反渗透和纳滤的的工艺过程设计

天津工业大学环境与化学工程学院膜法水处理技术反渗透和纳滤工艺过程设计

系统设计要求

浓差极化对反渗透和纳滤过程的影响

反渗透和纳滤过程的基本方程

反渗透和纳滤工艺流程及其特征方程

反渗透和纳滤装置的组件配置和性能

反渗透和纳滤基本设计内容和过程

反渗透和纳滤系统预处理及运行反渗透和纳滤工艺过程设计1系统设计要求1.1进水水质

水样是一定时间内所要分析水源的水质代表。对水质要有一全面的把握，必须针对水源特点在不同时期收集水样，进行分析比较，了解其变化及变化原因。这对反渗透系统的有效设计（预处理、产水量、回收率、脱除性能、压力、流速……），正当的操作，诊断系统存在的问题和准确评价系统性能等方面至关重要。工艺过程设计－系统设计要求采样要求：取样时要有代表性，要有足够的量，选点要正确，容器要合适，水样的采集要严格按照《水和废水监测分析方法》中的要求进行详细的记录。水质分析内容：水源水量、水质调查的内容要求非常详细，包括CO2、pH、O2、Cl、SO2-3、离子浓度、硬度、碱度、溶解性固体、细菌数等，常见参数的要求见下页的水样分析报告。工艺过程设计－系统设计要求工艺过程设计－系统设计要求常规水源的水质特点：市政供水为了防止管网的腐蚀，一般pH偏高，含有游离氯和Fe离子等地表水的浊度、细菌及有机物是预处理设计要重点考虑的内容地下水成份一般相对稳定，多数具有高硬度和碱度的特征海水要考虑悬浮固体、微生物和细菌，进水pH值和水温，金属氧化物和微溶盐的沉淀（不同海域水质差异较大）其他特殊场合，如化工、生物行业物料的浓缩、分离等工艺过程设计－系统设计要求1.2产水水质和水量根据用户的要求或者用户所处的行业，按照客户的需求或者相关行业的国家或行业标准确定反渗透或纳滤系统的产水水质和水量这些要求决定了系统的规模和所用工艺过程的选择，如单位时间的产水量，膜组件种类、数量和排列方式，回收率以及具体的工艺流程等。

工艺过程设计－系统设计要求1.3膜和膜组件的选择醋酸纤维素最早用于反渗透水处理工艺，具有价廉、耐游离氯、耐污染的特点，多用于饮用水净化和污染密度指数（SDI）较高的地方。芳香族聚酰胺复合膜，通量高，脱盐率高，操作压力低，耐生物降解，操作pH范围宽（2～11）不易水解，脱SiO2和NO-3及有机物都较好，但不耐游离氯，易受到Fe、Al和阳离子絮凝剂的污染，污染速度较快。

工艺过程设计－系统设计要求

目前大规模应用的反渗透和纳滤膜材料的组件形式主要是卷式和中空纤维式。选用膜组件时应综合考虑组器的制备难易、流动状态、堆砌密度、清洗难易等诸方面，卷式元件用得最普遍。据进水和出水水质，可初步选定膜元件，由产水量可初步确定元件得个数。工艺过程设计－系统设计要求1.4回收率回收率的确定影响到膜组件的选择和工艺的确定。根据产水水量和回收率确定膜元件的个数。一般海水淡化回收率在30～45％，纯水制备在70～85％；而实际设计过程中应根据预处理、进水水质等的条件确定。

工艺过程设计－系统设计要求1.5产水量量的衰衰减反渗透透膜在在使用用过程程中会会随着着使用用时间间的延延长，，膜的的产水水量会会发生生衰减减。这这主要要是由由于膜膜长时时间在在高温高高压下运行行，在在温度度和压压力的的协同同作用用下，，会出出现膜膜的压压密化化现象象，其其结果果会造造成产产水量量下降降或系系统操操作压压力上上升。。压密密化是是膜性性能的的不可可逆衰衰减，，事实实上，，复合合膜比比醋酸酸纤维维素膜膜更耐耐压密密化。。膜污染染也是造造成膜膜产水水通量量的衰衰减的的主要要原因因。工艺过过程设设计－－系统统设计计要求求通过下下式可可计算算出反反渗透透和纳纳滤膜膜的产产水量量下降降斜率率。式中，，m为产水水量下下降斜斜率；；t为运行行时间间，h；Q0和Qt分别为为运行行初期期和运运行t小时后后的产产水量量。通常CA类膜m＝-0.03～-0.05，复合合膜的的m=-0.01～-0.02。即CA类膜产产水量量年均均下降降10％左右右，复复合膜膜约为为5％左右右。当当然根根据进进料的的不同同也有有一定定的变变化。。工艺过过程设设计－－系统统设计计要求求1.6截留率率的衰衰减随着反反渗透透和纳纳滤膜膜在使使用过过程中中会受受到生生物或或化学学因素素的作作用，，膜面面材质质会发发生疏疏松化化，导导致膜膜的截截留率率衰减减。通常CA类膜的的年透透盐增增长率率为20％左右右，复复合膜膜约为为10％左右右。当当然系系统预预处理理如果果不合合适或或者使使用过过程中中操作作不当当也会会使透透盐增增长率率增大大。工艺过过程设设计－－系统统设计计要求求1.7产水量量随温温度的的变化化反渗透透和纳纳滤膜膜的透透水通通量随随过滤滤介质质的温温度发发生较较大的的变化化。通通常根根据下下式进进行计计算：：T为温度度，单单位℃℃，即即每一度度变化化使产产水量量变化化3％左右右。也可可用温温度校校正因因子（（TCF）表示示。Kt为与膜膜材料料有关关的常常数。。工艺过过程设设计－－系统统设计计要求求温度对对膜的的通量量影响响较大大，在在进行行设计计过程程中要要充分分考虑虑全年年水温温的变变化。。同时时采取取必要要的措措施（（进出水水换热热等）减少少温度度对系系统产产水效效率的的的影影响。。工艺过过程设设计－－系统统设计计要求求温度/℃校正因子CA膜TFC膜50.5900.534100.6850.630150.7860.739200.8900.861251.0001.000301.1151.155351.2351.328401.3661.5202浓差极极化对对反渗渗透和和纳滤滤过程程的影影响2.1浓差极极化的的概念念在反渗渗透过过程中中，由由于膜膜的选选择渗渗透性性，溶溶剂（（通常常为水水）从从高压压侧透透过膜膜，而而溶质质则被被膜截截留，，其浓浓度在在膜表表面处处上升升高；；同时时发生生从膜膜表面面向本本体的的回扩扩散，，当这这两种种传质质过程程达到到动态态平衡衡时，，膜表表面处处的浓浓度c2高于主主体溶溶液浓浓度c1，这种种现象象称为为浓差差极化化。