第六章 反渗透系统设计.docx
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第六章反渗透系统设计
第六章反渗透系统设计
6．1海德能RO设计导则
在使用海德能公司膜元件设计反渗透系统时，一般应遵循以下所建议的通用导则，如需要在超过本导则的情况下使用，请与海德能公司协商以便提供特殊的建议。
表-1系统设计参数
原水水源
RO产水
地下水
地表水
深井海水
表面海水
三级废水
进水水质指标
推荐最大SDI（15分钟）
1
2
4
3
4
4
浊度NTU
0.1
0.2
0.4
0.3
0.4
0.4
TOCppmC
1
3
5
3
3
10
BODppmO2（粗略估算=TOCx2.6）
3
8
13
8
8
26
CODppmO2（粗略估算=TOCx3.6）
4
11
18
11
11
36
系统平均通量,GFD/LHM
23/39.1
18/30.6
12/20.4
10/17
8.5/14.45
10/17
前端膜元件通量,GFD/LHM
30/51
27/45.9
18/30.6
24/40.8
20/34
15/25.5
通量衰减%（年）
5
7
7
7
7
15
透盐率增加%（年）
5
10
10
10
10
10
Beta值（单只膜元件）
1.40
1.20
1.20
1.20
1.20
1.20
进水流量GPM/m3/h
（单只压力容器最大值）4"
16/3.6
16/3.6
16/3.6
16/3.6
16/3.6
16/3.6
进水流量GPM/m3/h
（单只压力容器最大值）8"
75/17.0
75/17.0
75/17.0
75/17.0
75/17.0
75/17.0
浓水流量GPM/m3/h
（单只压力容器最大值）4"
2/0.5
3/0.7
3/0.7
3/0.7
3/0.7
3/0.7
浓水流量GPM/m3/h
（单只压力容器最大值）8"
8/1.8
12/2.7
12/2.7
12/2.7
12/2.7
12/2.7
压力损失,psi/bar（单只压力容器）
40/2.72
35/2.38
35/2.38
35/2.38
40/2.72
40/2.72
压力损失,psi/bar（单只膜元件）
10/0.68
10/0.68
10/0.68
10/0.68
10/0.68
10/0.68
水温℉
℃
33-113
0.1-45
33-113
0.1-45
33-113
0.1-45
33-113
0.1-45
33-113
0.1-45
33-113
0.1-45
表-2浓水中难溶盐的饱和极限
盐分
饱和值－%
CaSO4
230
SrSO4
800
BaSO4
6000
SiO2
100
表-3饱和指数极限值
条件
LSI及SDSI值
不加阻垢剂
<-0.2
六偏磷酸钠阻垢剂
<0.5
有机阻垢剂
<1.8
6.2反渗透系统设计概述
反渗透系统基本组成部分
1）原水供水单元：
原水可能是自来水、地下水、水库水或其它水源，但一般反渗透系统都有一个储水槽。
在系统设计时要考虑避免二次污染，防止沙土、灰尘等机械杂质污染和发酵、水藻等生物污染的发生。
2）预处理系统：
针对原水得水质指标和水源特点，设置合理的预处理系统，保证经过预处理的水质能够达到反渗透系统对于COD、SDI、余氯和LSI等的要求。
对于一定的原水，不同的预处理工艺和污染因子去除效果会影响到反渗透膜元件类型、数量和系统参数的选择。
在目前越来越多的反渗透系统被用于地表水和回用污水的情况下，为了保证系统性能和和效率，推荐优先选用膜法预处理（超滤/微滤）。
请参考本书卷首较为详细的“美国海德能公司反渗透纳滤设计导则”。
3）高压泵系统：
高压泵系统的压力（扬程）和流量的选择主要依据运行海德能设计软件IMSdesign的模拟计算结果。
