反滲透和納濾的的工藝過程設(shè)計ppt課件.ppt

膜法水處理技術(shù) 反滲透和納濾工藝過程設(shè)計 1 系統(tǒng)設(shè)計要求濃差極化對反滲透和納濾過程的影響反滲透和納濾過程的基本方程反滲透和納濾工藝流程及其特征方程反滲透和納濾裝置的組件配置和性能反滲透和納濾基本設(shè)計內(nèi)容和過程反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 反滲透和納濾工藝過程設(shè)計 2 1系統(tǒng)設(shè)計要求1 1進水水質(zhì)水樣是一定時間內(nèi)所要分析水源的水質(zhì)代表 對水質(zhì)要有一全面的把握 必須針對水源特點在不同時期收集水樣 進行分析比較 了解其變化及變化原因 這對反滲透系統(tǒng)的有效設(shè)計 預(yù)處理 產(chǎn)水量 回收率 脫除性能 壓力 流速 正當(dāng)?shù)牟僮?診斷系統(tǒng)存在的問題和準確評價系統(tǒng)性能等方面至關(guān)重要 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 3 采樣要求 取樣時要有代表性 要有足夠的量 選點要正確 容器要合適 水樣的采集要嚴格按照 水和廢水監(jiān)測分析方法 中的要求進行詳細的記錄 水質(zhì)分析內(nèi)容 水源水量 水質(zhì)調(diào)查的內(nèi)容要求非常詳細 包括CO2 pH O2 Cl SO2 3 離子濃度 硬度 堿度 溶解性固體 細菌數(shù)等 常見參數(shù)的要求見下頁的水樣分析報告 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 4 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 5 常規(guī)水源的水質(zhì)特點 市政供水為了防止管網(wǎng)的腐蝕 一般pH偏高 含有游離氯和Fe離子等地表水的濁度 細菌及有機物是預(yù)處理設(shè)計要重點考慮的內(nèi)容地下水成份一般相對穩(wěn)定 多數(shù)具有高硬度和堿度的特征海水要考慮懸浮固體 微生物和細菌 進水pH值和水溫 金屬氧化物和微溶鹽的沉淀 不同海域水質(zhì)差異較大 其他特殊場合 如化工 生物行業(yè)物料的濃縮 分離等 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 6 1 2產(chǎn)水水質(zhì)和水量根據(jù)用戶的要求或者用戶所處的行業(yè) 按照客戶的需求或者相關(guān)行業(yè)的國家或行業(yè)標(biāo)準確定反滲透或納濾系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)和水量這些要求決定了系統(tǒng)的規(guī)模和所用工藝過程的選擇 如單位時間的產(chǎn)水量 膜組件種類 數(shù)量和排列方式 回收率以及具體的工藝流程等 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 7 1 3膜和膜組件的選擇醋酸纖維素最早用于反滲透水處理工藝 具有價廉 耐游離氯 耐污染的特點 多用于飲用水凈化和污染密度指數(shù) SDI 較高的地方 芳香族聚酰胺復(fù)合膜 通量高 脫鹽率高 操作壓力低 耐生物降解 操作pH范圍寬 2 11 不易水解 脫SiO2和NO 3及有機物都較好 但不耐游離氯 易受到Fe Al和陽離子絮凝劑的污染 污染速度較快 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 8 目前大規(guī)模應(yīng)用的反滲透和納濾膜材料的組件形式主要是卷式和中空纖維式 選用膜組件時應(yīng)綜合考慮組器的制備難易 流動狀態(tài) 堆砌密度 清洗難易等諸方面 卷式元件用得最普遍 據(jù)進水和出水水質(zhì) 可初步選定膜元件 由產(chǎn)水量可初步確定元件得個數(shù) 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 9 1 4回收率回收率的確定影響到膜組件的選擇和工藝的確定 根據(jù)產(chǎn)水水量和回收率確定膜元件的個數(shù) 一般海水淡化回收率在30 45 純水制備在70 85 而實際設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)預(yù)處理 進水水質(zhì)等的條件確定 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 10 1 5產(chǎn)水量的衰減反滲透膜在使用過程中會隨著使用時間的延長 膜的產(chǎn)水量會發(fā)生衰減 這主要是由于膜長時間在高溫高壓下運行 在溫度和壓力的協(xié)同作用下 會出現(xiàn)膜的壓密化現(xiàn)象 其結(jié)果會造成產(chǎn)水量下降或系統(tǒng)操作壓力上升 壓密化是膜性能的不可逆衰減 事實上 復(fù)合膜比醋酸纖維素膜更耐壓密化 膜污染也是造成膜產(chǎn)水通量的衰減的主要原因 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 11 通過下式可計算出反滲透和納濾膜的產(chǎn)水量下降斜率 式中 m為產(chǎn)水量下降斜率 t為運行時間 h Q0和Qt分別為運行初期和運行t小時后的產(chǎn)水量 通常CA類膜m 0 03 0 05 復(fù)合膜的m 0 01 0 02 即CA類膜產(chǎn)水量年均下降10 左右 復(fù)合膜約為5 左右 當(dāng)然根據(jù)進料的不同也有一定的變化 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 12 1 6截留率的衰減隨著反滲透和納濾膜在使用過程中會受到生物或化學(xué)因素的作用 膜面材質(zhì)會發(fā)生疏松化 導(dǎo)致膜的截留率衰減 通常CA類膜的年透鹽增長率為20 左右 復(fù)合膜約為10 左右 當(dāng)然系統(tǒng)預(yù)處理如果不合適或者使用過程中操作不當(dāng)也會使透鹽增長率增大 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 13 1 7產(chǎn)水量隨溫度的變化反滲透和納濾膜的透水通量隨過濾介質(zhì)的溫度發(fā)生較大的變化 通常根據(jù)下式進行計算 T為溫度 單位 即每一度變化使產(chǎn)水量變化3 左右 也可用溫度校正因子 TCF 表示 Kt為與膜材料有關(guān)的常數(shù) 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 14 溫度對膜的通量影響較大 在進行設(shè)計過程中要充分考慮全年水溫的變化 同時采取必要的措施 進出水換熱等 減少溫度對系統(tǒng)產(chǎn)水效率的的影響 工藝過程設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 15 2濃差極化對反滲透和納濾過程的影響2 1濃差極化的概念在反滲透過程中 由于膜的選擇滲透性 溶劑 通常為水 從高壓側(cè)透過膜 