上上述两两种浓浓度的的比率率c2/c1称为浓浓差极极化度度。工艺过过程设设计－－浓差差极化化根据薄薄膜理理论模模型描描述浓浓差极极化现现象，，如下下图所所示。。浓差极极化理理论模模型工艺过过程设设计－－浓差差极化化2.1浓差极极化的的计算算浓差极极化度度可根根据膜膜－液液相界界面层层邻近近膜－－面传传质的的质量量平衡衡的微微分方方程加加以积积分，，然后后将边边界条条件代代入求求得。。主要要表达达式有有：质量平平衡的的微分分方程程：根据边边界条条件积积分可可得：：或工艺过过程设设计－－浓差差极化化由以上上推导导的结结果可可知当当流速速时时，几几乎不不存在在浓差差极化化。此此时膜膜高压压侧的的浓度度才几几乎是是均一一的，，即c’=c2=c1或相应应的渗渗透压压π’=π2=π1，而在在通常常的反反渗透透过程程中，，流速速U不能太太高，，因为为随着着流速速U的提高高，流流道的的阻力力升高高，能能耗增增加。。这样样，通通常取取适当当的流流速U操作，，于是是存在在一定定的浓浓差极极化，，即c’=c2>c1或π’=π2>π1。工艺过过程设设计－－浓差差极化化2.3浓差极极化下下的传传质方方程（1）水通通量（2）脱盐盐率工艺过过程设设计－－浓差差极化化（3）真实实脱盐盐率r与表观观脱盐盐率robs的关系系由上述述的浓浓差极极化方方程可可以推推出：：在半对对数坐坐标纸纸上作作图图。。在保保持Jw不变情情况下下，测测定不不同U时的robs，计算不不同U时的，并与与相应应的作作图图，其其所得得的图图线为为直线线。工艺过过程设设计－－浓差差极化化将直线线外推推之，其与与纵坐坐标的的截距为，，从而而可得真真实的的脱盐盐率r；直线线的斜斜率为为，，其中中流速速指数数a=0.3（层流流）或或0.8（湍流流）。。这样样由直直线的的斜率率可求求出比例常常数b及传质系系数k。工艺过过程设设计－－浓差差极化化可以求出反反渗透工程程上实际存存在的浓差极化度度通常由浓差差极化度与与能耗权衡衡，取浓差差极化度为为=1.2。这样，若若实验测定定得到robs=0.950时r为多少？根根据上式可可知：工艺过程设设计－浓差差极化2.4浓差极化对对反渗透的的影响和缓缓解措施（1）浓差极化化对反渗透透的影响①降低水通通量根据存在或或几乎不存存在浓差极极化的情况况下导出的的水通量方方程可知，，由于浓差差极化时的的溶液渗透透压项由原原先的变为，，而＞＞1，因而此时时的水通量量Jw’＜Jw（Jw为几乎不存存在浓差极极化时的水水通量）。。工艺过程设设计－浓差差极化②降低脱盐率率比较上述相相应情况下下的脱盐率方程程可知，同样样因＞1，使脱盐率率由r降为了robs。③导致膜上上沉淀污染染和增加流流道阻力由于膜表面面浓度增加加，使那些些水中的微溶盐（CaCO3和CaSO4等）沉淀，，增加膜的透透水阻力和流道压力降降，使膜的水水通量和脱脱盐率进一一步降低。。极化严重重的化，导导致反渗透透膜性能的的急剧恶化化。工艺过程设设计－浓差差极化（2）降低浓差差极化的途途径反渗透过程程中的浓差差极化不能消除只只能降低。其途径如如下所述。。①合理设计计和精心制制作反渗透透基本单元元－膜元（（组）件，，使之流体体分布均匀匀，促进湍湍流等。②适当控制制操作流速速，改善流流动状态，，使膜－溶溶液相界面面层的厚度度减至适当当的程度，，以降低浓浓差极化度度。通常浓浓差极化度度有一个合合理的值，，约为1.2。③适当提高高温度，以以降低流体体粘度和提提高溶质的的扩散系数数。工艺过程设设计－浓差差极化3溶度积和饱饱和度在后面的预预处理章节节中详细讲讲述。4反渗透和纳纳滤过程的的基本方程程4.1渗透压渗透压π随溶质种类类、溶液浓浓度和温度度而变，表表示方法和和表达式很很多。(1)式中cp为溶质的摩尔尔浓度；xf为溶质的摩尔尔分数；Φ为渗透压系数数；Mi为溶质的摩尔尔浓度；对于稀溶液Φ可取0.93。工艺过程设设计－过程程基本方程程(2)此式可以估估算π的近似值。。(3)查表得到溶溶液的渗透透压(4)式中K0为系数2～4×10-5，T为温度℃，，cf为进料浓度度mg/L。工艺过程设设计－过程程基本方程程工艺过程设设计－过程程基本方程程(5)对NaCl水溶液，可可以根据下下式计算：：式中，c为NaCl溶液浓度，，mg/L4.2水通量JwA为水的渗透透性常数，，NDP为净驱动压压力。pf和pp分别为进料料和产水压压力，Δp为进出口降降，πavg为平均渗透透压。Qp为产水量，，S为膜面积工艺过程设设计－过程程基本方程程4.3盐通量JsB为盐的透过过性常数，，Δcs为膜两侧盐盐浓度差。。盐透量QsS为膜面积。。4.4产水盐浓度度cp4.5盐透过率SPcfm为平均进料料浓度。工艺过程设设计－过程程基本方程程4.6脱盐率SR或r4.7回收率R和流量平衡衡Qp为产水流速速，Qf为进料流速速，Qr为浓缩液流流速4.8浓缩因子CF工艺过程设设计－过程程基本方程程4.9浓差极化因因子CPFca为膜表面盐盐浓度，Kp为与元件构构型有关的的常数，Ri为膜元件回回收率。对对于1m长的元件，，18％的回收率率时，CPF取1.2。4.10膜元件产水水量QpQps为标准条件件下的产水水量，TCF为温度校正正因子，NDPf为现场条件件下的净驱驱动力，S为膜面积。。工艺过程设设计－过程程基本方程程4.11产水盐度cpSPs为标准条件件下的SPc4.12系统平均渗渗透压5工艺流程及及其特征方方程反渗透系统统是由基本本单元－膜膜组件以一一定配置方方式组装而而成。装置置的流程根根据应用对对象和规模模大小，通通常课采用用连续式、部分循环式式和循环式三种。由反渗透的的物料平衡衡和透（产产）水、浓浓水的浓度度与进水浓浓度的关系系式，可导导出各种流流程的特征征方程。工艺过程设设计－工艺艺流程及特特征方程段和级概念的区分分在膜分离工工艺流程中中常常会遇遇到“段”与“级”的概念。