为了保证系统的安全可靠，在实际选型时，可以在计算结果推荐选型的基础上提高10%扬程和流量规格。
反渗透高压泵要求使用性能高度稳定的耐腐蚀泵。
泵系统一般由给水泵和高压泵组成，给水泵加在保安过滤器之前，用于高压泵供水和低压冲洗。
在高压泵出口一般要安装手动调压阀和慢开电动阀。
手动调压阀用于调节泵的出力，电动阀可以防止高压泵启动时发生水锤现象。
4）RO膜单元：
RO膜单元由压力容器、膜元件、管道和浓水阀门等组成，是反渗透系统的核心。
本章内容主要针对RO膜单元的设计，包括参数选择、流程配置、膜元件选型、膜元件数量和排列的选择以及设计方案的评价和优化等。
5）仪表和控制系统：
为了装置能够安全可靠地运行、便于过程监控，一般要配备温度表、pH计、压力表、流量计、电导率表、氧化还原电位计等仪表。
反渗透系统的运行和监控由PLC、仪表、计算机系统和工艺模拟流程模拟屏执行，同时设有手动操作按钮和控制室操作按钮，系统具有联锁保护功能及报警指示功能。
请参考本书第七章及第十三章相关内容。
6）产水储存单元：
产水储槽（罐）主要考虑防止二次污染，容积和配置取决于后续工艺要求及用水量调节需要，在产水储存单元的设计中要考虑防止发生背压。
7）清洗单元：
用于膜的化学清洗和消毒灭菌处理，具体设计参考第八章“污染与清洗”。
反渗透系统设计一般步骤
1）落实设计依据：
原水水质和原水类型，产水的具体水质指标。
在拿到原水水质资料时一定要确认水源的类型，可能的水质波动范围，取水方式及受到二次污染的可能性。
在地表水处理和海水淡化工程中，取水方式也是设计整个系统设计中最为关键的。
在污水回用处理工程中，需要反复落实排放水的水质资料，在必要时要同时改造污水处理系统以保证反渗透工艺的可行性。
2）确定预处理工艺及其效果，主要是对于经过预处理之后水质指标的确认。
我们所讲的反渗透给水或系统进水就是指经过预处理之后的水质。
3）膜元件选型
根据原水的含盐量，进水水质的情况和产水水质的要求，选择适当的膜元件。
膜元件的选型请参考卷首的设计导则及膜元件选型指导地形图。
4）确定膜通量和系统回收率
根据进水水质和处理水指要求的等级不同，决定RO膜元件的种类和单位面积的产水通量（gfd或L/m2h）和回收率。
产水通量可以参照海德能设计导则。
回收率的设定要考虑原水中含有的难溶解性盐的析出极限值（饱和指数）、给水水质的种类和产水水质。
通常，单位面积产水量J和回收率R设计的过高，发生膜污染的可能性大大增加，造成产水量下降，清洗膜系统的频率会增多，维护系统正常运行的费用增加。
所以，在进行设计系统时，在条件可能的条件下，希望宽余的设计产水通量和回收率。
5）排列和级数
当确定了设计产水通量J（gfd）和产水量Qp（gpd）值，所需理论膜元件数量Ne安以下方程计算。
（7-1）
Qp产水量（gpd）
J单位面积产水通量（gfd）
S膜元件面积（ft2）
f污染指数
Ne理论膜元件数
通常RO系统排列方式以2:
1的近似比例排列的方式较多。
［例题］
产水水量60000gpd
设计Flux14gfd
膜元件面积400ft2
解答∶按公式（7－1）计算理论膜元件数量
理论膜元件数量
（四舍五入）
压力容器数量
（按标准6芯装膜壳计算）
（四舍五入）
各段压力容器的数的决定
●RO系统以2:
1方式排列时，
24/（2+1）=8，膜元件以（16×6∶8×6）的方式排列。
●RO系统以4:
2:
1方式排列时，
24/（4+2+1）=3.42，膜元件以（13.7×６∶6.85×６∶3.43×６）的方式排列。
实际系统的压力容器以整数出现，四舍五入后为系统为（14×6∶7×6∶3×6）方式排列。
以上的初步计算结果代入IMSdesign进行评估。
6）优化设计
根据设定的单位面积的产水通量J，回收率，水温变动范围，研究讨论膜组件的排列方式，设计计算压力，流量。