而溶質(zhì)則被膜截留 其濃度在膜表面處上升高 同時發(fā)生從膜表面向本體的回擴散 當(dāng)這兩種傳質(zhì)過程達到動態(tài)平衡時 膜表面處的濃度c2高于主體溶液濃度c1 這種現(xiàn)象稱為濃差極化 上述兩種濃度的比率c2 c1稱為濃差極化度 工藝過程設(shè)計 濃差極化 16 根據(jù)薄膜理論模型描述濃差極化現(xiàn)象 如下圖所示 濃差極化理論模型 工藝過程設(shè)計 濃差極化 17 2 1濃差極化的計算濃差極化度可根據(jù)膜 液相界面層鄰近膜 面?zhèn)髻|(zhì)的質(zhì)量平衡的微分方程加以積分 然后將邊界條件代入求得 主要表達式有 質(zhì)量平衡的微分方程 根據(jù)邊界條件積分可得 或 工藝過程設(shè)計 濃差極化 18 由以上推導(dǎo)的結(jié)果可知當(dāng)流速時 幾乎不存在濃差極化 此時膜高壓側(cè)的濃度才幾乎是均一的 即c c2 c1或相應(yīng)的滲透壓 2 1 而在通常的反滲透過程中 流速U不能太高 因為隨著流速U的提高 流道的阻力升高 能耗增加 這樣 通常取適當(dāng)?shù)牧魉賃操作 于是存在一定的濃差極化 即c c2 c1或 2 1 工藝過程設(shè)計 濃差極化 19 2 3濃差極化下的傳質(zhì)方程 1 水通量 2 脫鹽率 工藝過程設(shè)計 濃差極化 20 3 真實脫鹽率r與表觀脫鹽率robs的關(guān)系由上述的濃差極化方程可以推出 在半對數(shù)坐標(biāo)紙上作圖 在保持Jw不變情況下 測定不同U時的robs 計算不同U時的 并與相應(yīng)的作圖 其所得的圖線為直線 工藝過程設(shè)計 濃差極化 21 將直線外推之 其與縱坐標(biāo)的截距為 從而可得真實的脫鹽率r 直線的斜率為 其中流速指數(shù)a 0 3 層流 或0 8 湍流 這樣由直線的斜率可求出比例常數(shù)b及傳質(zhì)系數(shù)k 工藝過程設(shè)計 濃差極化 22 可以求出反滲透工程上實際存在的濃差極化度通常由濃差極化度與能耗權(quán)衡 取濃差極化度為 1 2 這樣 若實驗測定得到robs 0 950時r為多少 根據(jù)上式可知 工藝過程設(shè)計 濃差極化 23 2 4濃差極化對反滲透的影響和緩解措施 1 濃差極化對反滲透的影響 降低水通量根據(jù)存在或幾乎不存在濃差極化的情況下導(dǎo)出的水通量方程可知 由于濃差極化時的溶液滲透壓項由原先的變?yōu)?而 1 因而此時的水通量Jw Jw Jw為幾乎不存在濃差極化時的水通量 工藝過程設(shè)計 濃差極化 24 降低脫鹽率比較上述相應(yīng)情況下的脫鹽率方程可知 同樣因 1 使脫鹽率由r降為了robs 導(dǎo)致膜上沉淀污染和增加流道阻力由于膜表面濃度增加 使那些水中的微溶鹽 CaCO3和CaSO4等 沉淀 增加膜的透水阻力和流道壓力降 使膜的水通量和脫鹽率進一步降低 極化嚴重的化 導(dǎo)致反滲透膜性能的急劇惡化 工藝過程設(shè)計 濃差極化 25 2 降低濃差極化的途徑反滲透過程中的濃差極化不能消除只能降低 其途徑如下所述 合理設(shè)計和精心制作反滲透基本單元 膜元 組 件 使之流體分布均勻 促進湍流等 適當(dāng)控制操作流速 改善流動狀態(tài) 使膜 溶液相界面層的厚度減至適當(dāng)?shù)某潭?以降低濃差極化度 通常濃差極化度有一個合理的值 約為1 2 適當(dāng)提高溫度 以降低流體粘度和提高溶質(zhì)的擴散系數(shù) 工藝過程設(shè)計 濃差極化 26 3溶度積和飽和度在后面的預(yù)處理章節(jié)中詳細講述 4反滲透和納濾過程的基本方程4 1滲透壓滲透壓 隨溶質(zhì)種類 溶液濃度和溫度而變 表示方法和表達式很多 1 式中cp為溶質(zhì)的摩爾濃度 xf為溶質(zhì)的摩爾分數(shù) 為滲透壓系數(shù) Mi為溶質(zhì)的摩爾濃度 對于稀溶液 可取0 93 工藝過程設(shè)計 過程基本方程 27 2 此式可以估算 的近似值 3 查表得到溶液的滲透壓 4 式中K0為系數(shù)2 4 10 5 T為溫度 cf為進料濃度mg L 工藝過程設(shè)計 過程基本方程 28 工藝過程設(shè)計 過程基本方程 5 對NaCl水溶液 可以根據(jù)下式計算 式中 c為NaCl溶液濃度 mg L4 2水通量JwA為水的滲透性常數(shù) NDP為凈驅(qū)動壓力 pf和pp分別為進料和產(chǎn)水壓力 p為進出口降 avg為平均滲透壓 Qp為產(chǎn)水量 S為膜面積 29 工藝過程設(shè)計 過程基本方程 4 3鹽通量JsB為鹽的透過性常數(shù) cs為膜兩側(cè)鹽濃度差 鹽透量QsS為膜面積 4 4產(chǎn)水鹽濃度cp4 5鹽透過率SPcfm為平均進料濃度 30 工藝過程設(shè)計 過程基本方程 4 6脫鹽率SR或r4 7回收率R和流量平衡Qp為產(chǎn)水流速 Qf為進料流速 Qr為濃縮液流速4 8濃縮因子CF 31 工藝過程設(shè)計 過程基本方程 4 9濃差極化因子CPFca為膜表面鹽濃度 Kp為與元件構(gòu)型有關(guān)的常數(shù) Ri為膜元件回收率 對于1m長的元件 18 的回收率時 CPF取1 2 4 10膜元件產(chǎn)水量QpQps為標(biāo)準條件下的產(chǎn)水量 TCF為溫度校正因子 NDPf為現(xiàn)場條件下的凈驅(qū)動力 S為膜面積 32 工藝過程設(shè)計 過程基本方程 4 11產(chǎn)水鹽度cpSPs為標(biāo)準條件下的SPc4 12系統(tǒng)平均滲透壓 33 5工藝流程及其特征方程反滲透系統(tǒng)是由基本單元 膜組件以一定配置方式組裝而成 裝置的流程根據(jù)應(yīng)用對象和規(guī)模大小 通常課采用連續(xù)式 部分循環(huán)式和循環(huán)式三種 由反滲透的物料平衡和透 產(chǎn) 水 濃水的濃度與進水濃度的關(guān)系式 可導(dǎo)出各種流程的特征方程 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 34 段和級概念的區(qū)分在膜分離工藝流程中常常會遇到 段 與 級 的概念 段 指膜組件的濃縮液 濃水 流入到下一組膜組件進行處理 流經(jīng)n組膜組件 即稱為n段 級 指膜組件的產(chǎn)水進入到下一組膜組件處理 透過液 產(chǎn)品水 經(jīng)過n組膜組件處理 稱為n級 可以將 段 和 級 分別理解為對 濃水分級 分段 和對 產(chǎn)水分級 分級 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 35 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 分段式工藝流程 分級式工藝流程 36 5 1連續(xù)式 分段式 濃水分段 1 流程說明將前一段的濃水作為下一段的進水 最后一段的濃水排放廢棄 而各段產(chǎn)水匯集利用 這一流程適合用于處理量大 回收率高的應(yīng)用場合 通常用于苦咸水的淡化和低鹽度水或自來水的凈化 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 37 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 