段：指膜组件件的浓缩液（浓浓水）流入到下一一组膜组件件进行处理理。流经n组膜组件，，即称为n段；级：指膜组件件的产水进进入到下一一组膜组件件处理，透过液（产产品水）经过n组膜组件处处理，称为为n级。可以将“段”和“级”分别理解为为对“浓水分级”（分段）和对“产水分级”（分级）。工艺过程设设计－工艺艺流程及特特征方程工艺过程设设计－工艺艺流程及特特征方程分段式工艺艺流程分级式工艺艺流程5.1连续式－分分段式（浓浓水分段））(1)流程说明将前一段的浓浓水作为下下一段的进进水，最后一段的浓水排放废弃，而各段产产水汇集利利用。这一一流程适合合用于处理理量大、回收收率高的应用场合合。通常用用于苦咸水的淡淡化和低盐度水水或自来水的净化。。工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程Q和c分别表示示流量和和浓度；；下标f、p和r分别指进进水、产产水和浓浓水；下下标1，2，…，n为段号。。工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程(2)特征方程程①装置及及其各段段的进水水流量Qf、Qfi通式：工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程通常采用用两段式式的流程程，于是是：式中，和和分分别为装装置和第第j段的回收收率。工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程②装置及其其各段的的浓水流流量Qr，Qri通式：二段式：：工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程③装置的回回收率R与各段回回收率Ri、Rj的关系通式：二段式：：工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程④装置及其其各段的的产水浓浓度cp，cpj通式：式中Ri、Rj分别为i段和j段组件以以进、出出口积分分平均进进水浓度度计的脱脱盐率。。二段式：：工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程通式：二段式：：工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程⑤装置及及其各段段的浓水水浓度cri、crj通式：二段式：：工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程5.2连续式－－分级式式（产水水分级））(1)流程说明明分级式流流程通常常为二级级。主要要是为了了提高系系统的回回收率和和产水水水质，将浓度低低于或等等于装置置进水的的第二级级浓水返返回到第第一级进进口处，，第一级级产水作作为第二二级进水水；第二级级产水就就是装置置的产水水；第一一级浓水水排放。。工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程Q和c分别表示示流量和和浓度；；下标f、p和r分别指进进水、产产水和浓浓水；下下标1，2分别指第第一段和和第二段段。进水第一级第二级浓水QfcfQr(Qr1)cr(cr1)Qr2cr2Qf1cf1Qf2cf2Qp(Qp2)Cp(cp2)产水Qp1cp1工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程该流程常常用于下下列情况况：①原水含盐量特特别高，一级反反渗透难难以得到到稳定的的产水水水质。如如特别高高浓度的的海水淡化等；；②水源水质经常常发生较较大变化化时（如沿沿海地区区地下水水不时受受到海水水倒灌的的影响，，含盐量量波动较较大），，仅以常常规的一一级分段段式反渗渗透不适适应这种种情况，，需要考考虑其临临时变换换应急的的二级反反渗透的的多功能能流程。。工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程③当一级反渗渗透达不不到最终终产水的的水质（如电导导或电阻阻率）的的指标时时，二级级反渗透透可以省省略通常常的离子子交换而而能达到到上述水水质指标标，且简化了水处理理系统的的流程和和操作（（如中高高压锅炉炉的用水水等）。。工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程（2）特征方程程①装置的的进水流流量Qf②装置（第第一级））的浓水水流量Qr（Qr1）工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程③第二级浓浓（循环环）水的的流量Qr2④装置的回回收率R与第一、、二级的的回收率率R1、R2的关系工艺过程程设计－－工艺流流程及特特征方程程⑤装置的进进水浓度度cf式中，r1和r2分别为以第一一、二级组件件的进、出口口平均浓度计计的第一级和和第二级组件件的脱盐率。。⑥第一级进水水浓度cf1工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程⑦第一级产水浓浓度cp1（第二级进水水浓度cr2）⑧装置（第一一级）的浓水水浓度cr（cr1）⑨第二级（循循环）水的浓浓度cr2工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程5.3部分循环式－－部分透过水水循环(1)流程说明部分透过水循环至装置进口处与其原始的进进水相混合作作为装置的进进水，浓水连连续排放废弃弃，部分透过过水作为产水水收集。这一流程便于于控制产水的的水质和水量量，适用于水水源水质经常常波动、在反反渗透浓水中中有可能出现现微溶盐（如如CaCO3和CaSO4等）沉淀和在在无加温条件件下要求连续续额定产水量等小规模应用用的情况。