地表水反滲透系統(tǒng)的設計

1、地表水反滲透系統(tǒng)的設計#TRS_AUTOADD_1229049758156 MARGIN -TOP:Opx;FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOMDpx; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT -F AMILY: 宋 體 #TRS_AUTOADD_1229O49758156 P MARGIN-TOP:Opx; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOMDpx;LINE-HEIGHT:1.5;FONT-F AMILY:宋體#TRS_AUTOADD_1229049758156TD MARGIN-TOP: 0px;FONT-SIZE: 12pt; MA

2、RGIN-BOTTOMDpx; LINE-HEIGHT: 1.5;FONT-FAMILY:宋 體#TRS_AUTOADD_1229049758156DIV MARGIN-TOP:Opx; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOMDpx;LINE-HEIGHT:1.5;FONT-F AMILY:宋體#TRS_AUTOADD_1229049758156LI MARGIN-TOP: 0px;FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOMDpx; LINE-HEIGHT: 1.5;FONT -F AMILY:宋體/*-JSON-:line-height:1.5,fon

3、t-famil y:宋體,font-size:12pt,margin-top:0,margin-botto m:0,p:line-height:1.5,font-family:宋體,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:O,td:line-height:1.5,font-family:宋體,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0,div:line-height:1.5,font-family:宋體,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0,li:line-

4、height:1.5,font-family:宋體,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0-*/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)的工藝設計和系統(tǒng)監(jiān)控更為復雜，各種參數(shù)的 選定更加保守。其原因可歸為以下幾個方面：1. 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；2. 市政水處理或反滲透預處理過程中往往引入了反滲透系統(tǒng)的污染物，有機污染物以及微生物，藻類等生物活性 較高的物質；3. 地表水的溫度?？側芙夤绦挝锖臀廴疚锖康募竟?jié)性變化較大。反滲透預處理設計地表水反滲透系統(tǒng)首先應選擇正確的預處理以減 少和控制

5、污染物。如果水的預處理選擇得當，則反滲透系統(tǒng) 就能正常運行。確定在系統(tǒng)中是否設計了合適的預處理的最 好辦法是進行現(xiàn)場小型實驗或對使用同一給水水源的現(xiàn)有 反滲透系統(tǒng)進行考察。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，能反映季節(jié)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的預處理以使給水水質滿 足反滲透給水要求。預處理應減少懸濁物和膠體含量以使?jié)?度v 1.0NTU, 15 分鐘 SDI 低于 5.0。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(chǎn)廠家也無法提供最大含量的規(guī)定，但建議TOC含量應低于 2.0ppm。這2.0ppmTOC大

6、致相當于 5ppm的總有機生物量，如反滲透膜以13gfd的水通量工作一年且在運行過程中這些有機物不被連續(xù)地沖掉或者未被定期地清 洗掉時，就會在膜表面堆積達0.05英寸厚。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(chǎn)廠家也無法提供最大含量的規(guī)定，但 建議在細菌含量為 10,000cfu/ml 時應引起注意。反滲透設計設計地表水反滲透系統(tǒng)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(chǎn)水量和產(chǎn)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(tǒng)污染速度的主要因素按其重要 性順序排列如下：1. 膜材質類型2. 產(chǎn)水通量3. 橫向流速4. 反滲透操作條件5. 反

7、滲透膜元件結構一、膜類型：設計人員可以選擇 CAB系列膜元件或 CPA系列膜元件。 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(yōu)點，即在運行時給水中可含0.3I.Oppm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0.05

8、ppm。CAB膜耐氯能力為26,000ppm X小時，而 CPA膜在有過渡族金屬離子存在時的 耐氯能力只有1,0002,000ppm X小時。對于已經(jīng)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(yōu)先選用CPA膜。CPA與CAB相比有如下優(yōu)點：CPA膜脫鹽率較高，因而產(chǎn)水質量更高；膜 耐久性強，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范圍寬，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；允許的溫度上限高，從而更便于清洗。二、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(shù)是產(chǎn)水通量。產(chǎn)水通量是單位有效

9、膜表面的產(chǎn)水量，用GFD或者LMH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 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。對不同水質和不同污染物含量的水源給 出了建議的設計水通量范圍。這些設計導則的基礎是假定已 經(jīng)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(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，如果每隔 3個月或者更長的

10、時間清洗一次，則表明預處理和反滲透系統(tǒng)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。三、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 膜表面的橫向流速越高，膜污染速度就越低。當給水和濃水 水流穿過給水/濃水隔網(wǎng)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(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 溶液的擴散速度，從而減少了難溶鹽沉淀在膜表面上

11、的危 險。為了達到所希望的系統(tǒng)水通量，設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。 選擇365或者400平方英尺的8英寸直徑X 40英寸長的高膜 面積元件的優(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RO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

12、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流體 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。橫向流速越低，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 b值，該值應該小于1.20。四、反滲透維護：有多種維護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，

13、停運期間定期低壓沖洗以及定期消毒。我們建議采用產(chǎn)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(chǎn)水可抑制細菌滋長，而且還可以溶解膜上的污染 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小時進行一次?？梢赃M行定期消毒，以控制兩次清洗之間的生物滋長。在運行狀態(tài)連續(xù)消毒是工藝設計中所關心的最新領域。醋酸纖維素膜有其固有的殺菌優(yōu)點。而對于

14、CPA莫，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， 要求將氯控制到少于0.05ppm，過醋酸/過氧化氫控制到0.4I.Oppm。目前正在進行現(xiàn)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(shù)并且還能 保持適當長的使用壽命。目前還正在進行其它現(xiàn)場研究以調(diào) 查氯胺的殺菌能力及其對 CPA膜的影響。最初的結果表明在 某些情況下CPA膜可耐受68ppm的氯胺，而在其它情況下 可耐受多達12ppm的氯胺。五、反滲透膜元件結構：世界上所用的井水和地表水反滲透系統(tǒng)所用的膜元件 絕大多數(shù)為卷式膜元件。與中空纖維和板框式結構相比較， 卷式膜元件在給水通道抗污染能力、設備空

15、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(wǎng)的幾何形狀、尺寸以及產(chǎn)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，具有最大的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(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英寸厚的金剛石形隔網(wǎng)。一些較新的反 滲透膜元件使用了 26密耳隔網(wǎng)來增加膜面積、產(chǎn)水量和元 件中

16、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)，以減小膜面積、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：1. 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；2. 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)點是否可以抵銷反滲透系統(tǒng)設計中的高水 通量和低橫向流速的消極影響。表2是市售的8英寸X 40英寸反滲透元件的部分數(shù)據(jù)總 結，包括膜工作面積、給水隔網(wǎng)厚度、給水隔網(wǎng)的大約體積 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

17、能較低，因此達到單支膜元件上壓力降的 28極限值時的工作周期。但這與通常建議的清洗要求：因污染 導致壓力降升高1015%寸就應清洗的說法相對立。厚鹽水 隔網(wǎng)也有雷諾數(shù)低的消極影響，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0XX的層流范圍內(nèi)，所有不可能出現(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。從表中可有趣地觀察到醋酸纖維反滲透膜元件的給水隔網(wǎng)總體積最小，而給水隔網(wǎng)的厚度處于中等范圍，為 密耳。反滲透元件的生產(chǎn)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