这时使用海德能公司提供的RO设计元件（IMSdesign）可以很方便的邦助客户完成这个关键任务。
根据根据要求的产水量Qp，考虑水源的种类和膜污染符合因素的基础上计算为了满足这个产水要求所需的膜元件数（Ne）。
根据回收率，估计压力容器数（Nv）和系统排列方式。
以上的条件输入到设计元件中，通过种种的排列计算，得到进水的操作压力，产水水质，同时可以得到各个段的膜元件的性能，选择最优组合。
6.3流程配置
膜单元（RO模块）由标准支架和膜壳压力容器、连接管道及进水、浓水和产水总管组成。
膜元件安装在压力容器中。
压力容器两端有产水出口，位于端板的中心，进水和浓水口分别位于容器相对两端。
每只膜壳压力容器可串连1－7只膜元件。
图－1膜组件结构示意图
如图-1所示，第一只膜元件的产水管和最后一支元件的产水管与膜壳端板相连接。
膜壳的产水管互相连接。
每个膜元件的一端有一个浓水密封圈，将膜元件内部流道与元件外层和膜壳之间的间隙隔开，防止进水的短路现象，迫使进水全部通过膜元件的流道。
在进水流经每只元件时，部分进水体积转化为产水。
剩余进水的盐浓度增加。
产水经由产水管导出。
收集起来的产水的盐度延浓水走向增加，在进水处最低，在浓水口最高。
系统的压力容器背分为几组，叫做浓水分段，在每一段中的压力容器平行并联。
每段所含的压力容器数目延进水走向减少，一般为2:
1，如图-2所示。
可以看出进水通过压力容器的流量分布呈金字塔形：
在塔底的进水流量高，在塔顶的浓水流量相对低。
随着进水流量的减小，平行压力容器数目逐段递减。
所有组件的产水最后汇集到一个共同总管中。
这种锥形排列使整个系统的每个容器保持相近的进水/浓水比例，这个比例要符合膜元件的技术规格要求。
流量过高会引起压力损失过大或可能的膜元件损害。
流量过低则不能形成紊流，膜表面盐的浓度会过高。
对于一个给定的RO系统，浓缩段数取决于产水回收率和每只膜壳中的膜元件数。
为了避免在膜表面形成过渡的浓差极化，每只膜元件的回收率不能超过18％。
在苦咸水淡化RO系统设计中，通常在工程设计中采用9％左右的单个元件回收率。
这样由6芯组件构成的RO单元，有2根组件时并联回收率为60％，有3根组件时（2:
1排列）回收率为75％。
如果采用7芯组件，2段的配制可使回收率达到85％。
图－2两段2：
1RO系统示意图
浓水循环
最简单的膜单元是只装一只膜元件的一根膜壳压力容器。
最小的系统采用这种配制，产水回收率通常限制在15％。
为了增加系统的回收率，将部分浓水返回到进水泵吸入口。
浓水循环配制如图-3所示，主要用在非常小的反渗透系统中。
这种设计的优点在于RO单元非常紧凑。
浓水循环的缺点在于，为了保持高进水流速，需要用较大的泵。
这样能耗就比多段设计要高。
由于在进水中掺合了浓水，平均进水盐度会增加，进水压力和产水盐度都会增加。
图－3最简单RO系统
图－4两段式RO单元
浓水分段（多段系统）
商业化RO单元通常由一台泵和一个多段组件排列组成，图-4中是一个简化的两段式RO单元。
第一段的浓水作为第二段的进水，这就是所谓“浓水分段”。
多段单元中的流量和压力用进水及浓水阀门控制。
高压泵出口的调节阀门控制进入系统的流量。
浓水阀位于RO模块的浓水排放口，用于控制进水压力和回收率。
产水流量分配
在一些情况下，需要平衡段间产水流量，比如增加后段的产水流量，减少前段的产水流量。
为了达到这样的目的，可参照下面介绍的两种设计配置方案来实现。
产水背压
一种方案是在首段的产水管上安装一个阀门，如图-5所示：
图－5在首段产水管上安装阀门
图－6设置段间增压泵
通过这个阀门的限制，增加了产水背压，降低了净驱动压力，降低了首段产水通量。
差出的通量由二段在系统压力升高之后产生。
段间增压
第二种方案是在浓水管线上安装一个段间增压泵，如图-6所示。