工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程Q和c分别表示流量量和浓度；下下标f、p和r分别指进水、、产水和浓水水；下标fm、pc和pp分别指混合进进水、循环透透过水和产水水。进水浓水QfcfQpccpQfmcfm产水QrcrQpcpQppcp工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程（2）特征方程①装置的原（进）水流量量QfR为以混合进水水流量计算的的回收率，其其值为式式中，Kf为透过水循环环率，其值为为②装置的进（（混合）水流流量Qfm工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程③装置的透过水水循环量Qpc④装置的透过水水流量Qp⑤装置的浓水流流量Qr工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程⑥装置的回收率率Rf式中，Rf为以原（进））水流量计算算的回收率，，其值为。。⑦装置的进（（混合）水浓浓度cfm式中，r为以组件进水水的平均浓度度计的脱盐率率。工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程⑧装置的透过（（产）水浓度度cp⑨装置的浓水浓浓度cr工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程5.4部分循环式－－部分浓缩液液循环(1)流程说明在反渗透过程程中，将连续续加入的原料液与反渗透部分浓缩液相混合作为反渗透进料液，其余的浓缩缩液作为产品品液连续收集集；其透过液液连续排放或或重复利用。。这一流程用于于某些料液连续除溶溶剂（水）浓浓缩的应用场合，，如废液的浓浓缩处理等。。工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程Qr＝Qpr＋Qrp工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程（2）特征方程①装置的原料料液流量Qf式中，Kr为浓缩液的循循环率，其值值为。。②装置的进料液液流量Qfm工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程③装置的透过液液流量Qp④装置的浓缩循循环液流量Qrp⑤装置的浓缩液液流量Qr工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程⑥装置的混合进进料液浓度cfm⑦装置的浓缩液液浓度cr⑧装置的透过液液浓度cp工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程5.5循环式－补加加稀释剂的浓浓缩液循环(1)流程说明在运行过程中中，连续向原料液中补加相当于透透过液流量的的稀释剂，浓缩液全部循环，透过液连续排放，直直至反渗透料料液的浓度达达到预定的值值时，作为成成品收集，透透过液排放或或重复利用。。这一流程用于于溶液中物质质的分离，使使产品有较高高的收率和纯纯度。工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程Q0和cf0分别表示原料料液的体积和和浓度；Qw、Qfw、Qp和Qr分别为稀释剂剂、进料液、、透过液和浓浓缩液的流量量；cw、cf0、cp和cr分别为与上述述料液相应的的浓度。工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程（2）特征方程①进料（成品））液与原料液液的浓度比率率式中R为装置的回收收率，R＝，，S为处理单位体体积原料液所所需稀释剂的的消耗量，即即稀释剂比耗耗，其值为S＝，，t为运行时间。。工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程②浓缩液的浓浓度cr③透过液的浓度度cp工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程④进料液流量Qfm⑤浓缩（循环））液流量Qr⑥稀释液、透过过液的流量Qw、Qp工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程5.6循环式－浓缩缩液循环(1)流程说明该流程与“补补加稀释剂的的浓缩液循环环”流程相同同，所不同的的时补加的不是稀稀释剂而是原原料液。其流量和浓浓度分别为Qf和cf0操作过程液与与上述流程相相同。这一流程用于于溶质的浓缩和和分离。（2）特征方程①进料（成品品）液与原料料液的浓度比比率工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程根据不同的运运行时间反渗渗透的质量平平衡可得下列列微分式：（1）反渗透的透过过液、浓缩液液的浓度与进进料浓度的关关系：（2）（3）将式（2）代入式（1）经变换整理理得：（4）工艺过程设计计－工艺流程程及特征方程程将积分边界条条件带入式（（4）：t=0时，cfm=cf0t=t时，cfm=cfm整理后得：②浓缩液的的浓度cr由式（3）和式（5）得工艺过程设设计－工艺艺流程及特特征方程③透过液得浓浓度cp由式（2）和（5）得：④原料液（（透过液））得流量Qr（Qp）由式（5）得：工艺过程设设计－工艺艺流程及特特征方程⑤进料液流量量Qfm⑥浓缩液流量量Qr装置的组件件配置和性性能6.1膜元（组））件的操作作性能（脱盐率和水通量）（1）膜元（组组）件的脱脱盐率元（组）件件在使用过过程中膜的的进水侧和和产水侧的的浓度沿流流道变化情情况见下图图。