四、反滲透系統(tǒng)的設(shè)計方案

1.反滲透預處理

設(shè)計地表水反滲透系統(tǒng)首先應(yīng)選擇正確的預處理以減少和控制污染物。如果水的預處理選擇得當，則反滲透系統(tǒng)就能正常運行。確定在系統(tǒng)中是否設(shè)計了合適的預處理的最好辦法是進行現(xiàn)場小型實驗或?qū)κ褂猛唤o水水源的現(xiàn)有反滲透系統(tǒng)進行考察。但是，時間和費用往往限制了現(xiàn)場實驗的實施。在缺乏小型實驗或經(jīng)驗數(shù)據(jù)時，能反映季節(jié)變化的水質(zhì)全分析變得更為重要。

反滲透設(shè)計人員應(yīng)設(shè)計足夠的預處理以使給水水質(zhì)滿足反滲透給水要求。預處理應(yīng)減少懸濁物和膠體含量以使?jié)岫龋?.0NTU（最好＜0.3NTU），15分鐘SDI低于5.0（最好＜3.0）。

預處理還應(yīng)減少有機物含量，由于有機物污染程度難于預測，因而膜生產(chǎn)廠家也無法提供最大含量的規(guī)定，但建議TOC（總有機碳）含量應(yīng)低于2.0ppm（以碳計）。這2.0ppmTOC大致相當于5ppm的總有機生物量，如反滲透膜以13gfd（加侖/英尺2/日，約合22.1升/平方米/小時）的水通量工作一年且在運行過程中這些有機物不被連續(xù)地沖掉或者未被定期地清洗掉時，就會在膜表面堆積達0.05英寸厚（約合1.27毫米，是給水隔網(wǎng)厚度的近兩倍）。

預處理還應(yīng)控制藻類和細菌的增長，由于生物污染程度難于預測，因而膜生產(chǎn)廠家也無法提供最大含量的規(guī)定，但建議在細菌含量為10,000cfu/ml（在每毫升中的菌落生成單位）時應(yīng)引起注意。

圖4 RO反滲透純凈水設(shè)備

2.反滲透系統(tǒng)的設(shè)計

設(shè)計地表水反滲透系統(tǒng)時，設(shè)計人員應(yīng)考慮設(shè)備投資和運行成本的平衡，既能保證產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)，又能降低能耗，降低清洗頻度。

(一）膜類型

反滲透膜系統(tǒng)設(shè)計的實質(zhì)既然是優(yōu)化設(shè)計問題，則必然存在相應(yīng)的優(yōu)化數(shù)學模型。根據(jù)運籌學的數(shù)學規(guī)劃理論，一個數(shù)學規(guī)劃模型應(yīng)由優(yōu)化目標函數(shù)、函數(shù)等式約束、函數(shù)不等式約束及變量不等式約束等部分組成。反滲透膜系統(tǒng)可通過以下幾種方式進行優(yōu)化設(shè)計模型。

(1)優(yōu)化目標

膜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的經(jīng)濟目標自然是系統(tǒng)的總成本最低，其中包括：設(shè)備投資最低、運行費用最低及耗水費用最低。如不計折現(xiàn)率或利息率因素，可以認為總成本就是設(shè)備總投資及設(shè)備壽命期內(nèi)各年運行費用與各年耗水費用的代數(shù)和。

(2)系統(tǒng)約束

膜系統(tǒng)特有的內(nèi)在規(guī)律主要表現(xiàn)為元件特征方程與系統(tǒng)特征方程。膜元件透水量與元件平均純驅(qū)動壓成正比，膜元件透鹽量與膜兩側(cè)平均鹽濃度差成正比，為膜元件運行的兩個主要特征方程。前支（段)件的給水流量為前支（段）元件的產(chǎn)水流量與后支（段）元件給水流量之和，前支（段）元件給水含鹽量為前支（段）元件產(chǎn)水含鹽量與后支（段）元件給水含鹽量之和，為膜系統(tǒng)運行的兩個主要特征方程。這些元件及系統(tǒng)參數(shù)之間的內(nèi)在數(shù)學關(guān)系構(gòu)成了優(yōu)化模型中的系統(tǒng)等式約束。

 表1 常用精密過濾材料過濾精度

(3)限值約束

反滲透系統(tǒng)的水力學特性與水化學特性主要表現(xiàn)為濃差、極化度限值、難溶鹽飽和度限值與段均通量比限值。此外，系統(tǒng)設(shè)計還存在 給水流量上限、濃水流量下限、工作壓力上限等限制條件。這些參數(shù)限值構(gòu) 成了優(yōu)化模型中的限值不等式約束。

(4)依據(jù)約束

系統(tǒng)設(shè)計中進水水質(zhì)條件、產(chǎn)水水質(zhì)與產(chǎn)水流量要求三大設(shè)計依據(jù)統(tǒng)稱為依據(jù)約束。其中產(chǎn)水流量與產(chǎn)水水質(zhì)也是系統(tǒng)的技術(shù)指標，前者為設(shè)計與運行時必須滿足的指標，后者為設(shè)計與運行時可超過的表征，膜系統(tǒng)中的耗水費用最低 標，故兩者分別為等式與不等式約束。進水水質(zhì)條件屬于給定數(shù)據(jù)，列入依據(jù)約束僅為模型中約束分類的系統(tǒng)性。