Q和c分別表示流量和濃度 下標(biāo)f p和r分別指進水 產(chǎn)水和濃水 下標(biāo)1 2 n為段號 38 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 2 特征方程 裝置及其各段的進水流量Qf Qfi通式 39 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 通常采用兩段式的流程 于是 式中 和分別為裝置和第j段的回收率 40 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 裝置及其各段的濃水流量Qr Qri通式 二段式 41 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 裝置的回收率R與各段回收率Ri Rj的關(guān)系通式 二段式 42 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 裝置及其各段的產(chǎn)水濃度cp cpj通式 式中Ri Rj分別為i段和j段組件以進 出口積分平均進水濃度計的脫鹽率 二段式 43 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 通式 二段式 44 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 裝置及其各段的濃水濃度cri crj通式 二段式 45 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 5 2連續(xù)式 分級式 產(chǎn)水分級 1 流程說明分級式流程通常為二級 主要是為了提高系統(tǒng)的回收率和產(chǎn)水水質(zhì) 將濃度低于或等于裝置進水的第二級濃水返回到第一級進口處 第一級產(chǎn)水作為第二級進水 第二級產(chǎn)水就是裝置的產(chǎn)水 第一級濃水排放 46 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 Q和c分別表示流量和濃度 下標(biāo)f p和r分別指進水 產(chǎn)水和濃水 下標(biāo)1 2分別指第一段和第二段 47 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 該流程常用于下列情況 原水含鹽量特別高 一級反滲透難以得到穩(wěn)定的產(chǎn)水水質(zhì) 如特別高濃度的海水淡化等 水源水質(zhì)經(jīng)常發(fā)生較大變化時 如沿海地區(qū)地下水不時受到海水倒灌的影響 含鹽量波動較大 僅以常規(guī)的一級分段式反滲透不適應(yīng)這種情況 需要考慮其臨時變換應(yīng)急的二級反滲透的多功能流程 48 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 當(dāng)一級反滲透達不到最終產(chǎn)水的水質(zhì) 如電導(dǎo)或電阻率 的指標(biāo)時 二級反滲透可以省略通常的離子交換而能達到上述水質(zhì)指標(biāo) 且簡化了水處理系統(tǒng)的流程和操作 如中高壓鍋爐的用水等 49 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 2 特征方程 裝置的進水流量Qf 裝置 第一級 的濃水流量Qr Qr1 50 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 第二級濃 循環(huán) 水的流量Qr2 裝置的回收率R與第一 二級的回收率R1 R2的關(guān)系 51 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 裝置的進水濃度cf式中 r1和r2分別為以第一 二級組件的進 出口平均濃度計的第一級和第二級組件的脫鹽率 第一級進水濃度cf1 52 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 第一級產(chǎn)水濃度cp1 第二級進水濃度cr2 裝置 第一級 的濃水濃度cr cr1 第二級 循環(huán) 水的濃度cr2 53 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 5 3部分循環(huán)式 部分透過水循環(huán) 1 流程說明部分透過水循環(huán)至裝置進口處與其原始的進水相混合作為裝置的進水 濃水連續(xù)排放廢棄 部分透過水作為產(chǎn)水收集 這一流程便于控制產(chǎn)水的水質(zhì)和水量 適用于水源水質(zhì)經(jīng)常波動 在反滲透濃水中有可能出現(xiàn)微溶鹽 如CaCO3和CaSO4等 沉淀和在無加溫條件下要求連續(xù)額定產(chǎn)水量等小規(guī)模應(yīng)用的情況 54 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 Q和c分別表示流量和濃度 下標(biāo)f p和r分別指進水 產(chǎn)水和濃水 下標(biāo)fm pc和pp分別指混合進水 循環(huán)透過水和產(chǎn)水 55 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 2 特征方程 裝置的原 進 水流量QfR為以混合進水流量計算的回收率 其值為式中 Kf為透過水循環(huán)率 其值為 裝置的進 混合 水流量Qfm 56 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 裝置的透過水循環(huán)量Qpc 裝置的透過水流量Qp 裝置的濃水流量Qr 57 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 裝置的回收率Rf式中 Rf為以原 進 水流量計算的回收率 其值為 裝置的進 混合 水濃度cfm式中 r為以組件進水的平均濃度計的脫鹽率 58 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 裝置的透過 產(chǎn) 水濃度cp 裝置的濃水濃度cr 59 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 5 4部分循環(huán)式 部分濃縮液循環(huán) 1 流程說明在反滲透過程中 將連續(xù)加入的原料液與反滲透部分濃縮液相混合作為反滲透進料液 其余的濃縮液作為產(chǎn)品液連續(xù)收集 其透過液連續(xù)排放或重復(fù)利用 這一流程用于某些料液連續(xù)除溶劑 水 濃縮的應(yīng)用場合 如廢液的濃縮處理等 60 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 Qr Qpr Qrp 61 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 2 特征方程 裝置的原料液流量Qf式中 Kr為濃縮液的循環(huán)率 其值為 裝置的進料液流量Qfm 62 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 裝置的透過液流量Qp 