工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能工艺过程设设计－工艺艺流程及特特征方程计算脱盐率率的流道模模型根据产水的的质量平衡衡可得元（（组）件总总产水的浓浓度为：欲得到元（（组）件真真实得脱盐盐率r，必须知道道整个流道道的积分平平均浓度。。工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能另外，组件件的脱盐率率与膜常数数和平均有有效压力的的关系：（2）膜元（组组）件的水水通量工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能若元（组））件的膜面面积为S（m2），则其产产水流量：：Kw为元（组））件产水流流速的压力力系数。6.2装置中元（（组）件的的配置装置内组件件的配置原则是保持装置内内各组件的的平均流速速（流量））大于或等等于规格元元（组）件件在标准测测试条件下下的值，从而使装置置的浓差极极化度不大大于其元（（组）件的的浓差极化化度。因此，无论论是分段式式还是分级级式流程的的装置均应应逐段或逐逐级减少并并联组件数数，即所谓谓锥形排列。分段式（（两段）和和分级式（（两级）的的装置内各各段或各级级组件的分配比为2：1的流程。工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能工艺过程设设计－工艺艺流程及特特征方程分段式工艺艺流程分级式工艺艺流程6.3装置的性能能鉴于分段式式流程应用用较为普遍遍，在此简简述其装置置的性能。。（1）产水量装装置的产产水性能通通常为产水水量Qp工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能Qp－装置的产产水量，m3/h；Qpi－第i段元（组））件的产水水量，m3/h；S―元（组）件件的有效膜膜面积，m2；A―元（组）件件的透水性性常数，m3/(h·m2·MPa)；Kw―元（组）件件的产水量量的压力系系数，m3/(h·m2·MPa)；Nmj―第i段元（组））件数；―第i段元（组））件的平均均操作压力力差，MPa；―第i段元（组））件膜两侧侧溶液的平平均渗透压压，MPa；工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能（2）脱盐率将描述元（（组）件脱脱盐性能的的式中的A以Kw/S带之，可得得装置的脱脱盐率方程程：装置的产水水量Qp取决于元（（组）件的的膜常数Kw和各段的元元（组）件件数Nmj与相应的平平均有效压压力乘积的的加和。就就特定规格格的元（组组）件数以以一定的配配置方式组组装的装置置而言，其其产水量与与施加在各各段元（组组）件的平平均有效压压力成正比比。B―元（组）件件的透水量量常数，m/h；―装置的元（（组）件总总数。工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能7基本设计内内容和过程程7.1给出设计限限制范围这包括不同同进水时的的平均水通量量，水通量年下降百分分率，不同膜类类型的盐透过率，盐透过的年年增长率，浓水中难溶盐的饱饱和极限，饱和指数数的限度，元件最大进水和最低浓水水流速……7.2设计的具体体要求设计目的是是给定系统统参数，得得到最有效效的成本设设计和经济济操作。主要系统参参数：操作作压力、回回收率、产产水水质、、产水水量量、平均水水通量、反反渗透单元元（膜元件件数、排列列方式和操操作模式））等。工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能7.3基本设计过过程（1）设定计量量单位包括压力、、流速、通通量、浓度度、温度。。（2）建立新的的进水记录录（工程名名称、代号号等）输入设计参参数：进水水水质、水水源类型、、组成、离离子浓度、、pH、温度、浊浊度、SDI、H2S、Fe、SiO2、TOC、TDS、电导率、、渗透压。。（3）数据计算算和转换计算渗透压压、离子强强度、结构构盐的饱和和值，比较较进水阴、、阳离子当当量平衡，，误差在10％以内。（4）根据进水水设置预处处理，达到到所要求的的SDI。工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能（5）输入回收收率，确立立难溶盐的的浓度限制制（浓水pH、LSI、离子强度度，HCO3-、CO32-、CO2、总碱度）），确定调调pH或加防垢剂剂。（6）选择膜元元件类型，，结合进水水，确立盐盐透过率的的年增长率率、水通量量，水通量量的年下降降百分率等等。（7）输入产水水流速，根根据膜元件件的面积和和水通量可可知膜的元元件数，压压力容器数数等；根据据回收率等等可初步给给出压力容容器排列和和段（级））数工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能（8）总计算程程序－重复复计算原则是进水水压力满足足回收率，，先计算第第一个元件件的性能，，其浓水为为第二个元元件的进水水，计算第第二个元件件性能……，将所有渗渗透水相加加，与目标标值比较，，据此调节节进水压力力，直到收收敛为所要要求的压力力和回收率率，同时满满足各限制制范围要求求。工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能（9）计算结果果①显示流量量、压力、、水通量、、β系数、产水水水质、浓浓水饱和度度；②超出设计计限制时报报警显示；；③结果输出出成计算书书；④图形显示示系统流程程；操作压压力、产水水水质、回回收率、温温度等曲线线；⑤给出能耗耗和系统经经济成本，，据泵的压压力、流量量、回收率率、效率和和电机效率率，得出电电机功率；；据输入的的投资、材材料、劳务务费用，再再根据设计计部分的有有关资料（（产水量、、功耗、膜膜元件、试试剂用量等等），可计计算产水的的成本。