增压泵将增加二段的进水压力，从而增加产水流量。
采用产水限制阀门的设计简化了RO系统，投资成本低，但这种方案由于产水限制阀门增加了额外的动力损失，系统的能耗增加了。
段间泵设计需要对段间总管进行改造，并增加一个泵单元。
投资成本高于第一种方案，但能耗较低。
二级反渗透
在一些应用中，单级反渗透系统的产水无法能够满足对盐度的要求。
比如：
海水淡化RO系统，进水盐度太高或产水回收率或水温太高。
苦咸水RO系统，但产水需要供给高压锅炉或电子工业。
为了进一步降低产水盐度，一级RO产水要进行二级RO脱盐。
这种配置叫做二级设计，或产水分段。
取决于是否将全部一级产水进行二级RO处理，叫做完全或部分二级系统。
一级产水是非常洁净的水，悬浮物和溶解性物质含量很低，不需要任何预处理。
二级系统的平均通量可以相对较高。
二级RO单元的平均通量一般设置为20GFD，回收率为85％－90％。
在二级系统中，一级产水进入一个储槽，或供给二级RO单元的高压泵。
二级RO系统有许多配置形式。
图-7是一种部分二级系统。
图－7部分二级RO系统
部分二级
部分一级产水经过二级处理后与未经处理的部分进行混合。
如果部分二级处理就能达到产水要求，结合二级系统的高通量设计，这种部分二级配置会比完全二级配制的投资和运行成本要低的多。
在二级系统中，二级浓水返回到一级进水口是非常普遍的。
二级浓水中的含盐量通常比一级进水的含盐量要低。
所以将二级浓水返回到一级进水中会有助于降低进水盐度，增加整体的水利用率。
RO系统估算
可按以下步骤确定生产一定量的产水的系统的近似大小（膜元件数的膜壳数）：
a．选择膜元件类型和组件
b．根据进水水质选择通量范围
c．将期望的装置生产能力除以设计通量和单个膜元件膜面积数（在元件说明上有膜面积数）。
d．将总膜元件数除以单根膜壳装填膜元件数。
取计算结果的整数。
e．选择适当的排列以获得期望的回收率。
必要时增加组件数。
海德能设计程序IMSdesign计算结果显示推荐高压泵压力以及计算进水压力，推荐的泵压力高于进水压力10％总驱动压力再加3psi（0.2bar），因为还要考虑进口压力损失。
这个安全富余量一般就足够了。
或者这样计算，无论系统的污染率如何，考虑10％的安全富余量。
设计元件数应该包括高于程序计算数的10％。
或者将进水压力设定为程序计算元件数所需产水流量的90％。
６.4系统参数的设置
反渗透系统中膜元件的性能的主要影响因素有：
进水成分、进水温度、进水压力和产水回收率。
膜的压实和污染也影响膜的性能。
从已知参考测试条件下的正常膜性能可计算出配套的系统操作参数。
进水盐度
一些RO系统遇到了进水成分波动的情况，季节性水质变化和不同水源的切换都会造成系统进水的成分变化。
进水成分出现变化并不需要对回收率进行调整，进水成分只是影响进水压力和产水含盐量。
下图显示了一个以15gfd的平均通量和85％的回收率操作的RO系统，进水压力和计划产水盐度受进水盐度影响的情况。
计算中采用了两种膜：
ESPA和CPA2。
ESPA膜的特性通量为0.24gfd/psi，是CPA2膜的两倍。
可以看到，这两种膜的进水压力和产水盐度随进水盐度增加的模式是一样的。
产水盐度的增加率高于进水压力的增加率。
如果其他进水的难溶盐浓度高于设计中的水样，必须降低回收率以免浓水发生结垢。
进水压力
卷式膜元件装备的RO系统按恒定设计通量运行（即恒定产水流量）。
在整个运行期间，要通过调整进水压力来补偿进水温度及盐度的波动和由于污染和膜压实所造成的产水通量衰减。
为了设定高压泵的选型，通常假设膜的特性通量每3年衰减20％。
这样高压泵的选型必须能够满足从膜的初始性能到补偿预期的通量衰减期间大进水压力要求。
如果该RO系统选择了离心泵，传统的做法是选择一个较大的泵，再配以流量调节阀门（部分关闭进水阀门）。
