1. 摘 要
反滲透(RO)和納濾(NF)系統(tǒng)的實際運行效果達不到用戶的預(yù)期設(shè)計結(jié)果時，在很多情況下，常會導致最終用戶運行費用的增加、失望和對供應(yīng)商的不滿。這些未預(yù)料到的結(jié)果，有部分原因是有一些最終用戶對系統(tǒng)運行條件正確管理的必要性不太了解或沒有引起足夠的重視，以致使系統(tǒng)達不到預(yù)期的運行效果。更多的原因是對RO技術(shù)和設(shè)備理解的不全面，導致在項目準備和計劃階段不完善的選擇。本文力圖為用戶闡述RO和NF系統(tǒng)的一些重要設(shè)計參數(shù)，以便使最終用戶在選購設(shè)備時根據(jù)RO和NF的特點和自身的需要，使RO和NF的運行達到最佳的期望值。
2. 前 言
RO和NF的應(yīng)用技術(shù)日新月異。許多反滲透和納濾膜性能的不斷提高和新型反滲透和納濾膜的誕生令人振奮，用戶可針對不同用途作出相應(yīng)的選擇。更為周全、合理地RO和NF設(shè)計系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的運行更佳、運行費用更低成為可能。然而，還會時常出現(xiàn)運行并不能達到用戶的要求，引起用戶對系統(tǒng)供貨商的失望。只要用戶增加一些當今RO和NF系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)的基本了解，這種情況是可以避免的，有了較好的理解，才可以作出更合理的購貨規(guī)劃和工程公司的選擇，使所需設(shè)備、控制以及運行管理培訓達到要求。
對于在系統(tǒng)擴建或新建中的每一項必要的資金投入決擇，都應(yīng)經(jīng)過全面的經(jīng)濟分析，必須做到技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理。了解就近相似的成功的系統(tǒng)、咨詢系統(tǒng)供應(yīng)商，會有助于用戶完善系統(tǒng)的選擇，減少風險和花費。
迄今為止安裝的所有工業(yè)規(guī)模的RO和NF系統(tǒng)，幾乎都采用了卷式膜元件，本文將不討論各種膜元件本身的詳細結(jié)構(gòu)，本文的著重點是為潛在的RO和NF用戶介紹在采購RO和NF設(shè)備時應(yīng)該注意的事項。
3. RO和NF基礎(chǔ)
為了優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計和運行，用戶必須考慮RO和NF設(shè)計中的一些概念。RO和NF是一種錯流過濾技術(shù)，可以去除水中雜質(zhì)，其分離能力達到去除離子的水平。毫無疑問，它可以去除較大的各類物質(zhì)。但由膠體、水垢及微生物(細菌、病毒和藻類)引起的污染，是RO和NF系統(tǒng)運行面臨的最主要的問題。為避免發(fā)生這些問題而造成不必要的花費，在系統(tǒng)設(shè)計階段，對這一潛在的污染問題就應(yīng)采取考慮充分的預(yù)防措施。當你明白細菌怎樣隨時間繁殖，你就會明白為什么生物污堵是RO和NF系統(tǒng)最應(yīng)重點關(guān)注的因素，地表水、廢水和海水等富含微生物活性的水源是極易污染膜系統(tǒng)的水源。表1表明經(jīng)過預(yù)處理后，即使只有一個細菌存活，在不長的時間內(nèi)也可能會引發(fā)嚴重的膜系統(tǒng)微生物污染問題。
時間(小時) | 細菌數(shù)量(個) | 時間(小時) | 細菌數(shù)量(個) |