工艺过程设设计－装置置的组件配配置和性能能设计优化和和设计选择择①基本设计计；②渗透水与与部分进水水混合；③渗透水节节流；④设置级间间泵；⑤部分浓水水循环；⑥二级（或或二段）RO系统；⑦后处理：：pH调节和脱气气等。工艺过程设设计－基本本设计过程程7.4基本设计过过程在无设计软软件的情况况下，或为为了先对项项目有益简简要的把握握，可根据据上一小节节的过程简简要进行如如下的处理理：水源类型、、水质、所所需的预处处理产水量、回回收率、进进水预处理理选择膜元件件类型，计计算所需元元件的数量量（安全系系数或污染染因子0.8）Ne为元件数目目，Qp为产水量，，qmax为元件最大大产水量。。确定压力容容器数，据据回收率等等，确定排排列方式Nr为压力容器器数目，n为每个容器器中元件数数通常其二段段排列容器器比为2：1，三段排列列容器比为为4：2：1。工艺过程设设计－基本本设计过程程检验进水和和最后浓水水是否符合合最高进水水和最低排排水量的要要求。例1：设计产水水量2160m3/d，水回收率率75％，进水500mg/L，25℃，选用FilmtecBW30－8040型元件，1.6Mpa，30m3/d，脱盐98％，选用压压力容器长长可容6个元件，初初步估算元件数Ne＝2160÷÷0.8÷÷30≈90压力容器数数Nh=90÷6=15按二段回收收率达75％，以2：1排列压力容容器，即第第一段10根，含60个元件，第第二段5根，含30个元件。用用所要求的的最大进、、最低出口口水量来验验证排列是是否合适，，以产水水水质和水量量进一步看看设计是否否达到目的的。工艺艺过过程程设设计计－－基基本本设设计计过过程程例2：设设计计产产水水量量270m3/d，水水回回收收率率75％，，进进水水500mg/L，25℃℃，选选用用BW30－4040型元元件件，，1.6MPa，7.5m3/d，脱脱盐盐98％，，选选用用压压力力容容器器长长可可容容纳纳4个元元件件，，最最低低元元件件浓浓水水/淡水水比比为为6：1。设：：污污染染因因子子为为0.85，驱驱动动力力1.5MPa，设设计计压压力力为为1.5MPa；单元元件件产产水水率率＝＝0.85××1.5MPa××7.5m3/d÷÷1.6MPa≈≈6.5m3/d所需需元元件件数数＝＝270÷÷6.5＝40压力力容容器器数数＝＝40÷÷4＝10最低低元元件件浓浓水水流流速速＝＝6.5××6＝39m3/d单个个压压力力容容器器产产水水率率＝＝6.5××4＝26m3/d系统统浓浓水水流流速速＝＝总总产产水水率率÷回收收率率－－总总产产水水率率＝＝270÷÷75％－－270＝90m3/d工艺艺过过程程设设计计－－基基本本设设计计过过程程最后后一一级级进进水水流流速速＝＝单单个个压压力力容容器器产产水水率率×压力力容容器器数数＋＋浓浓水水流流速速＝＝26××2＋90＝142m3/d倒数数第第二二级级压压力力容容器器数数＝＝142m3/d÷÷39m3/d＝3.6≈≈3或4，这这里里取取3倒数数第第二二级级的的进进水水流流速速＝＝26××3＋142＝220m3/d倒数数第第三三级级压压力力容容器器数数＝＝220m3/d÷÷39m3/d＝5.6≈≈5或6，这这里里取取5，这这样样初初步步压压力力容容器器排排列列为为5－3－2。同样样根根据据所所要要求求的的元元件件最最大大进进、、最最低低进进口口水水量量验验证证排排列列是是否否合合理理，，以以产产水水水水质质和和水水量量进进一一步步看看设设计计是是否否达达到到目目的的。。工艺艺过过程程设设计计－－基基本本设设计计过过程程工艺艺过过程程设设计计－－反反渗渗透透和和纳纳滤滤系系统统预预处处理理及及运运行行8反渗渗透透和和纳纳滤滤系系统统预预处处理理及及运运行行8.1预处处理理系系统统反渗渗透透和和纳纳滤滤进进水水种种类类多多、、成成分分复复杂杂，，为为了了确确保保反反渗渗透透和和纳纳滤滤过过程程的的正正常常进进行行，，必必须须对对进进水水进进行行预预处处理理。。预预处处理理的的目目的的通通常常为为：：除去去悬悬浮浮固固体体，，降降低低浊浊度度；；抑制制和和控控制制微微溶溶盐盐的的沉沉淀淀；；调节节和和控控制制进进水水的的温温度度和和pH；杀死和抑抑制微生生物的生生长；去除各种种有机物物；防止铁、、锰等金金属氧化化物和二二氧化硅硅的沉淀淀等。8.1.1除去悬浮浮固体和和胶体，，降低浊浊度悬浮固体体包括淤淤泥、铁铁的氧化化物和腐腐蚀产物物、MnO2、与硬度度有关的的沉淀物物、Al（OH）3絮凝物、、SiO2、微细沙沙石、硅硅藻、细细菌、有有机胶体体等。其其中胶体最难难处理，大多数数胶体是是荷电的的，其同同号电荷荷排斥而而稳定地地悬浮于于水中，，稳定地地胶体其其Zeta电位多大大于-30mv，当这类类胶体凝凝结在膜膜表面上上时，则则引起膜膜地污染染，其凝凝结速率率方程为为：式中，K2为凝结速速度常数数；n为胶体的的浓度。工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行反渗透处处理中采采用污染染密度指指数SDI(SiltDensityIndex)来判断进进水的好好坏，是是胶体荷荷微粒浓浓度的一一种量度度。SDI值是进水水质量的的相对值值，从这个个数值中中，并不不能明确确看出膜膜污染速速度或对对膜性能能造成的的影响等等情况。。通常该该值是对对进水质质量和系系统预处处理工序序的效果果进行检检测的一一个标准准。它是是进水在207Kpa的压力下，通过过0.45μmMillipore滤膜的污污染速率率推算出出来的。。通常反反渗透要要求进水水的SDI＜3。井水的的SDI＜1，顾不必必对其进进行胶体体的预处处理，地地表水的的SDI在10～175，需要认认真进行行针对性性的预处处理。工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行（1）SDI的测定工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行测试步骤骤1．