反渗透系统设计问题的探讨
分割线[摘要] 针对地表水和地下水所采用的卷式反渗透复合膜的应用，探讨了有关该反渗透系统的匹配、过滤器流量平衡、预加热、过滤器反冲洗、加药、微孔过滤器、工艺水泵以及RO装置的一些设计问题。
[关键词] 反渗透，膜元件，预处理，系统匹配，流量平衡
反渗透（RO）已逐渐成为对水质进行除盐或预除盐的主要技术，应用范围也非常广泛。目前，工程师们是遵循各家膜制造商提供的简要RO设计导则，同时凭着各自对水净化知识的理解和工程经验，来完成RO设计任务的，其应用结果难免不尽人意，那些性能优良的RO膜时常承受着突变的水质和不完善系统的冲击，致使膜使用寿命缩短。为了解决该问题，除了严格遵循膜的设计导则以外，还应正确地对RO系统和装置进行设计。
1、 系统匹配
RO系统主要由预处理和RO装置这两部分组成。为了满足用水量需求，同时考虑RO的产水特性，通常将RO装置设计成2套或2套以上。但是，这些装置系统匹配的合理性，将是在方案设计阶段时就需要确立的。有关确立的原则应遵照以下内容：
- 2套RO装置，单套产水能力小于50m3/h，其预处理装置中各级设备应采用母管制，而微孔过滤器、RO高压泵和RO装置无论何时均应采用单元制，其中应特别注意RO装置产水必须分别接入调节水箱等。在预处理装置中，母管制的过滤器工作流速应按有关规定确定，单台过滤器面积不宜过大;若过大，过滤器数量较少，当其中一台反冲洗时，其余过滤器的滤速将会变化较大，会直接影响出水水质，从而影响后续设备的运行性能;但同时也应注意过多地设置过滤器，会增加系统造价，因此就此情况，过滤器台数应控制在3~4台为宜。
- 2套RO装置，单套产水能力在50~100m3/h或以上，其预处理装置中的各级设备可采用母管制或单元制，其单套产水能力接近50~60m3/h宜采用母管制，而产水能力接近90~100m3/h，应采用单元制，即每套RO装置均应有独立的预处理装置，但其独立的预处理装置中各级设备又应是母管制。
- 3套RO装置或以上，其预处理装置中的各级设备，应根据RO装置实际产水量灵活地采用母管制或单元制进行系统匹配设计。譬如原水为二级净化地表水，要求RO装置总产水量为4×75m3/h，回收率75%，除盐率大于97%，系统主要组成10台Φ3000细砂过滤器，10台Φ3000活性炭过滤器，4台Φ1200微过滤器，4台高压泵，4台RO装置，其系统匹配设计为2个单元制预处理，4个单元制RO装置，每个单元制预处理装置负担二个单元制RO装置，其中每个单元制预处理装置包括5台细砂过滤器，5台活性炭过滤器和2台微孔过滤器，这种单元制与母管制相结合的系统匹配，使系统具有运行稳定、出水水质好、管理维护方便和投资低等优点。
2、 过滤流量平衡
经过常规净化的地表水或地下水，通常仍不能满足RO装置的进水水质指标，因此系统还需要设置预处理装置，它一般包括细砂过滤器或活性炭过滤器等。由于非间歇运行的RO系统的过滤器数量均在2台以上，系统匹配为母管制，致使同级的过滤器的滤层压差（ΔP）始终相同，但是由于各过滤器的反冲洗是逐个间断进行的，使各滤层的清洁程度不同，从而也使过滤器产水流量不同，尤其是在其中一台反冲洗结束后，投入运行的初期阶段，这种流量差别将非常明显。在实际工程应用中，母管系统的压差（ΔP）在20~60KPa范围，新投入运行的过滤器的产水量是其它过滤器的2~4倍，这使得出水水质变化极大。另外，从某些制定的RO系统运行操作规则中，常可以看到这一规定，过滤器需要反冲洗的条件为滤层压差增加或根据运行时间或产水水质降低，但在实际运行中，多数是依靠运行时间或（和）压差，来确定过滤器的反冲洗。