现在有越来越多的系统采用变频电机，可大范围调整进水压力和流量，同时泵的效率不发生大的变化。
变频技术减少了过去常见的非生产压力损失。
一些RO系统采用注塞泵，这种泵采用变频电机后，泵的效率没有任何损失，进水压力和输出量完全可以确定。
但在RO系统中采用注塞泵较少，原因是流量有限、需要经常维修，而且噪音大、振动强烈。
进水盐度，ppmTDS
图－8进水盐度对系统性能的作用
进水温度
进水温度的变化会造成膜的扩散速率的变化，下列方程是产水通量随温度变化的关系。
TCF=exp［K×1/（273+t）-1/298］
（1）
其中TCF是温度校正因子，K是膜材料常数，t是进水摄氏温度。
该方程将25℃作为基准，TCF＝1。
下图是聚酰胺膜的通量随温度变化的情况。
变化率为每度3％。
由于RO系统被设计成恒定产水流量模式，要调节进水压力以补偿在温度变化时的通量变化。
盐透过的增加与水通量类似。
产水的通量要保持恒定，但产水的盐度会随温度而变化。
图－9通量与温度的关系
图－10温度对膜性能的作用
进水压力（psi）和产水盐度（ppmTDS）
进水温度对RO系统进水压力和产水盐度的影响在上面已经交代了。
计算运行参数时RO系统的回收率按85％，采用了两种膜：
高脱盐率的CPA2和高通量的ESPA。
这两种膜的性能变化基本趋势基本一样。
但两种膜的进水压力差随进水温度的增加而减少，产水盐度的变化趋势相反。
两种膜的产水盐度及其差值随温度增加而增加。
产水回收率
回收率影响系统性能，如产水盐度和进水压力，需要确定进水平均盐度。
采用平均浓度因子来计算平均进水浓度。
计算平均浓度因子（ACF），设定了一个与回收率的对数关系：
ACF=ln1/（1-R）/R
（2）
其中ln代表自然对数。
由于回收率对工艺的经济指标影响很大，在RO系统设计中倾向于能大就大。
膜压实和污染
在RO系统的运行中，膜材料受到了进水的高压。
膜经受高压会造成膜材料密度的增加（即压实），将会降低水和溶解性物质透过膜的扩散速率。
压实的结果是要用更高的压力来满足产水量的要求。
同时盐扩散速率的下降也会降低产水的盐度。
非对称纤维素膜的压实效应比聚酰胺复合膜更加明显。
在海水淡化中，进水压力比苦咸水应用要高得多，压实也更加明显。
较高的进水温度和加速压实。
通常膜的压实会造成几个百分点的通量衰减，在起初的运行阶段非常明显。
膜污染对膜性能有负作用，在比较极端的情况下，会造成膜的不可逆损坏。
膜污染过程通常是指无机物或有机物在膜表面和进水流道的沉积。
在膜污染过程的初级阶段，对膜性能的影响类似于膜压实过程。
污染过程通常伴随着压力损失的增加。
不可控制的污染过程会导致非常严重的性能退化，甚至于完全破坏膜元件。
控制污染最有效的方法是，找到污染的起因，通过预处理和运行参数调整来消除污染因素。
可通过化学清洗去除膜表面上的污染物沉积。
然而清洗过程是否成功，要看污染物沉积的时间以及清洗液的选择。
6.5海德能反渗透设计软件IMSdesign的使用
IMSdesign是基于Windows操作系统的一个详尽的反渗透设计程序，用来预测一个设定系统的性能和质量，用户可以得出该系统的动力消耗和运行成本。
程序还能给出在一定温度和回收率范围的性能变化图表。
IMSdesign给用户算出的动力消耗数据不仅用于系统的优化，而且还用来计算系统的经济性，随条件的变化给出性能曲线。
用户可以从海德能公司网页下载IMSdesign。
进入下载页面时需要用户提供一些必要信息，填写之后便可直接下载。
海德能设计软件IMSdesign目前的最新版本为8.8版，用户可以根据需求在软件启动时选择英语、简体汉字、西班牙语、葡萄牙语或日语版本。
以下是简体汉字版本的界面。
主菜单简介
File/Setup（文件/设置）：
1．Save/Open（保存/打开）一个完整的设计配制。
2．允许使用美制和公制单位。