裝置的濃縮循環(huán)液流量Qrp 裝置的濃縮液流量Qr 63 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 裝置的混合進料液濃度cfm 裝置的濃縮液濃度cr 裝置的透過液濃度cp 64 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 5 5循環(huán)式 補加稀釋劑的濃縮液循環(huán) 1 流程說明在運行過程中 連續(xù)向原料液中補加相當(dāng)于透過液流量的稀釋劑 濃縮液全部循環(huán) 透過液連續(xù)排放 直至反滲透料液的濃度達到預(yù)定的值時 作為成品收集 透過液排放或重復(fù)利用 這一流程用于溶液中物質(zhì)的分離 使產(chǎn)品有較高的收率和純度 65 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 Q0和cf0分別表示原料液的體積和濃度 Qw Qfw Qp和Qr分別為稀釋劑 進料液 透過液和濃縮液的流量 cw cf0 cp和cr分別為與上述料液相應(yīng)的濃度 66 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 2 特征方程 進料 成品 液與原料液的濃度比率式中R為裝置的回收率 R S為處理單位體積原料液所需稀釋劑的消耗量 即稀釋劑比耗 其值為S t為運行時間 67 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 濃縮液的濃度cr 透過液的濃度cp 68 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 進料液流量Qfm 濃縮 循環(huán) 液流量Qr 稀釋液 透過液的流量Qw Qp 69 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 5 6循環(huán)式 濃縮液循環(huán) 1 流程說明該流程與 補加稀釋劑的濃縮液循環(huán) 流程相同 所不同的時補加的不是稀釋劑而是原料液 其流量和濃度分別為Qf和cf0操作過程液與上述流程相同 這一流程用于溶質(zhì)的濃縮和分離 2 特征方程 進料 成品 液與原料液的濃度比率 70 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 根據(jù)不同的運行時間反滲透的質(zhì)量平衡可得下列微分式 1 反滲透的透過液 濃縮液的濃度與進料濃度的關(guān)系 2 3 將式 2 代入式 1 經(jīng)變換整理得 4 71 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 將積分邊界條件帶入式 4 t 0時 cfm cf0t t時 cfm cfm整理后得 濃縮液的濃度cr由式 3 和式 5 得 72 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 透過液得濃度cp由式 2 和 5 得 原料液 透過液 得流量Qr Qp 由式 5 得 73 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 進料液流量Qfm 濃縮液流量Qr 74 裝置的組件配置和性能6 1膜元 組 件的操作性能 脫鹽率和水通量 1 膜元 組 件的脫鹽率元 組 件在使用過程中膜的進水側(cè)和產(chǎn)水側(cè)的濃度沿流道變化情況見下圖 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 75 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 計算脫鹽率的流道模型 根據(jù)產(chǎn)水的質(zhì)量平衡可得元 組 件總產(chǎn)水的濃度為 76 欲得到元 組 件真實得脫鹽率r 必須知道整個流道的積分平均濃度 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 另外 組件的脫鹽率與膜常數(shù)和平均有效壓力的關(guān)系 77 2 膜元 組 件的水通量 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 若元 組 件的膜面積為S m2 則其產(chǎn)水流量 Kw為元 組 件產(chǎn)水流速的壓力系數(shù) 78 6 2裝置中元 組 件的配置裝置內(nèi)組件的配置原則是保持裝置內(nèi)各組件的平均流速 流量 大于或等于規(guī)格元 組 件在標(biāo)準測試條件下的值 從而使裝置的濃差極化度不大于其元 組 件的濃差極化度 因此 無論是分段式還是分級式流程的裝置均應(yīng)逐段或逐級減少并聯(lián)組件數(shù) 即所謂錐形排列 分段式 兩段 和分級式 兩級 的裝置內(nèi)各段或各級組件的分配比為2 1的流程 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 79 工藝過程設(shè)計 工藝流程及特征方程 分段式工藝流程 分級式工藝流程 80 6 3裝置的性能鑒于分段式流程應(yīng)用較為普遍 在此簡述其裝置的性能 1 產(chǎn)水量裝置的產(chǎn)水性能通常為產(chǎn)水量Qp 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 Qp 裝置的產(chǎn)水量 m3 h Qpi 第i段元 組 件的產(chǎn)水量 m3 h S 元 組 件的有效膜面積 m2 A 元 組 件的透水性常數(shù) m3 h m2 MPa Kw 元 組 件的產(chǎn)水量的壓力系數(shù) m3 h m2 MPa Nmj 第i段元 組 件數(shù) 第i段元 組 件的平均操作壓力差 MPa 第i段元 組 件膜兩側(cè)溶液的平均滲透壓 MPa 81 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 2 脫鹽率將描述元 組 件脫鹽性能的式中的A以Kw S帶之 可得裝置的脫鹽率方程 裝置的產(chǎn)水量Qp取決于元 組 件的膜常數(shù)Kw和各段的元 組 件數(shù)Nmj與相應(yīng)的平均有效壓力乘積的加和 就特定規(guī)格的元 組 件數(shù)以一定的配置方式組裝的裝置而言 其產(chǎn)水量與施加在各段元 組 件的平均有效壓力成正比 B 元 組 件的透水量常數(shù) m h 裝置的元 組 件總數(shù) 82 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 7基本設(shè)計內(nèi)容和過程7 1給出設(shè)計限制范圍這包括不同進水時的平均水通量 水通量年下降百分率 不同膜類型的鹽透過率 鹽透過的年增長率 濃水中難溶鹽的飽和極限 飽和指數(shù)的限度 元件最大進水和最低濃水流速 7 2設(shè)計的具體要求設(shè)計目的是給定系統(tǒng)參數(shù) 得到最有效的成本設(shè)計和經(jīng)濟操作 主要系統(tǒng)參數(shù) 操作壓力 回收率 產(chǎn)水水質(zhì) 產(chǎn)水水量 平均水通量 反滲透單元 膜元件數(shù) 