那么，如何准确地确认需要反冲洗的过滤器，并且解决好流量过大问题?其有效措施应在每台同级过滤器的进水管上设置流量监视器或流量计，来确认需要反冲洗的过滤器，同时，借助阀门来调节新投入的过滤器的产水流量，使其平衡。
3、 预加热
RO装置产水量与进水温度有很大关系。温度增高，RO装置产水量增大，根据膜制造商所提供的复合膜的产水量与水温的关系，水温每改变1℃，产水量约改变3%。就国内北方地区，冬季地表水温度常低于10℃，若RO装置运行设计温度为25℃，那么如此低的水温度将使RO装置的产水量锐减。解决这一问题，特别是大中型装置，常常采用对原水进行加热，其方式为管道式蒸汽直接加热法或快速间接加热法。第一种方法，其噪声和振动特别大，且加热的稳定性极易受进水量和蒸汽量大小的影响。从实际的情况来看，原设计的此设施已基本上被废弃。第二种方法，其占地面积相对较大，设备投资也较高。
就大中型装置系统而言，此系统常设有原水箱或清水箱，其材质多为钢筋混凝土或外设保温层碳钢结构，绝热性能良好，因此对原水进行加热，可采用在原水箱或清水箱内设置穿孔管，利用蒸气直接对原水进行加热，管上开孔按热水箱蒸气加热方式设计，蒸气进量可通过机械自动调节阀进行调节。
4、过滤器反冲洗
过滤器工作一个周期后，需要进行反冲洗，其方式可采用水冲洗或气水冲洗，气水冲洗较适用于接触过滤工艺。无论何种冲洗，均应设有反冲洗水源和气源以及相应设施。冲洗管道系统应按相关规定设计，值得注意的是，过滤器内的冲洗排水管，应设计为倒喇叭口，它不仅在制水过程中，起均匀布水作用，同时在反冲洗起始或终结时，很容易将过滤器内的水面漂洗物顺利排掉;而在反冲过程中，随时减少反冲洗流量来加强冲洗效果，同样也能达到上述目的。在采用气水冲洗方式时，更应采用这种设计方法，以突出气水冲洗的效果。从应用的工程实例来看，往往忽视了这一点。
单用水冲洗简单易行，是现在常用方式。但是，随着水资源日益紧张，节约用水已成为迫切需要。RO装置排放的浓水除含盐量较高外，其浊度和色度均较低，该浓水可用作反冲洗过滤器和冲洗车间等用水。可以计算出这一措施有良好的经济效益。这里应注意，在反冲洗过程结束时，为了保证不将浓水带入到后续设备，应将过滤器内的反冲洗水放空后，再进原水，进行正冲洗，此正冲洗方式应与非浓水反冲洗的正洗相同。
5、加药
为净化原水水质，使其符合RO进水标准，防止RO膜结垢和微生物污染，以及防止RO膜被氧化。需要在此系统中的不同位置投加有关药剂。
关于地表水RO系统，其进水常常是经过常规净化处理的，若进水为原地表水，则需要进一步处理。若进水浊度仍然较高，需要采用接触过滤技术，来进一步降低进水的浊度和色度，混凝剂的投加点应与砂过滤器间隔一定距离，若系统设有原水泵或清水泵，须将投加点设在原水泵吸水管处。关于地下水RO系统，其进水一般经细砂过滤处理后即可。
为了防止水中细菌繁殖，应持续和非持续性地向地表水和地下水中投加消毒剂，该消毒剂一般为氯制剂，其投加点应设在原水箱或清水箱的进水管处，同时为了防止RO膜被氯氧化，又应向RO系统中投加还原剂，如Na2SO3、NaHSO3或Na2S2O3等，其投加点须设置在微孔过滤器与高压泵之间。另外，采用活性炭过滤器脱氯或去除有机物时，该过滤器出水中常会含有大量细菌，因此应补加消毒剂，同时按上述方法补加还原剂。为防止RO装置结垢，应向水中投加设定的阻垢剂，该投加点应设在微孔过滤器进水管处，与RO装置距离应尽量缩短。
