反滲透和納濾的的工藝過程設(shè)計

1、天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 環(huán)境工程系,膜法水處理技術(shù),反滲透和納濾工藝過程設(shè)計,吳 云,,,,1 系統(tǒng)設(shè)計要求1.1 進(jìn)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(jìn)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)牟僮鳎\斷系統(tǒng)存在的問題和準(zhǔn)確評價系統(tǒng)性能等方面至關(guān)重要

2、。,工藝過程設(shè)計－系統(tǒng)設(shè)計要求,,,,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(yán)格按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》中的要求進(jìn)行詳細(xì)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(xì)，包括CO2、pH、O2、Cl、SO2-3、離子濃度、硬度、堿度、溶解性固體、細(xì)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,,,,工藝過程設(shè)計－系統(tǒng)設(shè)計要求,,,,常

3、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(xì)菌及有機(jī)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(xì)菌，進(jìn)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,,,,1.2 產(chǎn)水水質(zhì)和水量

4、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(zhǔn)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,,,,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。

5、 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(jī)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,,,,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(jìn)水和出水水質(zhì)，可

6、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,,,,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(jìn)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,,,,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

7、膜長時間在高溫高壓下運(yùn)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,,,,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(yùn)行時間，h；Q0和Qt分別為運(yùn)行初期和運(yùn)行t小時后的產(chǎn)水量。 通常CA

8、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(jìn)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,,,,,1.6 截留率的衰減 隨于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

9、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,,,,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(jìn)行計算：T為溫度，℃，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,,,,,,溫度對膜的通量影響較大，在進(jìn)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(jìn)出水換熱等

10、）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,,,,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(kuò)散，當(dāng)這兩種傳質(zhì)過程達(dá)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

11、過程設(shè)計－濃差極化,,,,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,,,,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(dá)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,,,,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

12、才幾乎是均一的，即c’=c2=c1或相應(yīng)的滲透壓π’=π2=π1，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π’=π2>π1。,工藝過程設(shè)計－濃差極化,,,,,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,,,,,,,（3）真實脫鹽率r與表觀脫鹽率robs的關(guān)系

13、 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,,,,,將直線外推之，其與縱坐標(biāo)的截距 為 ，從而可得真實的

14、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,,,,,,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,,,,,

15、,,,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 ①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）。,

16、工藝過程設(shè)計－濃差極化,,,,,,,,②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。 ③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(jìn)一步降低。極化嚴(yán)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,,

17、,,,,（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。 ①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(jìn)湍流等。 ②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。 ③適當(dāng)提高溫度，以降低流體粘度和提高溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)。,工藝過程設(shè)計－濃差極化,,,,3 溶度積和

18、飽和度 在后面的預(yù)處理章節(jié)中詳細(xì)講述。4 反滲透和納濾過程的基本方程4.1 滲透壓 滲透壓π隨溶質(zhì)種類、溶液濃度和溫度而變，表示方法和表達(dá)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?jǐn)?shù)；Φ為滲透壓系數(shù)；Mi為溶質(zhì)的摩爾濃度；對于稀溶液Φ可取0.93。,工藝過程設(shè)計－過程基本方程,,,,,(2)此式可以估算π的近似值。(3) 查表得到溶液的滲透壓(4) 式中K0為

19、系數(shù)2～4×10-5，T為溫度℃，cf為進(jìn)料濃度mg/L。,工藝過程設(shè)計－過程基本方程,,,,,,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/L 4.2 水通量Jw A為水的滲透性常數(shù)，NDP為凈驅(qū)動壓力。 pf和pp分別為進(jìn)料和產(chǎn)水壓力，Δp為進(jìn)出口降，πavg為平均滲透壓。 Qp為產(chǎn)水量,,,,,

20、,,工藝過程設(shè)計－過程基本方程,4.3 鹽通量Js B為鹽的透過性常數(shù)，Δcs為膜兩側(cè)鹽濃度差。鹽透量Qs S為膜面積。4.4 產(chǎn)水鹽濃度cp 4.5 鹽透過率SP cfm為平均進(jìn)料濃度。,,,,,,,,工藝過程設(shè)計－過程基本方程,4.6 脫鹽率SR或r 4.7 回收率R和流量平衡 Qp為產(chǎn)水流速，Qf為進(jìn)料流速，Qr為