排列方式和操作模式 等 83 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 7 3基本設(shè)計過程 1 設(shè)定計量單位包括壓力 流速 通量 濃度 溫度 2 建立新的進水記錄 工程名稱 代號等 輸入設(shè)計參數(shù) 進水水質(zhì) 水源類型 組成 離子濃度 pH 溫度 濁度 SDI H2S Fe SiO2 TOC TDS 電導(dǎo)率 滲透壓 3 數(shù)據(jù)計算和轉(zhuǎn)換計算滲透壓 離子強度 結(jié)構(gòu)鹽的飽和值 比較進水陰 陽離子當(dāng)量平衡 誤差在10 以內(nèi) 4 根據(jù)進水設(shè)置預(yù)處理 達到所要求的SDI 84 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 5 輸入回收率 確立難溶鹽的濃度限制 濃水pH LSI 離子強度 HCO3 CO32 CO2 總堿度 確定調(diào)pH或加防垢劑 6 選擇膜元件類型 結(jié)合進水 確立鹽透過率的年增長率 水通量 水通量的年下降百分率等 7 輸入產(chǎn)水流速 根據(jù)膜元件的面積和水通量可知膜的元件數(shù) 壓力容器數(shù)等 根據(jù)回收率等可初步給出壓力容器排列和段 級 數(shù) 85 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 8 總計算程序 重復(fù)計算原則是進水壓力滿足回收率 先計算第一個元件的性能 其濃水為第二個元件的進水 計算第二個元件性能 將所有滲透水相加 與目標(biāo)值比較 據(jù)此調(diào)節(jié)進水壓力 直到收斂為所要求的壓力和回收率 同時滿足各限制范圍要求 86 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 9 計算結(jié)果 顯示流量 壓力 水通量 系數(shù) 產(chǎn)水水質(zhì) 濃水飽和度 超出設(shè)計限制時報警顯示 結(jié)果輸出成計算書 圖形顯示系統(tǒng)流程 操作壓力 產(chǎn)水水質(zhì) 回收率 溫度等曲線 給出能耗和系統(tǒng)經(jīng)濟成本 據(jù)泵的壓力 流量 回收率 效率和電機效率 得出電機功率 據(jù)輸入的投資 材料 勞務(wù)費用 再根據(jù)設(shè)計部分的有關(guān)資料 產(chǎn)水量 功耗 膜元件 試劑用量等 可計算產(chǎn)水的成本 87 工藝過程設(shè)計 裝置的組件配置和性能 設(shè)計優(yōu)化和設(shè)計選擇 基本設(shè)計 滲透水與部分進水混合 滲透水節(jié)流 設(shè)置級間泵 部分濃水循環(huán) 二級 或二段 RO系統(tǒng) 后處理 pH調(diào)節(jié)和脫氣等 88 工藝過程設(shè)計 基本設(shè)計過程 7 4基本設(shè)計過程在無設(shè)計軟件的情況下 或為了先對項目有益簡要的把握 可根據(jù)上一小節(jié)的過程簡要進行如下的處理 水源類型 水質(zhì) 所需的預(yù)處理產(chǎn)水量 回收率 進水預(yù)處理選擇膜元件類型 計算所需元件的數(shù)量 安全系數(shù)或污染因子0 8 Ne為元件數(shù)目 Qp為產(chǎn)水量 qmax為元件最大產(chǎn)水量 89 確定壓力容器數(shù) 據(jù)回收率等 確定排列方式Nr為壓力容器數(shù)目 n為每個容器中元件數(shù)通常其二段排列容器比為2 1 三段排列容器比為4 2 1 工藝過程設(shè)計 基本設(shè)計過程 90 檢驗進水和最后濃水是否符合最高進水和最低排水量的要求 例1 設(shè)計產(chǎn)水量2160m3 d 水回收率75 進水500mg L 25 選用FilmtecBW30 8040型元件 1 6Mpa 30m3 d 脫鹽98 選用壓力容器長可容6個元件 初步估算元件數(shù)Ne 2160 0 8 30 90壓力容器數(shù)Nh 90 6 15按二段回收率達75 以2 1排列壓力容器 即第一段10根 含60個元件 第二段5根 含30個元件 用所要求的最大進 最低出口水量來驗證排列是否合適 以產(chǎn)水水質(zhì)和水量進一步看設(shè)計是否達到目的 工藝過程設(shè)計 基本設(shè)計過程 91 例2 設(shè)計產(chǎn)水量270m3 d 水回收率75 進水500mg L 25 選用BW30 4040型元件 1 6MPa 7 5m3 d 脫鹽98 選用壓力容器長可容納4個元件 最低元件濃水 淡水比為6 1 設(shè) 污染因子為0 85 驅(qū)動力1 5MPa 設(shè)計壓力為1 5MPa 單元件產(chǎn)水率 0 85 1 5MPa 7 5m3 d 1 6MPa 6 5m3 d所需元件數(shù) 270 6 5 40壓力容器數(shù) 40 4 10最低元件濃水流速 6 5 6 39m3 d單個壓力容器產(chǎn)水率 6 5 4 26m3 d系統(tǒng)濃水流速 總產(chǎn)水率 回收率 總產(chǎn)水率 270 75 270 90m3 d 工藝過程設(shè)計 基本設(shè)計過程 92 最后一級進水流速 單個壓力容器產(chǎn)水率 壓力容器數(shù) 濃水流速 26 2 90 142m3 d倒數(shù)第二級壓力容器數(shù) 142m3 d 39m3 d 3 6 3或4 這里取3倒數(shù)第二級的進水流速 26 3 142 220m3 d倒數(shù)第三級壓力容器數(shù) 220m3 d 39m3 d 5 6 5或6 這里取5 這樣初步壓力容器排列為5 3 2 同樣根據(jù)所要求的元件最大進 最低進口水量驗證排列是否合理 以產(chǎn)水水質(zhì)和水量進一步看設(shè)計是否達到目的 工藝過程設(shè)計 基本設(shè)計過程 93 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 8反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行8 1預(yù)處理系統(tǒng)反滲透和納濾進水種類多 成分復(fù)雜 為了確保反滲透和納濾過程的正常進行 必須對進水進行預(yù)處理 預(yù)處理的目的通常為 除去懸浮固體 降低濁度 抑制和控制微溶鹽的沉淀 調(diào)節(jié)和控制進水的溫度和pH 殺死和抑制微生物的生長 去除各種有機物 防止鐵 錳等金屬氧化物和二氧化硅的沉淀等 94 8 1 1除去懸浮固體和膠體 降低濁度懸浮固體包括淤泥 鐵的氧化物和腐蝕產(chǎn)物 MnO2 與硬度有關(guān)的沉淀物 Al OH 3絮凝物 SiO2 微細沙石 硅藻 細菌 有機膠體等 其中膠體最難處理 大多數(shù)膠體是荷電的 其同號電荷排斥而穩(wěn)定地懸浮于水中 穩(wěn)定地膠體其Zeta電位多大于 30mv 當(dāng)這類膠體凝結(jié)在膜表面上時 則引起膜地污染 其凝結(jié)速率方程為 式中 K2為凝結(jié)速度常數(shù) n為膠體的濃度 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 95 反滲透處理中采用污染密度指數(shù)SDI