四、反滲透系統(tǒng)的設計方案

1.反滲透預處理

設計地表水反滲透系統(tǒng)首先應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)中是否設計了合適的預處理的最好辦法是進行現場小型實驗或對使用同一給水水源的現有反滲透系統(tǒng)進行考察。但是，時間和費用往往限制了現場實驗的實施。在缺乏小型實驗或經驗數據時，能反映季節(jié)變化的水質全分析變得更為重要。

反滲透設計人員應設計足夠的預處理以使給水水質滿足反滲透給水要求。預處理應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，是給水隔網厚度的近兩倍）。

預處理還應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）時應引起注意。

圖4 RO反滲透純凈水設備

2.反滲透系統(tǒng)的設計

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

(一）膜類型

反滲透膜系統(tǒng)設計的實質既然是優(yōu)化設計問題，則必然存在相應的優(yōu)化數學模型。根據運籌學的數學規(guī)劃理論，一個數學規(guī)劃模型應由優(yōu)化目標函數、函數等式約束、函數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)化設計模型。

(1)優(yōu)化目標

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

(2)系統(tǒng)約束

膜系統(tǒng)特有的內在規(guī)律主要表現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動壓成正比，膜元件透鹽量與膜兩側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)參數之間的內在數學關系構成了優(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。這些參數限值構 成了優(yōu)化模型中的限值不等式約束。

(4)依據約束

系統(tǒng)設計中進水水質條件、產水水質與產水流量要求三大設計依據統(tǒng)稱為依據約束。其中產水流量與產水水質也是系統(tǒng)的技術指標，前者為設計與運行時必須滿足的指標，后者為設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。進水水質條件屬于給定數據，列入依據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、膜數量、膜排列、容器長度、容器數量、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計參數。由于多級加壓泵的規(guī)格常以額定流量及葉輪級數（每級葉輪增壓約水泵參數也可用泵流量（指額定流量）及泵級數（指葉輪級數）表征。因各變量均存在數值上下限，故變量約束均為不等式約束。

(二）水通量

選定了膜材質以后，設計者要考慮的第二個重要的參數是產水通量。產水通量是單位有效膜表面的產水量，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)調整廢水比例：通過調整廢水閥，可以減少廢水的比例，從而增加純凈水的產量。但是需要注意，這樣做會降低純水的質量，并可能縮短RO膜的使用壽命，因此不建議經常這樣做。

(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，這樣可以減輕RO膜的工作負擔，提高其工作效率。

(3)調整給水條件：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），并且保持適當的水壓（既不太低也不過高）。

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。

調整給水流道設計，使水流分布更加均勻，減少濃差極化效應。

(5)維護和更換RO膜：定期清洗RO膜以去除污垢和礦物質沉積，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膜的設計，這樣可以顯著提高出水量。

(7)增加壓力桶或調整壓力系統(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 水壓與管路材質的匹配關系

根據經驗，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措施如下:

(1)提高給水和濃水在膜表面及給水/濃水隔網中的橫向流速,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,選擇結構參數較大(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量,進而提高每個容器內的橫向流速。

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

五、總結

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

本文分析了反滲透系統(tǒng)的基本組成，包括膜組件、高壓泵、前處理和后處理設備等，強調了各部分在系統(tǒng)運行中的關鍵作用。接著，詳細討論了設計參數，如進水水質分析、產水量和回收率，這些因素直接影響到系統(tǒng)的性能和經濟性。在系統(tǒng)布局方面，探討了合理的管道設計和設備布置，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，可以實現資源的高效利用。最后，總結了反滲透技術的多樣化應用，展望了其在應對全球水資源短缺問題中的潛力。