21、濃縮液流速 4.8 濃縮因子CF,,,,,,,,,,,工藝過程設(shè)計－過程基本方程,4.9 濃差極化因子CPF ca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Qp Qps為標(biāo)準(zhǔn)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。,,,,,,,

22、,,工藝過程設(shè)計－過程基本方程,4.11 產(chǎn)水鹽度cp SPs為標(biāo)準(zhǔn)條件下的SPc 4.12 系統(tǒng)平均滲透壓,,,,,,,,,,,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(jìn)水濃度的關(guān)系式，可導(dǎo)出各種流程

23、的特征方程。,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,,,,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(jìn)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(jìn)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,

24、,,,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,,,,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(jìn)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,,,,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

25、分別指進(jìn)水、產(chǎn)水和濃水；下標(biāo)1，2，…，n為段號。,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,(2) 特征方程①裝置及其各段的進(jìn)水流量Qf、Qfi通式：,,,,,,,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。,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,②裝置及其各段的濃水流量Qr，Qri 通式：二

26、段式：,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,③裝置的回收率R與各段回收率Ri、Rj的關(guān)系 通式：二段式：,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,④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(jìn)、出口積分平均進(jìn)水濃度計的脫鹽率。二段式：,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,通式：二段式：,,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特

27、征方程,⑤裝置及其各段的濃水濃度cri、crj通式：二段式：,,,,,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(jìn)水的第二級濃水返回到第一級進(jìn)口處，第一級產(chǎn)水作為第二級進(jìn)水；第二級產(chǎn)水就是裝置的產(chǎn)水；第一級濃水排放。,,,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)

28、f、p和r分別指進(jìn)水、產(chǎn)水和濃水；下標(biāo)1，2分別指第一段和第二段。,,,,,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：①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；②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。,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,③當(dāng)一

29、級反滲透達(dá)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(dá)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）。,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,（2） 特征方程 ①裝置的進(jìn)水流量Qf ②裝置（第一級）的濃水流量Qr（Qr1）,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,③第二級濃（循環(huán)）水的流量Qr2 ④裝置的回收率R與第一、二級的回收率

30、R1、R2的關(guān)系,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,⑤裝置的進(jìn)水濃度cf 式中，r1和r2分別為以第一、二級組件的進(jìn)、出口平均濃度計的第一級和第二級組件的脫鹽率。 ⑥第一級進(jìn)水濃度cf1,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,,,⑦第一級產(chǎn)水濃度cp1（第二級進(jìn)水濃度cr2） ⑧裝置（第一級）的濃水濃度cr（cr1） ⑨第二級（循環(huán)）水的濃度c

31、r2,,,,,,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(jìn)口處與其原始的進(jìn)水相混合作為裝置的進(jìn)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

32、況。,,,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(jìn)水、產(chǎn)水和濃水；下標(biāo)fm、pc和pp分別指混合進(jìn)水、循環(huán)透過水和產(chǎn)水。,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,（2） 特征方程 ①裝置的原（進(jìn)）水流量Qf R為以混合進(jìn)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 ②裝置的進(jìn)（混合）水流量Qfm,,,,,,,,工藝

33、過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,③裝置的透過水循環(huán)量Qpc ④裝置的透過水流量Qp ⑤裝置的濃水流量Qr,,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,⑥裝置的回收率Rf 式中，Rf為以原（進(jìn)）水流量計算的回收率，其值為 。 ⑦裝置的進(jìn)（混合）水濃度cfm 式中，r為以組件進(jìn)水的平均濃度計的脫鹽率。,,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,⑧裝置的透過（產(chǎn)）

34、水濃度cp ⑨裝置的濃水濃度cr,,,,,,,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(jìn)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。,,,工藝過程設(shè)計－工藝

35、流程及特征方程,,,,Qr＝Qpr＋Qrp,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,（2） 特征方程 ①裝置的原料液流量Qf 式中，Kr為濃縮液的循環(huán)率，其值為 。 ②裝置的進(jìn)料液流量Qfm,,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,③裝置的透過液流量Qp ④裝置的濃縮循環(huán)液流量Qrp ⑤裝置的濃縮液流量Qr,,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,⑥裝置的混合進(jìn)料液濃度cf