SiltDensityIndex 來判斷進水的好壞 是膠體荷微粒濃度的一種量度 SDI值是進水質(zhì)量的相對值 從這個數(shù)值中 并不能明確看出膜污染速度或?qū)δば阅茉斐傻挠绊懙惹闆r 通常該值是對進水質(zhì)量和系統(tǒng)預(yù)處理工序的效果進行檢測的一個標(biāo)準 它是進水在207Kpa的壓力下 通過0 45 mMillipore濾膜的污染速率推算出來的 通常反滲透要求進水的SDI 3 井水的SDI 1 顧不必對其進行膠體的預(yù)處理 地表水的SDI在10 175 需要認真進行針對性的預(yù)處理 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 96 1 SDI的測定 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 97 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 測試步驟1 記錄測試溫度 在試驗開始至結(jié)束的測試時間內(nèi) 系統(tǒng)溫度變化不應(yīng)超過1 2 排除過濾池中的空氣壓力 3 用帶有刻度的500ml量筒接取濾過水以測量透過濾膜的水量 4 全開球閥 測量從球閥全開到接滿100ml和500ml 注1 水樣的所需時間并記錄 98 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 5 五分鐘后 再次測量收集100ml和500ml水樣的所需時間 十分鐘及十五分鐘后再分別進行同樣測量 6 如果接取100ml水樣所需的時間超過60秒 則意味著約90 的濾膜面積被堵塞 此時已無需再進行實驗 7 再次測量水溫以確保與實驗開始時的水溫變化不超過1 8 實驗結(jié)束并打開濾池后 最好將實驗后的濾膜保存好 以備以后參考 99 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 計算公式式中 SDI 污染密度指數(shù)Ti 第一次取樣所需時間Tf 15分鐘 或更短時間 以后取樣所需時間 100 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 2 除去懸浮物膠體的方法 在線混凝 多介質(zhì)過濾在原水中投加混凝劑 經(jīng)有效的混合 再通過壓力式多介質(zhì)濾器除去形成的微絮凝體 其效果取決于絮凝劑的種類 濃度 合適的混合和停留時間等 這些都需要經(jīng)現(xiàn)場試驗最終優(yōu)化 101 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 壓力式在線凝結(jié) 絮凝 過濾體統(tǒng) 102 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 絮凝劑 有FeCl3 明礬 聚合氯化鋁和聚陽離子型絮凝劑 使用鋁劑應(yīng)注意 其絮凝物在pH6 5 6 7有最小的溶解度 聚陽離子絮凝劑優(yōu)點在于形成的絮凝物少 在過濾時不會破碎 對pH的要求不太嚴格等 但應(yīng)該嚴格控制劑量 若過量會對膜造成不可逆的損傷 過濾介質(zhì) 的選擇也是很關(guān)鍵的 AGR 一種無水硅酸鋁 海綠砂 砂 無煙煤 雙介質(zhì) 和多介質(zhì) 可多達5種 等是效果良好的過濾介質(zhì) 103 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 微濾 MF 和超濾 UF 預(yù)處理MF和UF預(yù)處理方法具有以下優(yōu)點 去除范圍寬 包括膠體在內(nèi) 可連續(xù)操作 性能優(yōu)良 出水水質(zhì)好 對高壓泵和反滲透的保護性好 少用或不用藥劑 物理消毒安全 投資 占地少 人工省等 104 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 8 1 2微生物污染及防治微生物污染的來源 在物質(zhì)傳遞過程中 微生物也向膜面遷移并吸附在膜上繁殖 過量的絮凝劑 如SHMP是營養(yǎng)物質(zhì) 會促進微生物繁殖 氯會使腐質(zhì)酸分解 也成為營養(yǎng)物質(zhì) 油和烴類也容易引起微生物的生長 微生物污染對膜性能的影響 會形成致密凝膠層 吸附高濃度的離子 使?jié)獠顦O化更嚴重 降低流動混合效果 同時由于酶的作用也會促進膜的降解和水解 105 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 微生物污染的特征及監(jiān)測 濃水中總細菌數(shù)的迅速增加是微生物污染的特征之一 對完全失效膜進行剖析 分析細菌數(shù)量 品種以及TOC 蛋白 ATP和糖等可證實微生物污染的存在 引起微生物污染的主要原因 進水預(yù)處理不足 溫度高 SDI高 有機和無機營養(yǎng)物濃度高和殘存大量細菌等 管路過長 透光 有死角 有裂縫 有非消毒部分等 操作中不經(jīng)常檢測 低流速 長期存放和使用已污染的試劑等 106 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 8 1 2微溶鹽沉淀的控制結(jié)垢發(fā)生的原因 由于水不斷透過膜 使膜的進水中的那些微溶鹽在膜面附近的濃水中超過其溶度積而沉淀析出導(dǎo)致水垢的產(chǎn)生 水垢是反滲透和納濾過程中最普遍的膜污染 當(dāng)苦咸水為水源時 碳酸鈣和硫酸鈣是最普遍存在的沉淀析出 而以海水為水源時 通常只考慮碳酸鈣的沉淀析出 107 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 若微溶鹽的濃度超過其溶度積時 可采取下列方法處理 1 降低回收率 避免濃水中的微溶鹽濃度超過其溶度積 2 調(diào)節(jié)原水pH值 加酸 大多數(shù)地表水和地下水中的CaCO3幾乎呈飽和狀態(tài) 由下式可知CaCO3的溶解度取決于pH值 因此 通過加入酸中的H 化學(xué)平衡可以向左側(cè)轉(zhuǎn)移 使碳酸鈣維持溶解狀態(tài) 108 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 CaCO3在濃水中更具有溶解的傾向 而不是沉淀 天然水源作為反滲透進水時 在濃水中多半發(fā)生碳酸鈣沉淀的問題 需要加以判斷和防止 通常有兩種判斷碳酸鈣沉淀的方法 對苦咸水和城市自來水為反滲透水源時 采用朗格利爾 Langelier 飽和指數(shù)法 LSI 法 對海水 采用斯蒂夫和大衛(wèi)飽和指數(shù) S DSI 法 表示這種趨于溶解的傾向 在飽和pHs的條件下 水中CaCO3處于溶解與沉淀之間的平衡狀態(tài) 109 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 LSI和S DSI的定義為 當(dāng)僅采用加酸控制碳酸鈣結(jié)垢時 要求濃水中的LSI或S DSI指數(shù)必須為負數(shù) 加酸僅對控制碳酸鹽垢有效 110 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 3 加阻垢劑阻垢劑可以用于控制碳酸鹽垢 硫酸鹽垢以及氟化鈣垢 通常有三類阻垢劑 