二級反滲透系統(tǒng)的技術(shù)特點

二級反滲透系統(tǒng)的技術(shù)特點

在設(shè)計廢水生產(chǎn)項目中，第二個耳腔是一個重要的工藝環(huán)節(jié)。二級系統(tǒng)的設(shè)計包括元件品種、元件數(shù)量、流程長度、膜堆結(jié)構(gòu)等多項內(nèi)容，且包括系統(tǒng)收率、系統(tǒng)功耗、產(chǎn)水鹽量、段通量比（兩段通量之比）與段濃水比（兩段膜殼濃水流量之比）等多項經(jīng)濟技術(shù)指標。筆者還就二級系統(tǒng)的流程長度與膜堆結(jié)構(gòu)進行了重點分析。本研究僅以海德能公司的兩個型號元件代表高壓與低壓兩類膜品種，低壓膜ESPA2的測試參數(shù)為：給水壓強1.05MPa、脫鹽率99.6%、產(chǎn)水量34.1m本研究所示數(shù)據(jù)均由海德能設(shè)計軟件計算得出。由于該軟件對于二級系統(tǒng)脫鹽率的計算結(jié)果偏高，故二級系統(tǒng)產(chǎn)水含鹽量偏低，相關(guān)數(shù)據(jù)僅供工藝效果的對比之用1膜品種配置對兩級系統(tǒng)段通量比的影響反滲透膜的濃差極化度的定義為：膜表面的鹽濃度與湍流態(tài)給濃水徑流中鹽濃度之比。因卷式膜元件中濃差極化度無法測量，故該參數(shù)多轉(zhuǎn)換為元件收率的函數(shù)。此外低壓膜的脫鹽率較低，高壓膜的脫鹽率較高；故兩級系統(tǒng)均采用高壓膜時的系統(tǒng)脫鹽率高但能耗也高，而均采用低壓膜時的系統(tǒng)脫鹽率低但能耗也低。表1給出了1個產(chǎn)水流量為85m二級系統(tǒng)給水的含鹽量及滲透壓不高，各種元件品種配置的段通量比均接近1.1；因一級系統(tǒng)的給水含鹽量較高，采用高壓膜品種的段通量比遠低于采用低壓膜品種；此外兩級系統(tǒng)不同元件品種配置的重要差異在于系統(tǒng)功耗。表1所示數(shù)據(jù)揭示了兩級系統(tǒng)的另一特征，即當兩級系統(tǒng)中選擇不同脫鹽率膜品種時，一級系統(tǒng)產(chǎn)水電導(dǎo)率差異較大，但兩級系統(tǒng)產(chǎn)水電導(dǎo)率相差不大。換言之，當一級系統(tǒng)脫鹽率較低時，則二級系統(tǒng)脫鹽率將上升，當一級系統(tǒng)脫鹽率較高時，則二級系統(tǒng)脫鹽率將下降。為降低一級系統(tǒng)的段通量比與兩級系統(tǒng)功耗，一級系統(tǒng)應(yīng)采用高壓膜而二級系統(tǒng)應(yīng)采用低壓膜。換言之，一級系統(tǒng)應(yīng)采用高壓膜品種，以小幅增大的系統(tǒng)能耗為代價，換取前后段通量趨于平衡；二級系統(tǒng)應(yīng)采用低壓膜品種，以小幅增大的段通量比換取系統(tǒng)能耗的大幅降低。當然，對于脫鹽率要求較高的兩級系統(tǒng)，二級系統(tǒng)中也應(yīng)采用高壓膜品種。2系統(tǒng)運行條件在相同回收率下，反滲透系統(tǒng)的一般規(guī)律為：長流程系統(tǒng)的濃差極化度較小，短流程系統(tǒng)的濃差極化度較大，但長流程系統(tǒng)也存在著系統(tǒng)功耗高與段通量比大等弊端。受到濃差極化度1.2限制，對于75%收率的一級系統(tǒng)一般采用6支裝膜殼即兩段流程全長12m。因二級系統(tǒng)的濃差極化度限值放寬至1.4，采用短流程結(jié)構(gòu)，可有效降低系統(tǒng)功耗與段通量比。對于一般收率85%的二級系統(tǒng)，膜堆如采用整倍于2-1/5結(jié)構(gòu)或整倍于2-1/4結(jié)構(gòu)，則系統(tǒng)運行參數(shù)幾乎均優(yōu)于整倍于2-1/6結(jié)構(gòu)，即應(yīng)采用5支甚至4支裝膜殼，其流程長度可縮短至10m甚至8m。相關(guān)數(shù)據(jù)見表2，其中運行條件為：給水含鹽量30mg/L，給水溫度25℃，產(chǎn)水流量200m反滲透系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域中，還要求各段膜殼的濃水流量（也稱段殼濃水流量）不得過低，即殼內(nèi)末端膜元件的濃水流量不得過低，以使其元件的給濃水徑流維持湍流狀態(tài)。