(5)優(yōu)化變量

系統(tǒng)設(shè)計要直接解決的問題就是模型中的優(yōu)化變量，主要包括：膜品種、膜數(shù)量、膜排列、容器長度、容器數(shù)量、泵流量、泵壓力、系統(tǒng)回收率、段間加壓值及濃水回流量等設(shè)計參數(shù)。由于多級加壓泵的規(guī)格常以額定流量及葉輪級數(shù)（每級葉輪增壓約水泵參數(shù)也可用泵流量（指額定流量）及泵級數(shù)（指葉輪級數(shù)）表征。因各變量均存在數(shù)值上下限，故變量約束均為不等式約束。

(二）水通量

選定了膜材質(zhì)以后，設(shè)計者要考慮的第二個重要的參數(shù)是產(chǎn)水通量。產(chǎn)水通量是單位有效膜表面的產(chǎn)水量，用GFD（加侖/平方英尺/天）或者LMH（升/平方米/小時）表示。

可通過以下幾種方法對水通量進行優(yōu)化:

(1)調(diào)整廢水比例：通過調(diào)整廢水閥，可以減少廢水的比例，從而增加純凈水的產(chǎn)量。但是需要注意，這樣做會降低純水的質(zhì)量，并可能縮短RO膜的使用壽命，因此不建議經(jīng)常這樣做。

(2)改善預處理系統(tǒng)：在RO系統(tǒng)之前增加或改進預處理步驟，比如使用更好的前置過濾器或超濾膜來去除更多的雜質(zhì)，這樣可以減輕RO膜的工作負擔，提高其工作效率。

(3)調(diào)整給水條件：如前所述，水溫和水壓對RO膜的性能有很大影響。確保水溫適合（一般情況下，溫度越高，通量越大），并且保持適當?shù)乃畨海炔惶鸵膊贿^高）。

圖5 進水pH對水通量及脫鹽率的影響

(4)優(yōu)化RO膜本身：

改進膜材料，使其具有更好的親水性，從而提高透水性。

改善涂膜工藝，增加膜的有效透水面積。

調(diào)整給水流道設(shè)計，使水流分布更加均勻，減少濃差極化效應(yīng)。

(5)維護和更換RO膜：定期清洗RO膜以去除污垢和礦物質(zhì)沉積，必要時更換老化的RO膜。如果RO膜使用了一年以上并且性能下降，那么更換RO膜可能是必要的。

(6)使用雙RO膜系統(tǒng)：如果條件允許，可以考慮使用帶有雙RO膜的設(shè)計，這樣可以顯著提高出水量。

(7)增加壓力桶或調(diào)整壓力系統(tǒng)：對于帶有壓力桶的系統(tǒng)，增加壓力桶的容量或者調(diào)整增壓泵/減壓閥，以維持穩(wěn)定的水壓。

表2 水壓與管路材質(zhì)的匹配關(guān)系

根據(jù)經(jīng)驗，如果每隔3個月或者更長的時間清洗一次，則表明預處理和反滲透系統(tǒng)設(shè)計是合理的，如果1至3個月清洗一次，則可改進工藝和增加設(shè)備。假如不到1個月就清洗一次，考慮到清洗費用、反滲透膜壽命縮短以及運行工況惡化，則需要增加更多的預處理設(shè)備以便進行工藝改進。

（三）橫向流速

為了控制地表水反滲透系統(tǒng)中的污染速度，選擇最佳膜面橫流速度與選擇水通量同樣重要。

反滲透系統(tǒng)優(yōu)化橫向流速的主要技術(shù)措施如下:

(1)提高給水和濃水在膜表面及給水/濃水隔網(wǎng)中的橫向流速,可以增加湍流程度,從而減少顆粒沉淀和隔網(wǎng)堆積。

(2)較高的橫向流速可以提高膜表面鹽分向主體溶液擴散的速度,減少難溶鹽沉淀的風險。

(3)在滿足水通量需求的前提下,選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)較大(如面積和長度)的膜元素,可以減少每個壓力容器中的膜元件數(shù)量,進而提高每個容器內(nèi)的橫向流速。

表3 系統(tǒng)中平均膜通量的計算

(4)嚴格控制給水流,入速率和濃水流出速率,給水流入速率控制在10psi以下,濃水流出速率滿足容器末端膜元件的最小橫向流速需要。

(5)監(jiān)測和控制濃差極化程度,將b值控制在1.20以下,以減少鹽濃縮對膜表面的影響。

(6)依據(jù)給水水源的不同,制定不同壓力容器內(nèi)膜元件的給水最大流量和濃水最小流量標準。

五、總結(jié)

在本文中，我們深入探討了反滲透系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)，揭示了其在水處理領(lǐng)域的重要性。反滲透技術(shù)以其高效的水質(zhì)凈化能力，廣泛應(yīng)用于飲用水處理、工業(yè)廢水回用以及海水淡化等多個領(lǐng)域。

本文分析了反滲透系統(tǒng)的基本組成，包括膜組件、高壓泵、前處理和后處理設(shè)備等，強調(diào)了各部分在系統(tǒng)運行中的關(guān)鍵作用。接著，詳細討論了設(shè)計參數(shù)，如進水水質(zhì)分析、產(chǎn)水量和回收率，這些因素直接影響到系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性。在系統(tǒng)布局方面，探討了合理的管道設(shè)計和設(shè)備布置，以確保水流暢通和便于維護。優(yōu)化反滲透系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可持續(xù)性是未來發(fā)展的趨勢，通過降低運營成本和評估環(huán)境影響，可以實現(xiàn)資源的高效利用。最后，總結(jié)了反滲透技術(shù)的多樣化應(yīng)用，展望了其在應(yīng)對全球水資源短缺問題中的潛力。