六偏磷酸鈉 SHMP 有機磷酸鹽和多聚丙烯酸鹽 六偏磷酸鈉 能少量的吸附于微晶體的表面 阻止結(jié)垢晶體的進一步生長和沉淀 價格便宜 但化學(xué)性質(zhì)不太穩(wěn)定 容易發(fā)生水解降低阻垢效率 同時也有產(chǎn)生磷酸鈣沉淀的危險 有機磷酸鹽 足夠效果好 化學(xué)性能穩(wěn)定 適應(yīng)于防止不溶性的鋁和鐵的結(jié)垢多聚丙烯酸鹽 通過分散作用可以減少SiO2結(jié)垢的形成 111 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 阻垢劑投加需要注意的問題 聚合有機阻垢劑遇到陽離子聚電解質(zhì)或多價陽離子時 可能會發(fā)生沉淀反應(yīng) 例如鋁或鐵 所產(chǎn)生的膠狀反應(yīng)物 非常難以從膜面上除去 在含鹽量為35 000mg L的海水反滲透系統(tǒng)中 結(jié)垢問題沒有苦咸水中那樣突出 當(dāng)運行回收率高于35 時 推薦使用阻垢劑 陽離子聚電介質(zhì)可能會與負電性的阻垢劑發(fā)生協(xié)同沉淀反應(yīng)并污染膜表面 必須保證當(dāng)添加陰離子阻垢劑時 水中不存在明顯的陽離子聚合物 對于阻垢劑的投加必須避免過量 過量的阻垢劑對膜而言也是污染物 112 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 4 強酸陽離子樹脂軟化使用Na 離子置換和除去水中結(jié)垢陽離子如Ca2 Ba2 和Sr2 交換飽和后的離子交換樹脂用NaCl再生 這一過程稱為原水軟化處理 在軟化處理過程中 進水pH不會改變 但原水中的溶解氣體CO2能透過膜進入產(chǎn)品側(cè) 引起電導(dǎo)率的增加 需在軟化后的水中加入一定量NaOH pH8 2 以便將水中殘留CO2轉(zhuǎn)化成重碳酸根 離子交換法軟化去除鈣 鎂 離子 但對高堿度的水和大水量工程 此法不經(jīng)濟 113 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 5 弱酸陽離子樹脂脫堿度該工藝能夠?qū)υ畬崿F(xiàn)部分軟化 離子交換過程中 與重碳酸根相同量的暫時硬度中的Ca2 Ba2 和Sr2 等為H 所取代而被除去 這樣原水的pH值會降低到4 5 由于樹脂的酸性基團為羧基 當(dāng)pH達到4 2時 羧基不再解離 離子交換過程也就停止了 采用弱酸陽離子交換樹脂脫堿度主要是大型苦咸水處理系統(tǒng) 對于重碳酸根含量高的水源較為理想 重碳酸根也可轉(zhuǎn)化為CO2 114 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 多數(shù)情況下 不希望產(chǎn)水中出現(xiàn)CO2 這時可以對原水或產(chǎn)水進行脫氣處理 當(dāng)原水存在生物污染可能時 如 地表水 高TOC或高菌落總數(shù) 對產(chǎn)水脫氣更為合適 在膜系統(tǒng)中高CO2濃度可以抑制細菌的生長 當(dāng)希望系統(tǒng)運行在較高的脫鹽率時 采用原水脫氣較合適 脫除CO2將會引起pH的增高 進水pH 6時 膜系統(tǒng)的脫除率比進水pH 5時要高 115 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 采用弱酸脫堿度的優(yōu)點如下 再生所需要的酸量不大于105 的理論耗酸量 這樣會降低操作費用和對環(huán)境的影響 通過脫除重碳酸根 水中的TDS減低 這樣產(chǎn)水TDS也較低 本法的缺點是 殘余硬度處理過程中水的會發(fā)生pH變化 116 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 6 石灰軟化通過水中加入氫氧化鈣可除去碳酸鹽硬度 非碳酸鈣度可以通過加入碳酸鈉 純堿 得到進一步地降低 117 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 石灰 純堿處理也可以降低二氧化硅的濃度 當(dāng)加入鋁酸鈉和三氯化鐵時 將會形成CaCO3以及硅酸 氧化鋁和鐵的復(fù)合物 通過加入石灰和多孔氧化鎂的混合物 采用60 70 C熱石灰硅酸脫除工藝 可將硅酸濃度降低到1mg L以下 118 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 采用石灰軟化 也可以顯著地降低鋇 鍶和有機物 但是石灰軟化處理需要使用反應(yīng)器 以便形成高濃度作晶核的可沉淀顆粒 通常需要采用上升流動方式的固體接觸澄清器 本過程的出水還需設(shè)置多介質(zhì)過濾器 并在進入RO NF之前應(yīng)調(diào)節(jié)pH值 使用含鐵絮凝劑 不論是否同時使用或不使用高分子助凝劑 陰離子或非離子型 均可提高石灰軟化的固 液分離作用 僅當(dāng)產(chǎn)水量大于200m3 h的苦咸水系統(tǒng)才會考慮選擇石灰軟化預(yù)處理工藝 119 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 7 預(yù)防性清洗在某些場合下 可以通過對膜進行預(yù)防性清洗來控制結(jié)垢問題 此時系統(tǒng)可不需要進行軟化或加化學(xué)品阻垢 通常這類系統(tǒng)的運行回收率很低 約25 左右 而且1 2年左右就考慮更換膜元件 這些系統(tǒng)通常是以自來水或海水作水源 制造飲用水的單元件不重要的小型系統(tǒng) 其最簡單的清洗方式是打開濃水閥門作低壓沖洗 設(shè)置清洗間隔短的模式要比長的模式有效 例如常用每運行30分鐘低壓沖洗30秒 120 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 8 調(diào)整操作參數(shù)當(dāng)其它結(jié)垢控制措施不起作用時 必須調(diào)整系統(tǒng)的運行參數(shù) 以防止產(chǎn)生結(jié)垢問題 因為保證濃水中難溶鹽濃度低于溶度積 就不會出現(xiàn)沉淀 這需要通過降低系統(tǒng)回收率來降低濃水中的濃度 溶解度還取決于溫度和pH值 水中含硅時 提高溫度和pH可以增加其溶解度 二氧化硅常常是唯一考慮需要調(diào)節(jié)這些運行參數(shù)以防止結(jié)垢的原因 因為這些參數(shù)的調(diào)節(jié)存在一些缺點 如能耗高或其它結(jié)垢的風(fēng)險 如高pH下易發(fā)生CaCO3沉淀 121 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 不同微溶性鹽結(jié)垢的判斷與防止措施 1 碳酸鈣沉淀的判斷和防止天然水源作為反滲透進水時 在濃水中最容易發(fā)生碳酸鈣沉淀 由于反滲透工程中膜對CO2的截留率幾乎為零 而對于Ca2 的透過率很低 一旦進水被反滲透濃縮時 在膜的濃水中pH值會升高和Ca2 濃度增高 另外 pH值上升又會使水中HCO3 的比例增加 這樣 在反滲透過程中 在膜上會產(chǎn)生碳酸鈣沉淀 其化學(xué)反應(yīng)為 122 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 為了進行結(jié)垢的判斷和防止碳酸鈣沉淀 