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反滲透系統設計問題的探討
分割線[摘要] 針對地表水和地下水所采用的卷式反滲透復合膜的應用，探討了有關該反滲透系統的匹配、過濾器流量平衡、預加熱、過濾器反沖洗、加藥、微孔過濾器、工藝水泵以及RO裝置的一些設計問題。
[關鍵詞] 反滲透，膜元件，預處理，系統匹配，流量平衡
反滲透（RO）已逐漸成為對水質進行除鹽或預除鹽的主要技術，應用范圍也非常廣泛。目前，工程師們是遵循各家膜制造商提供的簡要RO設計導則，同時憑著各自對水凈化知識的理解和工程經驗，來完成RO設計任務的，其應用結果難免不盡人意，那些性能優良的RO膜時常承受著突變的水質和不完善系統的沖擊，致使膜使用壽命縮短。為了解決該問題，除了嚴格遵循膜的設計導則以外，還應正確地對RO系統和裝置進行設計。
1、 系統匹配
RO系統主要由預處理和RO裝置這兩部分組成。為了滿足用水量需求，同時考慮RO的產水特性，通常將RO裝置設計成2套或2套以上。但是，這些裝置系統匹配的合理性，將是在方案設計階段時就需要確立的。有關確立的原則應遵照以下內容：
- 2套RO裝置，單套產水能力小于50m3/h，其預處理裝置中各級設備應采用母管制，而微孔過濾器、RO高壓泵和RO裝置無論何時均應采用單元制，其中應特別注意RO裝置產水必須分別接入調節水箱等。在預處理裝置中，母管制的過濾器工作流速應按有關規定確定，單臺過濾器面積不宜過大;若過大，過濾器數量較少，當其中一臺反沖洗時，其余過濾器的濾速將會變化較大，會直接影響出水水質，從而影響后續設備的運行性能;但同時也應注意過多地設置過濾器，會增加系統造價，因此就此情況，過濾器臺數應控制在3~4臺為宜。
- 2套RO裝置，單套產水能力在50~100m3/h或以上，其預處理裝置中的各級設備可采用母管制或單元制，其單套產水能力接近50~60m3/h宜采用母管制，而產水能力接近90~100m3/h，應采用單元制，即每套RO裝置均應有獨立的預處理裝置，但其獨立的預處理裝置中各級設備又應是母管制。
- 3套RO裝置或以上，其預處理裝置中的各級設備，應根據RO裝置實際產水量靈活地采用母管制或單元制進行系統匹配設計。譬如原水為二級凈化地表水，要求RO裝置總產水量為4×75m3/h，回收率75%，除鹽率大于97%，系統主要組成10臺Φ3000細砂過濾器，10臺Φ3000活性炭過濾器，4臺Φ1200微過濾器，4臺高壓泵，4臺RO裝置，其系統匹配設計為2個單元制預處理，4個單元制RO裝置，每個單元制預處理裝置負擔二個單元制RO裝置，其中每個單元制預處理裝置包括5臺細砂過濾器，5臺活性炭過濾器和2臺微孔過濾器，這種單元制與母管制相結合的系統匹配，使系統具有運行穩定、出水水質好、管理維護方便和投資低等優點。
2、 過濾流量平衡
經過常規凈化的地表水或地下水，通常仍不能滿足RO裝置的進水水質指標，因此系統還需要設置預處理裝置，它一般包括細砂過濾器或活性炭過濾器等。由于非間歇運行的RO系統的過濾器數量均在2臺以上，系統匹配為母管制，致使同級的過濾器的濾層壓差（ΔP）始終相同，但是由于各過濾器的反沖洗是逐個間斷進行的，使各濾層的清潔程度不同，從而也使過濾器產水流量不同，尤其是在其中一臺反沖洗結束后，投入運行的初期階段，這種流量差別將非常明顯。在實際工程應用中，母管系統的壓差（ΔP）在20~60KPa范圍，新投入運行的過濾器的產水量是其它過濾器的2~4倍，這使得出水水質變化極大。另外，從某些制定的RO系統運行操作規則中，�？梢钥吹竭@一規定，過濾器需要反沖洗的條件為濾層壓差增加或根據運行時間或產水水質降低，但在實際運行中，多數是依靠運行時間或（和）壓差，來確定過濾器的反沖洗。