无论是地表水还是地下水，SDI测定值的大小不仅是对RO装置进水水质的综合控制评价指标，而且也能凭该小膜片，简单直观地断定RO系统的预处理装置的运行情况，其大致断定方法为：膜片呈黄色或浅黄色，轻擦拭不掉，可被稀酸（HCl）洗掉，说明混凝剂投加量过大，应调整其投加量;膜片呈浅黄色或土质色，可以轻擦拭掉，说明混凝剂投加量过小，应增设混凝剂投加;膜片呈灰色或黑色，可以轻擦拭掉，说明水中含有大量细菌体，应加强灭菌措施;膜片呈浅水草色，轻擦拭掉，说明水中已含有藻类，应加强灭藻措施。符合要求的SDI值，其膜片应该是本色。
6、微孔过滤器
微孔过滤器设置的作用为：1）去除水中微量悬浮物;2）去除预处理装置中已破碎的极少量滤料颗粒，保护高转速的高压泵和膜元件。对于卷式复合膜大中型RO装置系统，微孔过滤器精度通常为5μm，SDI值测定点设在该过滤器的进水管处。
常用的滤芯类型有聚丙烯线绕蜂房式管状滤芯（Φ65×250）和褶页式（Φ70×254），所建议的单只蜂房滤芯出力为0.5m3/h，使用压差<50KPa，但是在实际设计中，可以提高其出力30%~40%，设计滤芯数量会少些。及时地将滤芯更新，有利于RO装置运行，滤芯数量较少，滤芯压差较大，滤芯上截污有可能穿透，这种现象同样会出现在滤芯多的运行后期，其结果将会更不利，因为该过滤器一般不进行反洗，滤芯长期集结污物，会发生生物作用，影响水质。要解决换滤芯的操作工序，应使用快装过滤器。在大中型RO系统中，可将一台大的过滤器改设为2~3台小型快装过滤器，同时，这种设计方式也可便于将其中的快装过滤器共用于RO的清洗系统。
7、工艺水泵
在RO系统中，动力设备是指工艺水泵。相对于那些过流设备来讲，它应该是设计选取的关键设备。这里就RO系统，工艺水泵的设计选取问题进行讨论。
（1）原水泵或清水泵的选取。为了使RO装置能长期平稳正常地运行，其流量应按1.1~1.2Qf选取，Qf为设计值，1.1~1.2为安全系统;其扬程应按后续设备管道损失和利用水头来确定，运行工况选取点，即流量和扬程，应落在高效段的上点，并且所选取的水泵在此段工作曲线应较平缓，其目的是在后续设备（如过滤器等）进行正洗或排污时，不致使压力有较大波动而影响RO装置的运行，造成停机。在考虑噪声影响时，应选取低转速水泵，管道流速应按水净化工艺有关规定选取。
（2）反冲洗水泵的选取。其流量和扬程，按相应原则确定，冲洗进水管流速可选取3.0m/s以上，以降低造价，但冲洗排水管应有足够的通水能力，管道流速应小于1.5~2.0m/s，以利于过滤器的漂洗物排掉。
（3）RO高压泵的选取。其流量和扬程应按RO膜制造商提供的计算原则来确定，但这里应注意，流量是RO系统设定值，而扬程则是逐年增加的，且第一年与第五年所需扬程相差较大（如300~500KPa），同时该扬程的设计值与水温也有关系，在RO系统未设加热系统时，为弥补水温较低带来的产水量降低，靠加压来提高产水量，其扬程变化差也较大（100~500KPa），由Hf=Hp+SQ2f可得。Hp为达到设计水量的工作压力，Qf为设计水量，S为管路阻抗（局部和沿程的阻抗总值），Hf为水泵扬程。选取高压泵主要以Hf和Qf这两个参数来确定。
8、RO装置
RO装置是此系统中的主导设备，要熟悉掌握膜制造商所提供的有关膜类型的选取、膜元件的性能（透水量、回收率）和膜元件的组态，而且还要结合其规定，将所选定的膜元件设计为成组的RO装置，以达到使用目的，同时还应精心优化该成组的RO装置以及系统。这里就设计有关卷式复合膜成组RO装置的一些问题评述如下。