0 0.33 0.67 1 1.33 1.67 2 2.33 2.67 3 | 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 | 3.33 3.67 4 5 6 7 8（第1班） 16（第2班） 24（第3班）
| 1,024 2,048 4,096 32,768 262,144 2,097,152 16,777,216 281,470,000,000,000 4,720,400,000,000,000,000,000
|
讓我們分析一下，當水流通過串聯(lián)在一起的膜元件時產(chǎn)品水和濃縮水流量的變化趨勢：全部進水被高壓泵泵入膜元件內(nèi)時，經(jīng)過膜的過濾成為產(chǎn)水，余下的水對于該元件來講成為它的濃水，該濃水繼續(xù)進入后續(xù)元件內(nèi)，成為后續(xù)元件的進水，由于水量減少，水流流速降低，而水中的雜質(zhì)濃度卻不斷升高，這一狀況在所有的壓力容器內(nèi)沿水流方向連續(xù)變化，直至流速減慢至剛好維持渦流狀態(tài)流過膜表面。用計算機進行設(shè)計計算時，應(yīng)確保最后一段最末一支膜元件內(nèi)的流速和濃度保持在最低極限之內(nèi)，不致于在膜系統(tǒng)運行中發(fā)生因膜面流速過低，降低了元件錯流自凈的能力而產(chǎn)生雜質(zhì)沉淀污染膜表面的問題。這就是為什么RO和NF系統(tǒng)必須在設(shè)計范圍內(nèi)進行操作，任何變化如進水溫度、進水化學特性或進水流速變化、水流分布不均勻和不平衡都將導致RO和NF系統(tǒng)操作超過設(shè)定的參數(shù)范圍，引發(fā)膜系統(tǒng)污染。
4. 進 水
接下來需要考慮的是進水，諸如預(yù)期的水量、水質(zhì)以及水源及其可能存在的問題。有時目前的原水流量可以滿足要求，但請你確定在預(yù)估原水量當中還應(yīng)包括將來的用水量增加的計劃，并且目前所需要水量的變化也應(yīng)在設(shè)計時予以考慮。
產(chǎn)水的水質(zhì)要求由最終的用水工藝所決定。產(chǎn)水的制造成本隨最終產(chǎn)水的純度增加而增加。如果用水的要求并非需要達到RO出水的高質(zhì)量，就應(yīng)慎重考慮采取其他處理方法，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮這一因素。
水源的化學組成和特性必須深入了解。任何系統(tǒng)的設(shè)計必須能夠應(yīng)付最好或最壞的條件，井水的溫度和化學成份通常比較穩(wěn)定，懸浮固體(SS)較低，但每一眼井應(yīng)視為不同的水源。地表水的變化很大，一般溶解固體(TDS)較低，但懸浮固體(SS)、有機物和微生物含量很高，通常市政自來水的取水水源為地表水，系統(tǒng)運行工況常常變化，因而市政供水水質(zhì)也會有很大變化。
保存水源水質(zhì)的原始數(shù)據(jù)非常重要，只有妥善取樣和分析方法正確的數(shù)據(jù)才可以信賴。水樣瓶應(yīng)經(jīng)過酸洗，瓶蓋應(yīng)配塑膠襯墊，取水點應(yīng)在自由流動水域而不能在死角，僅一個取水點是絕對不行的，必須獲得一系列水樣，覆蓋所有季節(jié)和條件，例如雨后或干旱期，任何一個未來可能會取水的潛在的水源都必須作仔細的水質(zhì)分析。-水處理新視野
5. 預(yù)處理
現(xiàn)在在我們已完全掌握了水源的特性基礎(chǔ)上，對原水進行合理的預(yù)處理成為系統(tǒng)運行成功與否的關(guān)鍵。一般的預(yù)處理過程包括：澄清或石灰軟化，多級過濾器如多介質(zhì)過濾器、軟化器、活性炭過濾器、保安過濾器及微孔過濾器，保安過濾器后還會設(shè)置紫外線殺菌器(UV)以消除細菌的滋生。正確的分析和認真的中試將可避免許多因預(yù)處理不合格而引起的麻煩。預(yù)處理階段的所有過濾器或軟化器的容器須作襯膠處理或采用耐腐蝕的材質(zhì)，以減少RO和NF進水中的鐵離子含量。