36、m ⑦裝置的濃縮液濃度cr ⑧裝置的透過液濃度cp,,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,,,5.5 循環(huán)式－補(bǔ)加稀釋劑的濃縮液循環(huán)(1) 流程說明 在運(yùn)行過程中，連續(xù)向原料液中補(bǔ)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(dá)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

37、和純度。,,,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(jìn)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。,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,（2） 特征方程 ①進(jìn)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

38、＝ ，t為運(yùn)行時間。,,,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,②濃縮液的濃度cr ③透過液的濃度cp,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,④進(jìn)料液流量Qfm ⑤濃縮（循環(huán)）液流量Qr ⑥稀釋液、透過液的流量Qw、Qp,,,,,,,,,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

39、 該流程與“補(bǔ)加稀釋劑的濃縮液循環(huán)”流程相同，所不同的時補(bǔ)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 ①進(jìn)料（成品）液與原料液的濃度比率,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,根據(jù)不同的運(yùn)行時間反滲透的質(zhì)量平衡可得下列微分式：

40、 （1） 反滲透的透過液、濃縮液的濃度與進(jìn)料濃度的關(guān)系： （2）

41、 （3）將式（2）代入式（1）經(jīng)變換整理得： （4）,,,,,,,,,,,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=cf0 t=t時，cfm=cfm整

42、理后得：②濃縮液的濃度cr 由式（3）和式（5）得,,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,③透過液得濃度cp 由式（2）和（5）得： ④原料液（透過液）得流量Qr（Qp）由式（5）得：,,,,,,,,工藝過程設(shè)計－工藝流程及特征方程,⑤進(jìn)料液流量Qfm ⑥濃縮液流量Qr,,,,,,,,,,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）

43、膜元（組）件的脫鹽率 元（組）件在使用過程中膜的進(jìn)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,,,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：,,,,,欲得到元（組）件真實得脫鹽率r，必須知道整個流道得積分平均濃度 。,工藝過程設(shè)計－裝置的組件配置和性能,,,另外，組件得脫鹽率與膜常

44、數(shù)和平均有效壓力的關(guān)系：,,,,,（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)。,,,,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(zhǔn)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

45、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,,,,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,,,,,,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

46、－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；,

47、,,,,,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)。,,

48、,,,,,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(jìn)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(jìn)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(jì)操作。 主要系統(tǒng)參數(shù)：操作壓力、

49、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。,,,,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(jìn)水記錄（工程名稱、代號等） 輸入設(shè)計參數(shù)：進(jìn)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)

50、據(jù)計算和轉(zhuǎn)換 計算滲透壓、離子強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)鹽的飽和值，比較進(jìn)水陰、陽離子當(dāng)量平衡，誤差在10％以內(nèi)。（4）根據(jù)進(jìn)水設(shè)置預(yù)處理，達(dá)到所要求的SDI。,,,,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(qiáng)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(jìn)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

51、）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),,,,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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。,,,,工藝過程設(shè)計－裝

52、置的組件配置和性能,（9）計算結(jié)果 ①顯示流量、壓力、水通量、β系數(shù)、產(chǎn)水水質(zhì)、濃水飽和度； ②超出設(shè)計限制時報警顯示； ③結(jié)果輸出成計算書； ④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； ⑤給出能耗和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本，據(jù)泵的壓力、流量、回收率、效率和電機(jī)效率，得出電機(jī)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、

53、膜元件、試劑用量等），可計算產(chǎn)水的成本。,,,,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 ①基本設(shè)計； ②滲透水與部分進(jìn)水混合； ③滲透水節(jié)流； ④設(shè)置級間泵； ⑤部分濃水循環(huán)； ⑥二級（或二段）RO系統(tǒng)； ⑦后處理：pH調(diào)節(jié)和脫氣等。,,,,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

54、的把握，可根據(jù)上一小節(jié)的過程簡要進(jìn)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(jìn)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)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。,,,,,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：

55、2：1。,,工藝過程設(shè)計－基本設(shè)計過程,,,,檢驗進(jìn)水和最后濃水是否復(fù)合最高進(jìn)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(jìn)水500mg/L，25℃，選用Filmtec BW30－8040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