需要作如下假設(shè) 濃水的溫度等于進水的溫度濃水中的離子強度 等于進水的離子強度乘以濃縮因子 CF 式中R是以分數(shù)表示的組件或裝置的回收率 該式是偏于保守的 這是因為某些能夠離子透過膜 計算的CF值偏高 濃水中的鈣 鋇 鍶 硫酸根 硅和氟化物的濃度等于進水中的相應(yīng)值乘以CF 123 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 濃水中的重碳酸根以下列方程計算 式中 HCO3 濃水中HCO3 的濃度 mg L CaCO3計 CF HCO3 的濃縮因子 HCO3 r 進水中HCO3 的濃度 mg L CaCO3計 SPHCO3 在回收率為R時以分數(shù)表示的HCO3 的透過率 HCO3 是pH值敏感離子 在不同的pH值下 其透過率SP或脫除率r不同 124 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 Langelier飽和指數(shù)判斷法Langelier在30年代推導(dǎo)了計算飽和pH pHs 的公式 在此pHs時 CaCO3既不溶解也不沉淀 式中KSP CaCO3的溶度積 K2 H2CO3的第二離解常數(shù) Ca2 s 飽和狀態(tài)時Ca2 的濃度 HCO3 飽和狀態(tài)時HCO3 的濃度 125 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 當(dāng)pH 8 5時 HCO3 的濃度近似等于總堿度見下圖 而平衡常數(shù) KSP或K2 與溫度和溶解總固體或離子強度有關(guān) 通常由上式派生出來的式 2 和表1中所列的有關(guān)因子來計算pHs 126 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 Langelier飽和指數(shù)的定義式中pHr 濃水的pH 其值為 pHr可由上式求得或從 HCO3 和CO2的比率對pH的影響 的圖上查出 127 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 pHs CaCO3飽和時水的pH值 其值為式中A 與溶解總固體TDS有關(guān)的因子 B 與溫度t有關(guān)的因子 C 與Ca2 濃度有關(guān)的因子 Ca2 單位為mol L D 總堿度 HCO3 濃度 有關(guān)的因子 堿度 單位為mol L 128 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 根據(jù)濃水的LSI可判斷CaCO3沉淀的可能性如下 LSI 0沉淀LSI 0飽和狀態(tài)LSI 0溶解若進水中添加阻垢劑 如六偏磷酸鈉 SHMP 可使?jié)馑腖SI 1時不會發(fā)生CaCO3沉淀 不然就得加酸調(diào)節(jié)pH使LSI 0 5 加10mg LSHMP 129 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 LSI計算例題 計算含鹽量 TDS 400mg L Ca2 240mg L CaCO3 HCO3 196mg l CaCO3計 pH 7 2的水在51 124 的LSI 根據(jù)上述已知條件得 A 0 16 由A TDS 400mg L B 1 53 由B t 51 C 1 98 由C Ca2 240mg L D 2 29 由D HCO3 240mg L 130 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 Stiff和Davis穩(wěn)定指數(shù) S DSI 法對于高TDS的水 如海水 采用50年代H A Stiff和L E Davis指出的穩(wěn)定指數(shù) S DSI 法判斷CaCO3沉淀更為精確 其定義為 式中的符號意義和判斷CaCO3沉淀的方法與LSI法相同 當(dāng)進水的pH為7 0 7 5 回收率約30 時海水為水源的濃水通常S DSI 0 131 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 知道了進水的 Ca2 HCO3 和TDS或離子強度 在一定的回收率下 濃水的相應(yīng)值可將上述各項分別乘以濃縮因子CF得到 水的離子強度I的計算方程為 式中I 離子強度 mi 離子i的重量莫爾濃度 mol LH2O Zi 離子i的電荷 重量摩爾的計算方程 132 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 濃水的飽和pH pHs 為式中pCa 鈣離子濃度的負對數(shù) pAlk 堿度 HCO3 濃度 的負對數(shù) K 最高溫度時離子強度常數(shù) 上述pCa pAlk和K可分別由 鈣 堿度與pCa pAlk的變換 和 Stiff和Davis K 與離子強度和溫度的關(guān)系 圖線中查出 濃水的pH pHr 由 進料液海水pH與濃水pH的關(guān)系 圖線得到 133 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 防止碳酸鈣沉淀的預(yù)處理 加酸法加酸調(diào)節(jié)進水的pH值是使LSI或S DSI 0 防止CaCO3沉淀的最普遍采用的方法 加酸使CO32 轉(zhuǎn)化為HCO3 然后轉(zhuǎn)化為CO2 通常脫氣去除 硫酸或鹽酸均可作為調(diào)節(jié)pH的藥劑 前者廉價和硫酸根反滲透脫除率高 故更為可取 但對某些水源 因硫酸帶入的硫酸根導(dǎo)致鈣 鍶和鋇的硫酸鹽沉淀 在這種情況下 應(yīng)以鹽酸調(diào)節(jié)pH 加酸后的化學(xué)反應(yīng)如下 134 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 加酸量的計算加酸量與進水組成有關(guān) 根據(jù)化學(xué)反應(yīng) 采用與式 7 137 和式 7 138 類似式可以導(dǎo)出硫酸和鹽酸加入量的計算式 根據(jù)化學(xué)反應(yīng) 每加入1mg LH2SO4 100 產(chǎn)生0 898mg LCO2 CO2計 同時減少1 0205mg L CaCO3計 的HCO3 這樣 由可得到 寫成 135 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 式中Rf 加酸使進水pH由pHf0變?yōu)閜Hf時的R H2SO4 f 將進水pHf0調(diào)節(jié)至pHf時加入H2SO4 100 量 mg L上式中右端分子為加酸后的進水中HCO3 的殘留濃度 分母為相應(yīng)的CO2濃度 將下兩式帶入上式中得到 136 工藝過程設(shè)計 反滲透和納濾系統(tǒng)預(yù)處理及運行 根據(jù)反應(yīng) 每加入100mg LHCl 100 產(chǎn)生1 205mg LCO2 CO2計 同時減少1 370mg L CaCO3計 HCO3 由上述同樣處理 可得鹽酸加入量 mg LHCl 100 由上兩式可知 只要知道原始進水中的HCO3 濃度 HCO3 f0和pH值 pHf0 和調(diào)整至設(shè)定的pH值 pHf 就可計算硫酸或鹽酸的加入量 H2SO4 或 HCl 137 工藝過程