反滲透系統均衡通量工藝
近10年來反滲透技術以其低成本、低能耗、易操作、少占地等諸多優勢，在工業及市政水處理領域得到了廣泛地應用與迅速地普及，在水處理技術市場中占有很大的份額．隨著反滲透技術應用范圍與系統規模的日益擴大，系統的節能、節水等多項系統設計與運行問題日顯突出，其中膜系統通量均衡分布即為反滲透膜系統設計與運行領域中的典型問題之一．
反滲透系統中膜元件的排列一般為錐形分段串并聯方式，且各段等長．在沿系統流程方向上，由于產水的分流作用，膜兩側壓力差(delP)逐步下降；由于水中鹽分的濃縮，膜兩側滲透壓差(delPosm)逐步增大；膜兩側的凈驅動壓力(NDP)及膜產水通量(Q)不斷下降，從而產生膜通量分布不均衡現象．如以A表示膜的水透過系數，則系統流程中第i支膜元件的產水通量可表示為
 |
系統的膜通量分布除遵循上述必然規律外，還與系統運行工況密切相關．膜元件平均水產量、膜性能衰減情況等諸多因素均對系統膜通量的分布造成不同程度的影響，其中系統給水溫度、給水含鹽量、系統流程長度及膜元件品種構成影響膜通量分布的主要因素．圖1示出反滲透系統中不同流程位置上膜通量分布曲線及各主要影響因素對通量分布的作用．
膜通量沿流程方向的不斷下降，對于系統運行同時存在著利和弊兩個方面的情況．一方面給／濃水被逐步濃縮，污染物濃度逐步升高，系統后端膜通量的降低有利于系統中膜污染程度的均衡；另一方面系統首末端通量差異過大，前端膜元件在高驅動壓力、高通量條件下運行，膜元件污堵速度快，后端膜元件在低驅動壓力、低通量條件下運行，膜元件不能充分發揮其作用．故對系統運行來說，有必要使系統中膜通量保持一定的梯度，使系統運行處于優化狀態．
 |
不同的給水條件存在著不同的最佳通量分布．對于二級系統而言，給水水質上佳，流程中膜通量應盡量均衡；以井水為水源的系統，給水水質略差，流程中膜通量應保持一定梯度；以地表水為水源的系統，給水水質更差，流程中膜通量梯度則應保持更高水平．
在系統設計與運行領域中，克服通量分布極端不均衡現象可以采取一系列措施，其中主要包括膜品種配置、段間加壓、淡水背壓三大工藝．筆者將逐一分析此三大工藝的特征、功用與適用范圍，從而為反滲透系統的設計與運行提供有力的參考．由于量化最佳膜通量梯度存在相當難度，因此在分析過程中僅以均衡通量為目標，該目標下得到的結論可作為不同通量梯度工況的參考依據．
如圖l所示，高壓膜構成的系統(見圖l中的基本工況曲線)與低壓膜構成的系統(見圖l中的低壓膜品種曲線)相比，膜通量曲線較為平滑．直至20世紀90年代初，反滲透膜以醋酸纖維素或高工作壓力的聚酰胺膜為主，系統工作壓力約為1．5～2．5 MPa，膜通量失衡問題并不明顯．1995年前后國際上各大膜廠商分別推出工作壓力約為l MPa的節能型低壓膜，特別是近年來如海德能等公司推出了工作壓力約為0．7MPa的超低壓膜，使膜通量失衡問題越加突出．
膜工作壓力的降低，大大降低了反滲透系統的操作壓力，明顯地降低了能耗，節省了設備投資，極大地促進了反滲透技術的推廣應用．與此同時，膜系統中膜通量失衡問題也越發明顯，而且水處理工程界對此現象尚未給予足夠的重視，未能采取相應措施予以克服．以數據形式明確超低壓膜系統通量失衡的嚴重性也是本研究的目的之一．
1 反滲透膜元件性能比較
筆者以海德能公司的ESPA膜(Energy Saving PolyAmide)作為依據進行均衡通量的相應分析．ESPA膜是一種節能型聚酰胺復合膜，與高壓的CPA2聚酰胺復合膜相比，在獲得同等產水通量條件下，需要的工作壓力更低．ESPA膜系列又可分為ESPAl、ESPA2、ES、PA3、ESPA4四個品種，各品種工作壓力又有不同．
膜產品技術手冊中，給出了不同給水含鹽量及不同測試壓力下的膜的測試參數．不同測試條件盡管暗示了不同膜品種元件的工作條件，同時也淡化了各膜品種間的參數差異．表l給出海德能ESPA-4040系列膜品種在相同的進水壓力、進水溫度與回收率計算條件下的計算參數指標．
如表l所示，在同一壓力下，產水通量各不相同．反過來說，若相同的產水量，膜品種不同所需壓力也各不相同，所需壓力從高到低排列為ESPA2、ESPAl、ESPA3、ESPA4．
ESPA膜品種所需系統給水壓力低，在某些運行條件下，系統濃水壓力值接近濃水滲透壓力值，使得系統的純驅動壓力產生很大的梯度，即進水端NDP很高，出水端NDP很低．膜通量分布不均衡問題更突出．筆者固定了膜型號(以ESPA2-4040、ESPAl-4040膜品種為例)，分別對單段、兩段反滲透系統采用3種通量均衡工藝進行討論．
