夠預處理以使給水水質滿足反滲透給水要求。預處理應減少懸浮物和膠體含量以使濁度＜1.0 NTU ( 最好＜0.3 NTU，15分鐘 SDI 低于5.0 ( 最好＜3.0 )。
預處理還應減少有機物含量，由于有機物污染程度難于預測，因而膜生產廠家也無法提供最大含量的規定，但建議TOC ( 總有機碳 ) 含量應低于2.0ppm ( 以碳計 ) 。這2.0ppmTOC 大致相當于5ppm的總有機生物量，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物不被連續地沖掉或者未被定期地清洗掉時，就會在膜表面堆積達0.05 英寸厚 ( 約合1.27毫米，是給水隔網厚度的近兩倍 ) 。
預處理還應控制藻類和細菌的增長，由于生物污染程度難于預測，因而膜生產廠家也無法提供最大含量的規定，但建議在細菌含量為10,000cfu/ml(在每毫升中的菌落生成單位)時應引起注意。
3. 反滲透設計
設計地表水反滲透系統時，設計人員應考慮設備投資和運行成本的平衡，既能保證產水量和產水水質，又能降低能耗，降低清洗頻度。
影響地表水反滲透系統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、總溶解固形 ( TDS ) 和污染物含量的季節性變化較大。
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膜材質類型 ( 醋酸纖維或聚酰胺膜 )
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產水通量
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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，經常選用CAB膜來代替CPA膜。CAB膜的優點是膜表面光滑、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，另表面帶負電荷，會吸引帶電的有機物并將其粘滯在膜表面上。
- CAB膜還有一個優點，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CAB膜不受有害細菌侵蝕，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)。
- 對于已經過良好的預處理去除了膠體和有機污染物并且生物活性較低的地表水，優先選用CPA膜。CPA與CAB相比有如下優點：CPA膜脫鹽率較高(CPA＞99%，而CAB為95～98%)，因而產水質量更高；膜耐久性強，使用期內脫鹽率下降極少，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：
- 選定了膜材質以后，設計者要考慮的第二個重要的參數是產水通量。產水通量是單位有效膜表面的產水量，用gfd(加侖/平方英尺/天)或者LMH(升/平方米/小時)表示。
- 在反滲透系統的產水通量與污染速度之間存在直接關系。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水垂直透過膜表面而產生的。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上升。對不同水質和不同污染物含量的水源給出了建議的設計水通量范圍(參看表1建議的反滲透設計導則)。這些設計導則的基礎是假定已經有了足夠的預處理，而且生物活性受到控制。制定設計導則的目的是為了降低污染速度，從而減少清洗次數。
- 根據經驗，如果每隔3個月或者更長的時間清洗一次，則表明預處理和反滲透系統設計是合理的，如果1至3個月清洗一次，則可改進工藝和增加設備。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處理設備以便進行工藝改進。
- 3.3 橫向流速：
- 為了控制地表水反滲透系統中的污染速度，選擇最佳膜面橫流速度與選擇水通量同樣重要。給水和其產生的濃水在膜表面的模向流速越高，膜污染速度就越低。當給水和濃水水流穿過給水/濃水隔網時，高橫向流速可增加湍流程度，從而減少顆粒物質在膜表面上的沉淀或在隔網空隙處的堆積。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散速度，從而減少了難溶鹽沉淀在膜表面上的危險。
- 為了達到所希望的系統水通量，設計人員在確定了所要求的反滲透膜元件的數量之后，還應考慮到橫向流速問題。這些反滲透元件可串聯在壓力容器中，對于地表水反滲透系統，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)的優點是在對給定水通量的系統中可減少壓力容器數量。壓力容器數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，設備投資費用也少。
- 表1中建議的反滲透設計導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。設定最大給水流量用來保護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變形，從而損壞膜元件。設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散速度就越低，結果難溶鹽沉淀的機會增多，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，該值應該小于1.20。
- 表1 海德能公司反滲透設計導則(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
- 有多種維護方法可以降低地表水反滲透系統的污染速度。這些方法包括伺服運行時的濃水再循環，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產水對膜元件進行沖洗和短期浸泡，但這種方法常常得不到使用。RO產水可抑制細菌滋長，而且還可溶解膜上的污染物或者使它疏松。
- 濃水再循環的優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產水含 鹽量也會增加10%。
- 停運后沖洗的優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。根據現場條件，這種沖洗至多每8小時進行一次。
- 可以進定期消毒，以控制兩次清洗之間的生物滋長。
- 在運行狀態連續消毒是工藝設計中所關心的最新領域。醋酸纖維素膜有其固有的殺菌優點可在給水中含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(這在多數反滲透系統中都很難做到)，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。目前正在進行現場試驗，以研究對于較復雜的RO用途，是否可加入較多的氯以減少清洗次數并且還能保持適當長的使用壽命。目前還正在進行其它現場研究以調查氯胺的殺菌能力及其對CPA膜的影響。最初的結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12ppm的氯胺。
- 3.5 反滲透膜元件結構：
- 世界上所有的井水和地表水反滲透系統采用的膜元件絕大多數為卷式膜元件。與中空纖維和板框式結構相比較，卷式膜元件在給水通道抗污染能力、設備空間要求、投資和運行費用以及可從很多的供應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、給水通道隔網的幾何形狀、尺寸以及產品制造質量標準，這些質量標準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計最低水通量和最高橫向流速的反滲透系統。
- 反滲透膜元件采用塑料網作為給水通道隔網，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。一些較新的反滲透膜元件使用了26密耳(0.66毫米)隔網來增加膜面積、產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，以減少膜面積、產水量和給水與濃水的壓力降。
- 地表水采用較厚隔網的目的是希望：
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滲透膜元件結構
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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數據總結，包括膜工作面積、給水隔網厚度、給水隔網的大約體積(立方英尺)以及隔網厚度對雷諾數的影響。在運行期間厚鹽水隔網的有利方面是壓力降可能較低，因此達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：因污染導致壓力降升高10~15%時就應清洗的說法相對立，厚鹽水隔網也有雷諾數低的影響，盡管這可能是一個小缺點，因為所有隔網的雷諾數都是100左右，這一數值使隔網水流完全處于0~2000的層流范圍內，所以不可能出現渦流或者湍流。在清洗期間厚鹽水隔網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
膜元件型號有效膜面積 - ft2給水隔網厚度 - 密耳給水通道體積 - ft3給水通道內雷諾數CAB(醋酸膜)340280.79中CPA(復合膜)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)的給水隔網總體積最小(收集污染物的能力小)，而給水隔網的厚度處于中等范圍，為28密耳。
反滲透元件的生產質量標準也很重要。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廠家生產的、市售超過一年的任何反滲透膜元件，如在生產廠家建議的設計導則內運行時對于地表水處理都合適的。
3.6 結束語：
地表水處理用反滲透系統的設計應仔細考慮各種因素并采取相應的對策，這些因素包括反滲透預處理、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的污染速率已有一些小改進，但在技術上尚無大的突破。降低污染速率的進一步設計概念是開發新的反滲透膜、改進反滲透膜元件結構、開發清洗或者消毒用的新化學藥品或者使用現有的化學藥品而改進清洗和消毒程序。
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一旦反滲透膜元件被污堵，可縮短清洗時間。雖然并無明確的經驗數據以支持這一設計，而且還需要繼續研究以確定厚隔網的優點是否可以抵消反滲透系統設計中的高水通量和低橫向流速的消極影響。
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