记录测测试温度度。在试试验开始始至结束束的测试试时间内内，系统统温度变变化不应应超过1℃。2．排除过过滤池中中的空气气压力。。3．用带有有刻度的的500ml量筒接取取滤过水水以测量量透过滤滤膜的水水量。4．全开球球阀，测测量从球球阀全开开到接满满100ml和500ml[注1]水样的所所需时间间并记录录。工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行5．五分钟钟后，再再次测量量收集100ml和500ml水样的所所需时间间，十分分钟及十十五分钟钟后再分分别进行行同样测测量。6．如果接接取100ml水样所需需的时间间超过60秒，则意意味着约约90%的滤膜面面积被堵堵塞，此此时已无无需再进进行实验验。7．再次测测量水温温以确保保与实验验开始时时的水温温变化不不超过1℃。8．实验结结束并打打开滤池池后，最最好将实实验后的的滤膜保保存好，，以备以以后参考考。工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行计算公式式式中：SDI——污染密度度指数Ti——第一次取取样所需需时间Tf——15分钟（或或更短时时间）以以后取样样所需时时间工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行（2）除去悬悬浮物胶胶体的方方法①在在线混凝凝－多介介质过滤滤在原水中中投加混混凝剂，，经有效效的混合合，再通通过压力力式多介介质滤器器除去形形成的微微絮凝体体，其效效果取决决于絮凝凝剂的种种类、浓浓度、合合适的混混合和停停留时间间等，这这些都需需要经现现场试验验最终优优化。工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行压力式在在线凝结结－絮凝凝－过滤滤体统工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行絮凝剂：：有FeCl3、明矾、、聚合氯氯化铝和和聚阳离离子型絮絮凝剂。。使用铝铝剂应注注意，其其絮凝物物在pH6.5～6.7有最小的的溶解度度；聚阳阳离子絮絮凝剂优优点在于于形成的的絮凝物物少，在在过滤时时不会破破碎，对对pH的要求不不太严格格等，但但应该严严格控制制剂量，，若过量量会对膜膜造成不不可逆的的损伤。。过滤介质质：的选选择也是是很关键键的，AGR（一种无无水硅酸酸铝）、、海绿砂砂、砂－－无烟煤煤（双介介质）和和多介质质（可多多达5种）等是是效果良良好的过过滤介质质。工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行②微滤（MF）和超滤滤（UF）预处理理MF和UF预处理方方法具有有以下优点：去除范围围宽，包包括胶体体在内；；可连续操操作、性性能优良良、出水水水质好好，对高高压泵和和反渗透透的保护护性好；；少用或不不用药剂剂，物理理消毒安安全；投资、占占地少、、人工省省等。工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行8.1.2微生物污污染及防防治微生物污污染的来源：在物质质传递过过程中，，微生物物也向膜膜面迁移移并吸附附在膜上上繁殖；；过量的的絮凝剂剂，如SHMP是营养物物质，会会促进微微生物繁繁殖；氯氯会使腐腐质酸分分解，也也成为营营养物质质；油和和烃类也也容易引引起微生生物的生生长。微生物污污染对膜膜性能的的影响：会形成成致密凝凝胶层，，吸附高高浓度的的离子，，使浓差差极化更更严重，，降低流流动混合合效果，，同时由由于酶的的作用也也会促进进膜的降降解和水水解。工艺过程程设计－－反渗透透和纳滤滤系统预预处理及及运行微生物污污染的特征及监监测：浓水中中总细菌菌数的迅迅速增加加是微生生物污染染的特征征之一，，对完全全失效膜膜进行剖剖析，分分析细菌菌数量、、品种以以及TOC、蛋白、、ATP和糖等可可证实微微生物污污染的存存在。引起微生生物污染染的主要原因因：进水预预处理不不足，温温度高，，SDI高，有机机和无机机营养物物浓度高高和残存存大量细细菌等；；管路过过长，透透光，有有死角，，有裂缝缝，有非非消毒部部分等；；操作中中不经常常检测，，低流速速，长期期存放和和使用已已污染的的试剂等等。工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行8.1.2微溶盐盐沉淀淀的控控制结垢发发生的的原因：由于水水不断断透过过膜，，使膜膜的进进水中中的那那些微微溶盐盐在膜膜面附附近的的浓水水中超过其其溶度度积而而沉淀淀析出出导致水水垢的的产生生。水水垢是是反渗渗透和和纳滤滤过程程中最最普遍遍的膜膜污染染。当苦咸水水为水源源时，，碳酸钙钙和硫酸钙钙是最普普遍存存在的的沉淀淀析出出，而而以海水为水源源时，，通常常只考考虑碳酸钙钙的沉淀淀析出出。工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行若微溶溶盐的的浓度度超过过其溶溶度积积时，，可采采取下下列方方法处处理：：（1）降降低回回收率率，避避免浓浓水中中的微微溶盐盐浓度度超过过其溶溶度积积；（2）调调节原原水pH值（加加酸））大多数数地表表水和和地下下水中中的CaCO3几乎呈呈饱和和状态态，由由下式式可知知CaCO3的溶解解度取取决于于pH值：因此，，通过过加入入酸中中的H+，化学学平衡衡可以以向左左侧转转移，，使碳碳酸钙钙维持持溶解解状态态。工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行CaCO3在浓水水中更更具有有溶解解的倾倾向，，而不不是沉沉淀，，天然然水源源作为为反渗渗透进进水时时，在在浓水水中多多半发发生碳碳酸钙钙沉淀淀的问问题，，需要要加以以判断断和防防止。。