實踐證明，較保守的設(shè)計通常使系統(tǒng)運行更好，且能增強對水質(zhì)波動的適應(yīng)性。盡管保守的設(shè)計帶來初期投資費較高但其長年累月的總運行成本減低，成功的經(jīng)驗表明，投資費和運行費應(yīng)綜合考慮，合理的保守設(shè)計所造成的較高的投資費是有價值的。表2列出在RO和NF預(yù)處理過程中常見設(shè)備的合理設(shè)計數(shù)據(jù)。
表2預(yù)處理設(shè)備設(shè)計參數(shù)
設(shè)備類型 | 主要工藝參數(shù) | 備 注 |
澄清池 | 1.83～2.07m/h | 去除濁度物質(zhì)，懸浮物和膠體 |
多介質(zhì)過濾器 | 地表水5～8m/h 地下水7～10m/h | 精制石英沙和無煙煤；合理級配和填充高度；要求過濾精度優(yōu)于10mm |
軟化器 | 15～25m/h | 需高質(zhì)量再生劑，脫除硬度物質(zhì) |
活性炭過濾器 | 10～15m/h | 精制粒狀果殼活性炭，脫除有機物和游離氯 |
一個合理的預(yù)處理設(shè)計方案應(yīng)充分考慮到膜的清洗頻率。表3的標準將指導您評估RO和NF預(yù)處理的效果。
表3預(yù)處理評估準則
清洗周期 | 預(yù)處理狀況 |
大于3個月 | 預(yù)處理設(shè)計與運行管理合適 |
1～3個月 | 可能預(yù)處理設(shè)計偏緊或運行管理需要加強 |
小于1個月 | 必須加強預(yù)處理的設(shè)計或運行管理 |
投加化學藥劑也會影響預(yù)處理，對于澄清及過濾時添加的陽離子混凝劑、絮凝劑一定要嚴格控制，謹防過量。如果混凝劑和絮凝劑添加量合理，它們會在澄清或過濾過程中隨污泥排出，但若投加過量，殘余溶解狀混凝劑和絮凝劑就會附著在膜表面造成膜的污染。另外還有一個問題是，當陽離子混凝劑與陰離子阻垢劑相遇，時常會發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生沉淀并污染膜元件。如果采用NaHSO3對原水作除氯處理，它的投加點應(yīng)在整個預(yù)處理流程中盡可能靠后，通常位于保安濾器前，預(yù)處理過程中的pH值也應(yīng)該嚴格控制，因為它們會影響絮凝和氯化殺菌效果。-水處理新視野
6. RO和NF裝置
現(xiàn)在，讓我們來考慮RO和NF裝置本身，實際上，RO和NF的設(shè)計取決于所選用的膜類型。當前市場上有很多膜元件供應(yīng)商，對膜的選擇十分關(guān)鍵，這絕非易事。目前對膜材料的選擇僅限于復(fù)合膜和醋酸纖維膜(CA或CA-CTA)。工業(yè)應(yīng)用多數(shù)使用復(fù)合膜，型號較多，如高通量、高脫鹽率、高表面積、超低壓、極低壓、低污染及高溫型等。這些膜的化學成份和組成材料都不盡相同，設(shè)計合理時不同膜元件也可以在同一系統(tǒng)中同時使用，以適應(yīng)不同處理要求。在根據(jù)您的應(yīng)用要求選擇最佳膜元件時，應(yīng)咨詢膜元件生產(chǎn)商和工程公司與其共同決策，因為不同的膜元件均有最佳的使用方法和適用范圍，否則就不會生產(chǎn)出各種型號和規(guī)格的膜元件了。
在進行RO和NF裝置設(shè)計時，應(yīng)考慮每一根膜元件的運行參數(shù)，包括以下三個主要參數(shù)：