，
Analysis（分析）：
1．新建分析文件或从分析记录中重新找回一个分析文件。
2．保存产水或浓水离子成分数据。
ROdesign（反渗透设计）：
1．设计参数、膜元件等的说明。
2．反复反洗优化设计参数。
Treatment（处理）：
后处理药剂的浓度说明，产水离子浓度和pH值的计算。
Caculation（计算）：
1．基于计算出的压力及设定的流量、回收率和泵及马达的效率所需要的动力消耗。
2．成本细目：
投资、动力、药剂、换膜、维修等基于设计、后处理和估计换膜时间所得出费用数据。
Graphs（图表）：
软件可自动生成下列图表来显示系统的在一定运行条件下的性能。
1．压力－温度
2．盐度－温度
3．压力－回收率
4．盐度－回收率
File文件菜单
Saving/Restoring（保存/恢复）：
选择保存和恢复整个设计。
PrinterSetup（打印机设置）：
设置打印机，
Setup：
输入用户身份和使用说明。
新建一个设计之后，该用户可使用Saveas（保存为）以扩展名.DES来保存整个配制。
该设计可使用Open（打开）命令重新打开该文件。
设置命令可允许用户设置身份验证。
系统默认的单位是美制和公制。
单位选项有如下选择：
表-4设计参数单位
参数
美制U.S
公制Metric
压力
psi
bar
流量
GPM,GPD
m3/hr,m3/天
泵流量
GPM
m3/hr,l/min
通量
GFD
l/m2-hr
Analysis分析菜单
设计一个RO系统，用户需要了解的最基本的信息是进水的特性和所需产水的量和水质。
因此要在分析窗口新建一个进水水质记录，录入离子浓度、pH、温度及水源类型（井水、地表水等）等资料。
系统设计中使用的进水分子记录可从分析文件中找到。
默认的文件路径为ROdesign目录下的Analysis。
如果分析文件不存在，程序将在新纪录保存后新建一个文件。
ROdesign允许用户新建一个New（新）记录，从现存文件中找回（打开）一个记录，Delete（删除）一个问题记录，还可以将一个进水成分与另外一个进水进行Blend（混合）。
一旦进水分析文件得到保存，用户根据自己的需求在系统设计中进行在利用或编辑。
图-12水质分析界面
NEW新建
新建一个记录需要用户输入方案的名称和编号，进水类型、pH、温度、SDI、浊度、电导率、H2S和铁的浓度。
用户然后输入每一种离子的浓度，在浓度值旁边的下拉菜单中选择正确的单位。
方案名称、SDI、浊度、电导率、H2S和Fe浓度会被记录省略，这些数据是设定方案编号、从下拉菜单中选择水质类型以及pH和温度的基础。
还有，在离子浓度被加到记录中后，系统会自动将其转换为毫克当量，并计算出阴离子和阳离子的总当量数。
在设计程序采用进水水质分析之前，阴离子和阳离子的总毫克当量数必须平衡，相差小于10％。
在进行设计之前，推荐将分析记录进行保存，如果用户要从设计窗口回到分析窗口，点击窗体右下方的ANALYSIS按钮即可。
Open打开
Open,Save,和Delete指令与Windows的标准菜单文件选项相关。
您可以可以选择将进水分析保存为一个分析文件。
如果分析文件不存在，程序将新建一个分析文件。
在运行一次方案分析之后，用Save保存，您可以保存Permeate（产水）或Concentrate（浓水）的水质分析（计算值）。
程序将新建一个在方案编号之下的“ROPERM”或“ROCONC”文件，分别对应于产水和浓水。
按这些文件的方案名，用Retrive打开，再给文件起名保存。
BLEND（混合）
Blend（混合）命令用于将两种以上的原水进行混合成为一种进水。
例如，在一个地方有两口井，一口井咸一些，流量为65GP
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