56、÷6=15 按二段回收率達(dá)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(jìn)、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(jìn)一步看設(shè)計是否達(dá)到目的。,工藝過程設(shè)計－基本設(shè)計過程,,,,例2：設(shè)計產(chǎn)水量240m3/d，水回收率75％，進(jìn)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

57、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≈6.0m3/d所需元件數(shù)＝240÷6.0＝40壓力容器數(shù)＝40÷4＝10最低元件濃水流速＝6.0×6＝36m3/d單個壓力容器產(chǎn)水率＝6.0×4＝24m3/d系統(tǒng)濃水流速＝總產(chǎn)水率

58、47;回收率－總產(chǎn)水率＝240÷75％－240＝80 m3/d,工藝過程設(shè)計－基本設(shè)計過程,,,,最后一段進(jìn)水流速＝單個壓力容器產(chǎn)水率×壓力容器數(shù)＋濃水流速＝24×2＋80＝128 m3/d倒數(shù)第二段壓力容器數(shù)＝128 m3/d÷36 m3/d＝3.6≈3或4，這里取3倒數(shù)第二段的進(jìn)水流速＝24×3＋128＝200 m3/d倒數(shù)第三段壓力容器數(shù)＝200 m3/d÷36 m

59、3/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(jìn)、最低進(jìn)口水量驗證排列是否合理，以產(chǎn)水水質(zhì)和水量進(jìn)一步看設(shè)計是否達(dá)到目的。,工藝過程設(shè)計－基本設(shè)計過程,,,,工藝過程設(shè)計－反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)行,8 反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)行8.1 預(yù)處理系統(tǒng) 反滲透和納濾進(jìn)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(jìn)行，必須對進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的目的通常為： 除去

60、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(jìn)水的溫度和pH； 殺死和抑制微生物的生長； 去除各種有機(jī)物； 防止鐵、錳等金屬氧化物和二氧化硅的沉淀等。,,,,工藝過程設(shè)計－反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)行,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(xì)沙石、硅藻、細(xì)菌、有機(jī)

61、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)及運(yùn)行,反滲透處理中采用污染密度指數(shù)SDI (Silt Density Index)來判斷進(jìn)水的好壞，是膠體荷微粒濃

62、度的一種量度。SDI值是進(jìn)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(jìn)水質(zhì)量和系統(tǒng)預(yù)處理工序的效果進(jìn)行檢測的一個標(biāo)準(zhǔn)。它是進(jìn)水在207Kpa的壓力下，通過0.45μm Millipore濾膜的污染速率推算出來的。通常反滲透要求進(jìn)水的SDI＜3。井水的SDI＜1，顧不必對其進(jìn)行膠體的預(yù)處理，地表水的SDI在10～175，需要認(rèn)真進(jìn)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)及

63、運(yùn)行,（1）SDI的測定,,,,,工藝過程設(shè)計－反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)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。,,,,工藝過程設(shè)計－反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)行,5．五分鐘后，再次測量收集100ml和500ml水樣的所

64、需時間，十分鐘及十五分鐘后再分別進(jìn)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(jìn)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。,,,,工藝過程設(shè)計－反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)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

65、 Tf——15分鐘（或更短時間）以后取樣所需時間,,,,,工藝過程設(shè)計－反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)行,（2）除去懸浮物膠體的方法 ① 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。,,,,工藝過程設(shè)計－反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)行,壓力式在線凝結(jié)－絮凝－過濾體

66、統(tǒng),,,,,工藝過程設(shè)計－反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)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(yán)格等，但應(yīng)該嚴(yán)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(dá)5種）等是效果良好的過濾

67、介質(zhì)。,,,,工藝過程設(shè)計－反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)行,② 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(hù)性好； 少用或不用藥劑，物理消毒安全； 投資、占地少、人工省等。,,,,工藝過程設(shè)計－反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)行,8.1.2 微生物污染及防治 微生物污染的來源：在物

68、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(jìn)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(yán)重，降低流動混合效果，同時由于酶的作用也會促進(jìn)膜的降解和水解。,,,,工藝過程設(shè)計－反滲透和納濾系統(tǒng)及運(yùn)行,微生物污染的特征及監(jiān)測：濃水中總細(xì)菌數(shù)的迅速增加是微生物污染