 |
2 單段系統膜通量均衡工藝
系統采用同一膜品種時，隨著流程增長，膜通量下降．由于在同一壓力下，膜品種不同，通量不同，故可以在沿系統流程的適當位置處更換膜品種，使其在進水壓力不變情況下，提高或降低該流程處的膜通量，使系統前端通量降低或是使系統后端膜通量提高，以達到整個系統通量均衡的目的．以系統膜品種更換所對應的首支膜元件的通量的偏離度((系統首端第一支膜元件通量-膜品種更換后的第一支膜元件通量)／系統首端第一支膜元件通量)接近于0％，作為系統優選的膜品種配置方式．圖2給出了一級一段6支膜6 m長系統的不同運行工況對膜品種配置的斷點位置的影響．
 |
如圖2所示，圖中橫坐標中“2222ll”表示系統前4支膜采用ESPA2-4040，后兩支膜采用ESPAl-4040，這種膜品種配置方式比同一品種的膜排列方式可以均衡系統通量．隨著系統中各膜品種所占比率不同，系統通量的偏離度也不同．系統運行工況變化時，膜品種配置的斷點位置也隨之變化．不同的運行工況，對應不同的膜品種配置方式．進水含鹽量、進水溫度的變化，對系統膜品種配置斷點位置的影響較大．相比較而言，運行年數、單支膜產量的變化，對系統膜品種配置斷點位置的影響較小，且隨著進水含鹽量的升高，或者進水溫度的上升，系統膜品種配置斷點位置前移，即低壓膜品種所占比率增加．隨著運行年數或單支膜產量的增加，系統膜品種配置斷點位置后移，即低壓膜品種所占比率減少．
對系統采用膜品種配置工藝后，可以看到：
(1)流程較短的系統，所需更換膜品種的斷點位置一般在系統的后一半流程上；
(2)當系統運行為低進水溫度、低進水含鹽量工況時，較短的反滲透系統通量分布不均衡程度不嚴重，不需要膜品種配置，只需傳統設計模式即同一種膜品種排列即可．當系統運行為高進水溫度、高進水含鹽量工況時，系統通量失衡問題突出，可以容器為單位，在系統前端的容器中放高壓低通量膜品種，在系統后端的容器中放相對應的低壓高通量膜品種均衡系統通量；
(3)系統采用膜品種配置方式，系統的通量偏離度可降低15到36個百分點，但膜品種配置方式是一次性地對系統的通量分布進行調整，無法達到系統的通量分布完全均衡．
(4)系統采用膜品種配置方式，膜元件沒有達到濃差極化的極限值，系統回收率反而降低，各膜元件未充分發揮其效用，單位產水量能耗升高。
對于單段的小型反滲透系統，通量分布不均衡程度不嚴重，采用段間加壓工藝與淡水背壓工藝雖在技術上可行，但系統總固定投資增加，且系統性能提高的幅度不明顯，故對單段小型反滲透系統不考慮段間加壓與淡水背壓工藝．
3 兩段系統的膜品種配置工藝
當系統采用多段系統，流程增長時，系統的通量分布不均衡程度嚴重，需采用通量均衡工藝改善系統運行的通量分布狀態．以系統流程為8 m，2(4)一l(4)(即采用兩段反滲透系統，每段裝4支膜)排列結構的系統為例進行分析，表2給出12支膜8 m流程在各運行工況下膜品種優化配置后對系統性能的影響．
研究發現進水含鹽量、進水溫度的變化對系統膜品種配置的斷點位置的變化影響較大，而運行年數、單支膜通量的變化，對系統膜品種配置的斷點位置的變化影響不大．表2只給出了不同進水含鹽量、不同進水溫度下的最佳膜品種配置方式及其相應的運行參數值．表2中“膜品種配置方式”一欄，第一列為系統全流程上采用同一的ESPA2-4040膜品種；第二列為同等條件下系統可采用的膜品種優化配置方式．“22222111”表示系統采用21排列方式，第一段采用ESPA2—4040膜品種，第二段第一支膜元件可采用ESPA2—4040膜品種，第二段第二、三、四支膜元件采用ES—PAl-4040膜品種．“／”表示該運行條件下，不需膜品種配置方式．
由表2中的數據可以看出：
(1)當系統流程增長時，系統采用膜品種配置方式的更換位置較短流程時前移，即系統中低壓膜品種所占比率升高；
(2)在低進水溫度、低進水含鹽量工況下，系統不需采用膜品種配置方式，而只需傳統的膜排列方式即可．當系統進水溫度升高或進水含鹽量增加時，系統的膜通量失衡程度嚴重，采用膜品種配置可均衡系統膜通量分布．在進行膜品種配置時，建議以容器為單位進行膜品種配置，即在系統的前段容器中，放高壓低通量膜品種，在系統后段的容器中放低壓高通量膜品種；
(3)采用膜品種配置工藝對系統的性能也有改善．與傳統的同一膜品種排列方式相比較，系統的收率增加3到5個百分點，壓力降低0．03 MPa到0．1MPa，單位產水量能耗降低10％．