- 高压配水管道。管径应合理选择，以维持恰当的水流速，这里注意进水干管和支管水流速度的选取，在大中型RO装置中（≥50~100m3/h），为了使配水均匀，其设计原则应遵循中阻力配水设计原则，让每只压力容器的进水压力近似。产水支管和干管的水流速宜取较低值（≤1.0m/s），尽量稳定产水系统内的水流状态。若流速过高，在RO装置停止时，产水系统会产生轻微水击的现象，不利于RO膜的背压的稳定，破坏RO膜元件。
- 排气问题。膜制造商指出，在RO装置启动时，应进行低压冲洗，其目的是排尽装置内积水和排出气体，以利于RO装置正常运行。在实际工程中，积水易排，气体难排，因此为了防止RO装置内的气体的出现，应将浓水排放管、低压冲洗管、水管以及产水排放管等，垂直向上引出，高于RO装置，同时为了排气顺利，应将一段、二段或三段设置为从底部向上排列的方式，并且配水支管应从每只压力容器侧向上面接入，这样设计以利于迅速向上排气。其它方式的设计均可能使RO装置内存有气体，开机后，可以发现整个RO系统不仅噪声大，而且管道振动也较大。除此之外，在RO系统停运时进行低压冲洗，极有可能将RO装置内的水排空，若排放管设计位置不高于RO装置，只是象征性的向上翻起，只能将RO装置内的水排放一部分，使其内存有气体。
- 防止虹吸。部分应用者曾不同程度地经历过成组RO装置发生的虹吸现象，其结果是将该装置内的水排放掉，使RO膜处于无水状态，或是在对此未了解的情况下开机，影响RO装置的正常运行。为了防止这种虹吸现象，应按上述（2）的要求设计排放管，并且在高出RO装置向下布置排放管时，在上部设置一套异径漏斗，切断虹吸系统，漏斗后的排放管管径应大于上级排放管1~2号。在产水管接入调节水箱时，若有必要，也应按此要求设计。
- 对于二段或三段成组RO装置，其清洗配管以前均是分段设计的，但是根据多年的运行经验，对于净化水的二段成组大中型RO装置来说，可以不分段设计配管，这是因为在清洗RO膜元件过程中，提高清洗效果，恢复膜性能，主要是依靠清洗药液将膜面上的沉淀物溶解，以达到清洗目的，让溶解的物质与药剂一起排出RO装置，这与加大冲洗流量无多大关系。当前多使用6只或4只装膜元件外壳，排列为一级二段，若强调以冲洗方式将膜面上的污染物洗出，这只能将污染发生严重的第一根和第二根膜面上的污染物，冲塞在后几根膜通道内。一只外壳所装置的多根膜元件的相互连接是节段性的，而一只8英寸外壳高速清洗流量为9.1m3/h，则膜与膜节段处流速不足0.1m/s，这使得冲出的沉淀物又会累集在此处，待开机后，其结果不言而喻。当然单段单只装膜元件外壳不存在此问题。
在一级三段成组RO装置中，由于一段和三段的清洗流量相差较大，可将一、二段与三段清洗配管分段设计为宜。清洗管可选用衬胶、衬塑、ABS或UPVC管材，其ABS或UPVC管道与高压管连接处所采用的阀门应为非对夹蝶阀，若采用对夹蝶阀，低压管（ABS或UPVC）应采用调节段。若直接连接安装，在RO装置运行中，会发生漏水现象，无法弥补。
9、结束语
膜技术本身在不断发展，相应的理论也在不断完善，高质量的膜元件或膜组件也在不断地被制造出来，但是，在应用中，RO系统能正常运行，是水处理技术的综合正确运用的体现，应从实践中总结经验和教训，优选设计方案，优化设计系统和装置，为RO技术的推广起到促进作用。
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