那么，如何準確地確認需要反沖洗的過濾器，并且解決好流量過大問題?其有效措施應在每臺同級過濾器的進水管上設置流量監視器或流量計，來確認需要反沖洗的過濾器，同時，借助閥門來調節新投入的過濾器的產水流量，使其平衡。
3、 預加熱
RO裝置產水量與進水溫度有很大關系。溫度增高，RO裝置產水量增大，根據膜制造商所提供的復合膜的產水量與水溫的關系，水溫每改變1℃，產水量約改變3%。就國內北方地區，冬季地表水溫度常低于10℃，若RO裝置運行設計溫度為25℃，那么如此低的水溫度將使RO裝置的產水量銳減。解決這一問題，特別是大中型裝置，常常采用對原水進行加熱，其方式為管道式蒸汽直接加熱法或快速間接加熱法。第一種方法，其噪聲和振動特別大，且加熱的穩定性極易受進水量和蒸汽量大小的影響。從實際的情況來看，原設計的此設施已基本上被廢棄。第二種方法，其占地面積相對較大，設備投資也較高。
就大中型裝置系統而言，此系統常設有原水箱或清水箱，其材質多為鋼筋混凝土或外設保溫層碳鋼結構，絕熱性能良好，因此對原水進行加熱，可采用在原水箱或清水箱內設置穿孔管，利用蒸氣直接對原水進行加熱，管上開孔按熱水箱蒸氣加熱方式設計，蒸氣進量可通過機械自動調節閥進行調節。
4、過濾器反沖洗
過濾器工作一個周期后，需要進行反沖洗，其方式可采用水沖洗或氣水沖洗，氣水沖洗較適用于接觸過濾工藝。無論何種沖洗，均應設有反沖洗水源和氣源以及相應設施。沖洗管道系統應按相關規定設計，值得注意的是，過濾器內的沖洗排水管，應設計為倒喇叭口，它不僅在制水過程中，起均勻布水作用，同時在反沖洗起始或終結時，很容易將過濾器內的水面漂洗物順利排掉;而在反沖過程中，隨時減少反沖洗流量來加強沖洗效果，同樣也能達到上述目的。在采用氣水沖洗方式時，更應采用這種設計方法，以突出氣水沖洗的效果。從應用的工程實例來看，往往忽視了這一點。
單用水沖洗簡單易行，是現在常用方式。但是，隨著水資源日益緊張，節約用水已成為迫切需要。RO裝置排放的濃水除含鹽量較高外，其濁度和色度均較低，該濃水可用作反沖洗過濾器和沖洗車間等用水�？梢杂嬎愠鲞@一措施有良好的經濟效益。這里應注意，在反沖洗過程結束時，為了保證不將濃水帶入到后續設備，應將過濾器內的反沖洗水放空后，再進原水，進行正沖洗，此正沖洗方式應與非濃水反沖洗的正洗相同。
5、加藥
為凈化原水水質，使其符合RO進水標準，防止RO膜結垢和微生物污染，以及防止RO膜被氧化。需要在此系統中的不同位置投加有關藥劑。
關于地表水RO系統，其進水常常是經過常規凈化處理的，若進水為原地表水，則需要進一步處理。若進水濁度仍然較高，需要采用接觸過濾技術，來進一步降低進水的濁度和色度，混凝劑的投加點應與砂過濾器間隔一定距離，若系統設有原水泵或清水泵，須將投加點設在原水泵吸水管處。關于地下水RO系統，其進水一般經細砂過濾處理后即可。
為了防止水中細菌繁殖，應持續和非持續性地向地表水和地下水中投加消毒劑，該消毒劑一般為氯制劑，其投加點應設在原水箱或清水箱的進水管處，同時為了防止RO膜被氯氧化，又應向RO系統中投加還原劑，如Na2SO3、NaHSO3或Na2S2O3等，其投加點須設置在微孔過濾器與高壓泵之間。另外，采用活性炭過濾器脫氯或去除有機物時，該過濾器出水中常會含有大量細菌，因此應補加消毒劑，同時按上述方法補加還原劑。為防止RO裝置結垢，應向水中投加設定的阻垢劑，該投加點應設在微孔過濾器進水管處，與RO裝置距離應盡量縮短。