1) 系統(tǒng)中第一支膜元件的產(chǎn)水通量
2) 系統(tǒng)中最后一支膜元件的濃水流量
3) 每一支膜元件的回收率
通量定義為單位時間單位面積上的透過水量。常用單位是加侖/平方尺/天(gpd)或升/平方米/小時(l/m2h)。
膜元件制造商能夠提供膜系統(tǒng)計算機設(shè)計程序，用戶應(yīng)保留一張系統(tǒng)設(shè)計的打印結(jié)果。這些程序也可以估計出在參數(shù)改變后新條件下的系統(tǒng)可能性能結(jié)果，必須認真觀測系統(tǒng)的水流分布和運行壓力平衡性問題，尤其是當使用高通量膜元件時更需要注意。設(shè)計程序可以幫助你在各種給定的試驗條件下比較使用不同膜元件或膜元件不同組合的結(jié)果。
設(shè)備和系統(tǒng)的安裝空間也是一個必須考慮的因素，在RO和NF裝置末端是否留有足夠的空間供今后膜元件的更換與安裝？清洗是否方便？是否消除了死水區(qū)？系統(tǒng)啟動時能否自動沖洗(置換或排氣)或停止時能否自動低壓沖洗？在備用狀態(tài)下系統(tǒng)是否能保證不排干失水，且啟動時能否實現(xiàn)軟啟動以避免對膜元件的沖擊損壞？這些問題都是在選用RO和NF設(shè)備時應(yīng)考慮的。RO和NF的高壓管道應(yīng)考慮采用不銹鋼或其它耐腐蝕材質(zhì)。-水處理新視野
7. 廢棄物
設(shè)計RO和NF時，廢棄物(濃水)的處理是不容忽視的，尤其是當設(shè)計大于500m3/h的大型膜系統(tǒng)。從樂觀的角度講，RO和NF產(chǎn)生的廢水無非是原水的濃縮，因而并無大礙，然而一般廢水量約占進水量的25％，這是一個很大的水量，考慮周全的設(shè)計應(yīng)涉及各種的濃水處理可能性，盡量利用待排放的濃水。
8. 清 洗
經(jīng)過一段時間的運行，膜必須清洗，對于操作者來講，這項工作越簡單越好。一般膜法水處理系統(tǒng)都應(yīng)安裝一套就地清洗系統(tǒng)并與RO和NF裝置通過硬管或快速軟管連接，一套就地清洗系統(tǒng)可以服務(wù)多套RO和NF裝置。下圖所示為一臺標準就地清洗系統(tǒng)。清洗泵的選擇，應(yīng)保證第一段每個壓力容器的進水量要求，清洗液越湍流，清洗效果越好。為了提高清洗效率，應(yīng)該盡量對多段反滲透系統(tǒng)進行分段的、針對不同污染條件的清洗操作。大型水處理系統(tǒng)應(yīng)該考慮設(shè)置一臺獨立的單元件清洗方法評估測試平臺，當只有前端的一兩個膜元件受到污染時，清洗全段的所有膜只會使前段清洗下來的污物流入后續(xù)污染并不嚴重的膜元件，造成對系統(tǒng)清洗效率的降低，單獨元件清洗測試平臺就可以避免這一不利狀況，它也可以用來測定每一支元件的運行性能。
9. 結(jié) 論
當您想要在您的工廠使用RO和NF系統(tǒng)時，需要考慮的問題很多，建議組織一個項目小組花足夠的時間對全過程作全面的了解，考察所有的能夠達到水量水質(zhì)要求的處理技術(shù)。如果您選擇了RO和NF技術(shù)，可安排操作主管前往其他已有RO和NF系統(tǒng)的公司中進行必要的現(xiàn)場操作培訓，使其了解這一新技術(shù)的實際操作，就可避免系統(tǒng)建成之后運行時可能會發(fā)生的許多麻煩和經(jīng)濟損失。
運行中出現(xiàn)問題總是難免的，但是可以盡量避免昂貴的失誤，只要不斷增加對這一技術(shù)的了解，就會對它的優(yōu)點和缺點同時了如指掌，使RO和NF設(shè)備長期安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定、可靠的運行。