 |
4 兩段系統的段間加壓與淡水背壓工藝
段間加壓與淡水背壓是工程中常用的均衡系統通量分布的工藝，兩者異曲同工．淡水背壓工藝通過調節淡水閥實現，簡單易行，而段間加壓工藝需增設一臺加壓泵，兩種工藝系統投資不同，但對系統通量均衡分布的效果相同一。．經研究發現，段間加壓值、淡水背壓值與系統運行條件的關系一致，兩者對系統性能的影響除淡水背壓使系統單位產水量的能耗增加外，對系統的通量均衡分布、回收率、脫鹽率的影響也一致，故筆者將兩種工藝合并起來一起探討．
4．1 系統加壓值與系統運行條件的關系
系統所需的加壓值與系統運行的進水溫度、進水含鹽量、運行年數、所要求的單支膜產量密切相關．當系統運行工況改變時，系統所需的最佳加壓值也隨之變化，即進水含鹽量大小、單支膜產量大小與系統所需的加壓值大小呈線性正比關系(見圖3、圖4)；當系統進水含鹽量低時，進水溫度的變化對系統所加的加壓值沒有影響，但當進水含鹽量升高時，系統所需的加壓值隨系統進水溫度的升高緩慢上升(見圖3)；運行時間的增加對系統是整體性能的改變，系統所需的加壓值不會隨著系統運行時間的長短而變化．
4．2 系統加壓值的改變對系統性能的影響
系統的通量分布會隨著系統加壓值的增加而逐漸均衡，但加壓值存在一個最佳加壓值點，達到該點能使得系統的通量分布最均衡，當超過該點繼續加壓時，系統后端驅動壓力的增大，導致膜通量逐漸增大，通量分布又呈現失衡趨勢(見圖5)．
 |
 |
對于2(4)一l(4)排列，因為各段流程短，各段末端濃差極化值未接近極限值．但采用加壓工藝時，可使各段濃差極化值達到極限值，使系統回收率升高．隨著系統加壓值的增大，系統回收率增大，但有一極大值點，在該點處系統各段末端濃差極化值達到極限值，回收率達到最大．隨后，系統收率隨著加壓值的增加，系統回收率呈下降趨勢(見圖6)． 段間加壓工藝與淡水背壓工藝的加壓值的變化對系統能耗的影響不同，段間加壓工藝隨著加壓值的增加，單位產水量能耗降低，且有一極小值點，該點對應的橫坐標與系統達到最大回收率時的橫坐標一致．對系統采用段間加壓工藝，可以均衡系統通量分布，即有一最佳段1"~3DI：I壓值，使系統兩段通量均衡，該最佳加壓值小于系統達到最大回收率時對應的加壓值，但兩值相差不大．淡水背壓工藝需要一定的水力損失，單位產水量能耗比段間加壓工藝所需的能耗值大，淡水背壓工藝隨著加壓值的增加單位產水量能耗也隨之增加(見圖7)．
 |
 |
系統加壓值的變化對系統脫鹽率的影響不大，系統脫鹽率幾乎不變．
5 3種通量均衡工藝的比較
膜品種配置工藝、段間加壓工藝、淡水背壓工藝均可以均衡系統通量，相對于傳統設計模式，3種工藝都對系統的性能有所改善，但各有其特點．表3給出了3種均衡通量工藝的對系統性能改變的參數值．
 |
(1)膜品種配置工藝簡單易行，不增加額外投資，是3種通量均衡工藝中所費能耗最低的一種工藝．系統的通量均衡分布是一次性的調整，無法達到完全均衡．
(2)段間加壓工藝與淡水背壓工藝對系統的均衡通量分布的作用一致，且這兩種工藝相對于膜品種配置方式而言，可以據系統運行條件的改變進行適時調整，達到對系統的通量均衡分布的效果．
(3)鑒于3種工藝的各自特征，系統的通量均衡分布可以通過3種工藝相結合，達到對系統的通量均衡分布，即在采用膜品種配置方式的基礎上據實際情況采用段間加壓工藝或淡水背壓工藝．
(4)筆者是在對ESPA2-4040、ESPAl-4040膜品種研究的基礎上得出上述結論，其規律性結論同樣適用于其它ESPA-4040膜品種．由于ESPA2-4040膜品種相對于其它ESPA-4040膜品種為高壓膜品種，其全排列方式有膜通量曲線平滑、脫鹽率高的優勢，系統采用3種通量均衡工藝時，對系統性能有較大改善．若系統對其它的ESPA-4040膜品種采用3種通量均衡工藝，則對系統的通量均衡分布和系統性能的改善效果更突出。
參考文獻：
[1] 潭永文，張維潤，沈炎章．反滲透工程應用及發展技術 [J]．膜科學與技術，2003，23(4)：110-115．
[2] 靖大為，徐臘梅．反滲透膜系統優化結構設計[J]．工業水處理，2003，145(3)：65-68．
[3 ] 馮逸仙，楊世純．反滲透水處理工程[M]．北京：中國電力出版社，2000．
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