無論是地表水還是地下水，SDI測定值的大小不僅是對RO裝置進水水質的綜合控制評價指標，而且也能憑該小膜片，簡單直觀地斷定RO系統的預處理裝置的運行情況，其大致斷定方法為：膜片呈黃色或淺黃色，輕擦拭不掉，可被稀酸（HCl）洗掉，說明混凝劑投加量過大，應調整其投加量;膜片呈淺黃色或土質色，可以輕擦拭掉，說明混凝劑投加量過小，應增設混凝劑投加;膜片呈灰色或黑色，可以輕擦拭掉，說明水中含有大量細菌體，應加強滅菌措施;膜片呈淺水草色，輕擦拭掉，說明水中已含有藻類，應加強滅藻措施。符合要求的SDI值，其膜片應該是本色。
6、微孔過濾器
微孔過濾器設置的作用為：1）去除水中微量懸浮物;2）去除預處理裝置中已破碎的極少量濾料顆粒，保護高轉速的高壓泵和膜元件。對于卷式復合膜大中型RO裝置系統，微孔過濾器精度通常為5μm，SDI值測定點設在該過濾器的進水管處。
常用的濾芯類型有聚丙烯線繞蜂房式管狀濾芯（Φ65×250）和褶頁式（Φ70×254），所建議的單只蜂房濾芯出力為0.5m3/h，使用壓差<50KPa，但是在實際設計中，可以提高其出力30%~40%，設計濾芯數量會少些。及時地將濾芯更新，有利于RO裝置運行，濾芯數量較少，濾芯壓差較大，濾芯上截污有可能穿透，這種現象同樣會出現在濾芯多的運行后期，其結果將會更不利，因為該過濾器一般不進行反洗，濾芯長期集結污物，會發生生物作用，影響水質。要解決換濾芯的操作工序，應使用快裝過濾器。在大中型RO系統中，可將一臺大的過濾器改設為2~3臺小型快裝過濾器，同時，這種設計方式也可便于將其中的快裝過濾器共用于RO的清洗系統。
7、工藝水泵
在RO系統中，動力設備是指工藝水泵。相對于那些過流設備來講，它應該是設計選取的關鍵設備。這里就RO系統，工藝水泵的設計選取問題進行討論。
（1）原水泵或清水泵的選取。為了使RO裝置能長期平穩正常地運行，其流量應按1.1~1.2Qf選取，Qf為設計值，1.1~1.2為安全系統;其揚程應按后續設備管道損失和利用水頭來確定，運行工況選取點，即流量和揚程，應落在高效段的上點，并且所選取的水泵在此段工作曲線應較平緩，其目的是在后續設備（如過濾器等）進行正洗或排污時，不致使壓力有較大波動而影響RO裝置的運行，造成停機。在考慮噪聲影響時，應選取低轉速水泵，管道流速應按水凈化工藝有關規定選取。
（2）反沖洗水泵的選取。其流量和揚程，按相應原則確定，沖洗進水管流速可選取3.0m/s以上，以降低造價，但沖洗排水管應有足夠的通水能力，管道流速應小于1.5~2.0m/s，以利于過濾器的漂洗物排掉。
（3）RO高壓泵的選取。其流量和揚程應按RO膜制造商提供的計算原則來確定，但這里應注意，流量是RO系統設定值，而揚程則是逐年增加的，且第一年與第五年所需揚程相差較大（如300~500KPa），同時該揚程的設計值與水溫也有關系，在RO系統未設加熱系統時，為彌補水溫較低帶來的產水量降低，靠加壓來提高產水量，其揚程變化差也較大（100~500KPa），由Hf=Hp+SQ2f可得。Hp為達到設計水量的工作壓力，Qf為設計水量，S為管路阻抗（局部和沿程的阻抗總值），Hf為水泵揚程。選取高壓泵主要以Hf和Qf這兩個參數來確定。
8、RO裝置
RO裝置是此系統中的主導設備，要熟悉掌握膜制造商所提供的有關膜類型的選取、膜元件的性能（透水量、回收率）和膜元件的組態，而且還要結合其規定，將所選定的膜元件設計為成組的RO裝置，以達到使用目的，同時還應精心優化該成組的RO裝置以及系統。這里就設計有關卷式復合膜成組RO裝置的一些問題評述如下。