根據(jù)后面表3數(shù)據(jù)分析，當系統(tǒng)收率為85%時，如仍采用2∶1的兩段膜殼數(shù)量比結(jié)構(gòu)，常出現(xiàn)首段的膜殼濃水流量大于末段的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)末段濃水中的污染物濃度更高，為使末段錯流比更大以降低污染，則末段的段殼濃水流量應(yīng)大于首段。因此針對85%的二級高收率系統(tǒng)，無論流程為10m或8m，為使末段膜殼濃水流量大于首段，其兩段膜殼數(shù)量比應(yīng)接近或等于3∶1。如果兩段膜殼數(shù)量比接近或等于4∶1時，則前后段膜殼濃水流量比過大，且使前段系統(tǒng)的濃差極化度過高。關(guān)于5種膜堆結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)的比較見表3。其中運行條件為：給水含鹽量30mg/L，給水溫度25℃，產(chǎn)水流量300m對于元件數(shù)量一致而不同流程長度的系統(tǒng)，由于膜殼長度不同會導(dǎo)致價格不等，故其投資成本有所差異。以膜元件數(shù)量相等但采用27-9/4與16-8/6不同膜堆結(jié)構(gòu)為例進行系統(tǒng)投資成本的分析，結(jié)果見表4。其中運行條件為：給水含鹽量50mg/L，給水溫度25℃，產(chǎn)水流量160m設(shè)6芯膜殼的價格為2000～2800元，而4芯膜殼的價格為1600～2500元，并設(shè)系統(tǒng)年運行8000h且電價為0.8元/（kW·h）。由表4可知，27-9/4(9倍3-1/4）的短流程結(jié)構(gòu)比16-8/6(8倍2-1/6）的長流程結(jié)構(gòu)的膜殼總價僅增加9.00-6.72=2.28萬元，而年運行電費可節(jié)省48.1-43.3=4.8萬元，因此可知短流程結(jié)構(gòu)較長流程結(jié)構(gòu)具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。9倍3-1/4結(jié)構(gòu)與8倍2-1/6結(jié)構(gòu)的唯一缺點是：二級系統(tǒng)的4支裝膜殼與一級系統(tǒng)的6支裝膜殼在膜堆架構(gòu)上存在長短差異。但該缺點與其經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢相比，不足為慮。3兩級脫鹽率的計算由于二級系統(tǒng)的產(chǎn)水含鹽量遠低于一級系統(tǒng)的進水含鹽量，故二級系統(tǒng)濃水總是回流至一級系統(tǒng)前，與一級系統(tǒng)進水混合為一級系統(tǒng)給水。該工藝結(jié)構(gòu)不僅提高了兩級系統(tǒng)的回收率，也在一定程度上提高了兩級系統(tǒng)的脫鹽率設(shè)兩級全系統(tǒng)進水流量為Q對于兩級元件配置分別為CAP3的ESPA2的兩級系統(tǒng)，如無二級系統(tǒng)濃水回流工藝，系統(tǒng)給水流量為118.3+15=133.3m二級系統(tǒng)濃水的回流工藝，具有圖1給出的A與B兩個不同模式。實線所示模式A為目前普遍采用的模式，其二級濃水經(jīng)濃水閥降壓并回流到一級給水泵前端，二級濃水的能量幾乎全部被濃水閥所消耗，并需要一級給水泵對其再次加壓。筆者建議采用虛線所示模式B，其二級濃水經(jīng)增壓泵加壓并注入一級給水泵后端，二級濃水具有的能量可被充分利用，而只需對其小幅增壓至一級給水壓強，從而達到降低系統(tǒng)能耗之目的。理論計算表明，模式B工藝需增設(shè)1臺15m4高壓與低壓膜組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(1）二級系統(tǒng)具有低給水鹽量、低給水污染物、高通量、高收率、高濃差極化度