通常有有两种种判断碳碳酸钙钙沉淀淀的方法法。对苦咸水水和城市自自来水水为反渗渗透水水源时时，采采用朗朗格利利尔（（Langelier）饱和和指数数法（（LSI）法；；对海水，采用用斯蒂蒂夫和和大卫卫饱和和指数数（S&DSI）法，，表示示这种种趋于于溶解解的倾倾向。。在饱和和pHs的条件件下，，水中中CaCO3处于溶溶解与与沉淀淀之间间的平平衡状状态。。工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行LSI和S&DSI的定义义为：：当仅采采用加加酸控控制碳碳酸钙钙结垢垢时，，要求求浓水水中的的LSI或S&DSI指数必必须为为负数数，加酸仅仅对控控制碳碳酸盐盐垢有有效。。工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行（3）加加阻阻垢剂剂阻垢剂剂可以以用于于控制制碳酸酸盐垢垢、硫硫酸盐盐垢以以及氟氟化钙钙垢，，通常常有三三类阻阻垢剂剂：六六偏磷磷酸钠钠(SHMP)、有机机磷酸酸盐和和多聚聚丙烯烯酸盐盐。六偏磷磷酸钠钠：能少少量的的吸附附于微微晶体体的表表面，，阻止止结垢垢晶体体的进进一步步生长长和沉沉淀。。价格格便宜宜，但但化学学性质质不太太稳定定，容容易发发生水水解降降低阻阻垢效效率，，同时时也有有产生生磷酸酸钙沉沉淀的的危险险。有机磷磷酸盐盐：足够够效果果好，，化学学性能能稳定定，适适应于于防止止不溶溶性的的铝和和铁的的结垢垢多聚丙丙烯酸酸盐：通过过分散散作用用可以以减少少SiO2结垢的的形成成。工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行阻垢剂剂投加加需要要注意意的问问题：：聚合有有机阻阻垢剂剂遇到阳离子子聚电电解质质或多价阳阳离子子时，可可能会会发生生沉淀淀反应应，例例如铝铝或铁铁，所所产生生的胶胶状反反应物物，非非常难难以从从膜面面上除除去。。在含盐盐量为为35,000mg/L的海水反渗透透系统统中，，结垢垢问题题没有有苦咸咸水中中那样样突出出，当当运行行回收收率高高于35%时，推推荐使使用阻阻垢剂剂。阳离子子聚电电介质质可能会会与负电性性的阻阻垢剂剂发生协协同沉沉淀反反应并并污染染膜表表面，，必须须保证证当添添加阴阴离子子阻垢垢剂时时，水水中不不存在在明显显的阳阳离子子聚合合物。。对于阻阻垢剂剂的投加必须避免过过量，过量量的阻阻垢剂剂对膜膜而言言也是是污染染物。。工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行（4）强酸酸阳离离子树树脂软软化使用Na+离子置置换和和除去去水中中结垢垢阳离离子如如Ca2+、Ba2+和Sr2+。交换换饱和和后的的离子子交换换树脂脂用NaCl再生，，这一一过程程称为为原水水软化化处理理。在在软化化处理理过程程中，，进水水pH不会改改变。。但原原水中中的溶溶解气气体CO2能透过过膜进进入产产品侧侧，引引起电电导率率的增增加，，需在在软化化后的的水中中加入入一定定量NaOH（pH8.2）以便便将水水中残残留CO2转化成成重碳碳酸根根。离子交交换法法软化化去除除钙（（镁））离子子，但但对高高碱度度的水水和大大水量量工程程，此此法不不经济济。工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行（5）弱弱酸阳阳离子子树脂脂脱碱碱度该工艺艺能够够对原原水实实现部部分软软化。。离子子交换换过程程中，，与重碳酸酸根相相同量量的暂暂时硬硬度中的Ca2+、Ba2+和Sr2+等为H+所取代代而被被除去去，这这样原原水的的pH值会降降低到到4~5。由于于树脂脂的酸酸性基基团为为羧基基，当当pH达到4.2时，羧羧基不不再解解离，，离子子交换换过程程也就就停止止了。。采用弱弱酸阳阳离子子交换换树脂脂脱碱碱度主主要是是大型型苦咸咸水处处理系系统，，对于于重碳碳酸根根含量量高的的水源源较为为理想想，重重碳酸酸根也也可转转化为为CO2。工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行多数情情况下下，不不希望望产水水中出出现CO2，这时时可以以对原原水或或产水水进行行脱气气处理理。当原水水存在在生物物污染染可能能时（（如：：地表表水，，高TOC或高菌菌落总总数）），对对产水水脱气气更为为合适适。在在膜系系统中中高CO2浓度可可以抑抑制细细菌的的生长长；当希望望系统统运行行在较较高的的脱盐盐率时时，采采用原原水脱脱气较较合适适，脱脱除CO2将会引引起pH的增高高，进进水pH＞6时，膜膜系统统的脱脱除率率比进进水pH＜5时要高高。工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行采用弱弱酸脱脱碱度度的优点如下：：再生所所需要要的酸酸量不不大于于105%的理论论耗酸酸量，，这样样会降降低操操作费费用和和对环环境的的影响响；通过脱脱除重重碳酸酸根，，水中中的TDS减低，，这样样产水水TDS也较低低；本法的的缺点是：残余硬硬度处理过过程中中水的的会发发生pH变化工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行（6）石石灰软软化通过水水中加加入氢氢氧化化钙可可除去去碳酸酸盐硬硬度。。非碳酸酸钙度度可以以通过过加入入碳酸酸钠（（纯碱碱）得得到进进一步步地降降低。。工艺过过程设设计－－反渗渗透和和纳滤滤系统统预处处理及及运行行石灰－－纯碱碱处理理也可可以降降低二二氧化化硅的的浓度度，当当加入入铝酸酸钠和和三氯氯化铁铁时，，将会会形成成CaCO3以及硅硅酸、、氧化化铝和和铁的的复合合物。。通过过加入入石灰灰和多多孔氧氧化镁镁的混混合物物，采采用60~70ºC热石灰灰硅酸酸脱除除工艺艺，可可将硅硅酸浓