- 高壓配水管道。管徑應合理選擇，以維持恰當的水流速，這里注意進水干管和支管水流速度的選取，在大中型RO裝置中（≥50~100m3/h），為了使配水均勻，其設計原則應遵循中阻力配水設計原則，讓每只壓力容器的進水壓力近似。產水支管和干管的水流速宜取較低值（≤1.0m/s），盡量穩定產水系統內的水流狀態。若流速過高，在RO裝置停止時，產水系統會產生輕微水擊的現象，不利于RO膜的背壓的穩定，破壞RO膜元件。
- 排氣問題。膜制造商指出，在RO裝置啟動時，應進行低壓沖洗，其目的是排盡裝置內積水和排出氣體，以利于RO裝置正常運行。在實際工程中，積水易排，氣體難排，因此為了防止RO裝置內的氣體的出現，應將濃水排放管、低壓沖洗管、水管以及產水排放管等，垂直向上引出，高于RO裝置，同時為了排氣順利，應將一段、二段或三段設置為從底部向上排列的方式，并且配水支管應從每只壓力容器側向上面接入，這樣設計以利于迅速向上排氣。其它方式的設計均可能使RO裝置內存有氣體，開機后，可以發現整個RO系統不僅噪聲大，而且管道振動也較大。除此之外，在RO系統停運時進行低壓沖洗，極有可能將RO裝置內的水排空，若排放管設計位置不高于RO裝置，只是象征性的向上翻起，只能將RO裝置內的水排放一部分，使其內存有氣體。
- 防止虹吸。部分應用者曾不同程度地經歷過成組RO裝置發生的虹吸現象，其結果是將該裝置內的水排放掉，使RO膜處于無水狀態，或是在對此未了解的情況下開機，影響RO裝置的正常運行。為了防止這種虹吸現象，應按上述（2）的要求設計排放管，并且在高出RO裝置向下布置排放管時，在上部設置一套異徑漏斗，切斷虹吸系統，漏斗后的排放管管徑應大于上級排放管1~2號。在產水管接入調節水箱時，若有必要，也應按此要求設計。
- 對于二段或三段成組RO裝置，其清洗配管以前均是分段設計的，但是根據多年的運行經驗，對于凈化水的二段成組大中型RO裝置來說，可以不分段設計配管，這是因為在清洗RO膜元件過程中，提高清洗效果，恢復膜性能，主要是依靠清洗藥液將膜面上的沉淀物溶解，以達到清洗目的，讓溶解的物質與藥劑一起排出RO裝置，這與加大沖洗流量無多大關系。當前多使用6只或4只裝膜元件外殼，排列為一級二段，若強調以沖洗方式將膜面上的污染物洗出，這只能將污染發生嚴重的第一根和第二根膜面上的污染物，沖塞在后幾根膜通道內。一只外殼所裝置的多根膜元件的相互連接是節段性的，而一只8英寸外殼高速清洗流量為9.1m3/h，則膜與膜節段處流速不足0.1m/s，這使得沖出的沉淀物又會累集在此處，待開機后，其結果不言而喻。當然單段單只裝膜元件外殼不存在此問題。
在一級三段成組RO裝置中，由于一段和三段的清洗流量相差較大，可將一、二段與三段清洗配管分段設計為宜。清洗管可選用襯膠、襯塑、ABS或UPVC管材，其ABS或UPVC管道與高壓管連接處所采用的閥門應為非對夾蝶閥，若采用對夾蝶閥，低壓管（ABS或UPVC）應采用調節段。若直接連接安裝，在RO裝置運行中，會發生漏水現象，無法彌補。
9、結束語
膜技術本身在不斷發展，相應的理論也在不斷完善，高質量的膜元件或膜組件也在不斷地被制造出來，但是，在應用中，RO系統能正常運行，是水處理技術的綜合正確運用的體現，應從實踐中總結經驗和教訓，優選設計方案，優化設計系統和裝置，為RO技術的推廣起到促進作用。
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