二級(jí)反滲透系統(tǒng)的工藝結(jié)構(gòu)特征分析

韓嘉瑋，苑宏英，石雪莉，靖大為

（1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津300384；2.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；3.基礎(chǔ)設(shè)施防護(hù)和環(huán)境綠色生物科技國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津300384；4.中國(guó)膜工業(yè)協(xié)會(huì)，北京100029）

在純水制備項(xiàng)目中，二級(jí)反滲透系統(tǒng)是重要的工藝環(huán)節(jié)〔1〕。二級(jí)系統(tǒng)與一級(jí)系統(tǒng)的重要區(qū)別之一是給水含鹽量一般低于50 mg/L，給水中硬度與有機(jī)物等污染性物質(zhì)的濃度很低，不易形成系統(tǒng)污染。故反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則規(guī)定：二級(jí)系統(tǒng)的膜平均通量約為35 L/（m2·h），系統(tǒng)的濃差極化度（膜表面鹽濃度與給水鹽濃度之比）上限1.4（一級(jí)系統(tǒng)上限1.2），系統(tǒng)回收率可達(dá)85%。因此低給水含鹽量、低污染物濃度、高平均膜通量、高濃差極化度、高系統(tǒng)回收率的兩低三高特征構(gòu)成了二級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)〔2〕。

二級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括元件品種、元件數(shù)量、流程長(zhǎng)度、膜堆結(jié)構(gòu)等多項(xiàng)內(nèi)容，且包括系統(tǒng)收率、系統(tǒng)功耗、產(chǎn)水鹽量、段通量比（兩段通量之比）與段濃水比（兩段膜殼濃水流量之比）等多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。筆者還就二級(jí)系統(tǒng)的流程長(zhǎng)度與膜堆結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

本研究?jī)H以海德能公司的兩個(gè)型號(hào)元件代表高壓與低壓兩類膜品種，低壓膜ESPA2的測(cè)試參數(shù)為：給水壓強(qiáng)1.05 MPa、脫鹽率99.6%、產(chǎn)水量34.1 m3/d，高壓膜CPA3的測(cè)試參數(shù)為：給水壓強(qiáng)1.55 MPa、脫鹽率99.7%、產(chǎn)水量37.9 m3/d〔3〕。

本研究所示數(shù)據(jù)均由海德能設(shè)計(jì)軟件計(jì)算得出。由于該軟件對(duì)于二級(jí)系統(tǒng)脫鹽率的計(jì)算結(jié)果偏高，故二級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)水含鹽量偏低，相關(guān)數(shù)據(jù)僅供工藝效果的對(duì)比之用〔3〕。

1 濃差極化與元件配置

反滲透膜的濃差極化度的定義為：膜表面的鹽濃度與湍流態(tài)給濃水徑流中鹽濃度之比。因卷式膜元件中濃差極化度無(wú)法測(cè)量，故該參數(shù)多轉(zhuǎn)換為元件收率的函數(shù)。

此外低壓膜的脫鹽率較低，高壓膜的脫鹽率較高；故兩級(jí)系統(tǒng)均采用高壓膜時(shí)的系統(tǒng)脫鹽率高但能耗也高，而均采用低壓膜時(shí)的系統(tǒng)脫鹽率低但能耗也低。表1給出了1個(gè)產(chǎn)水流量為85 m3/h的兩級(jí)系統(tǒng)中，一級(jí)與二級(jí)系統(tǒng)分別采用不同膜品種（低壓膜ESPA2、高壓膜CPA3）時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。其中運(yùn)行條件為：給水含鹽量2 000 mg/L，給水溫度25℃；一級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)水量100 m3/h，回收率75%，膜堆結(jié)構(gòu)14-7/6；二級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)水量85 m3/h，回收率85%，膜堆結(jié)構(gòu)12-4/4。

表1 某兩級(jí)系統(tǒng)中不同膜元件品種配置的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

二級(jí)系統(tǒng)給水的含鹽量及滲透壓不高，各種元件品種配置的段通量比均接近1.1；因一級(jí)系統(tǒng)的給水含鹽量較高，采用高壓膜品種的段通量比遠(yuǎn)低于采用低壓膜品種；此外兩級(jí)系統(tǒng)不同元件品種配置的重要差異在于系統(tǒng)功耗。

表1所示數(shù)據(jù)揭示了兩級(jí)系統(tǒng)的另一特征，即當(dāng)兩級(jí)系統(tǒng)中選擇不同脫鹽率膜品種時(shí)，一級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)水電導(dǎo)率差異較大，但兩級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)水電導(dǎo)率相差不大。換言之，當(dāng)一級(jí)系統(tǒng)脫鹽率較低時(shí)，則二級(jí)系統(tǒng)脫鹽率將上升，當(dāng)一級(jí)系統(tǒng)脫鹽率較高時(shí)，則二級(jí)系統(tǒng)脫鹽率將下降。

為降低一級(jí)系統(tǒng)的段通量比與兩級(jí)系統(tǒng)功耗，一級(jí)系統(tǒng)應(yīng)采用高壓膜而二級(jí)系統(tǒng)應(yīng)采用低壓膜。換言之，一級(jí)系統(tǒng)應(yīng)采用高壓膜品種，以小幅增大的系統(tǒng)能耗為代價(jià)，換取前后段通量趨于平衡；二級(jí)系統(tǒng)應(yīng)采用低壓膜品種，以小幅增大的段通量比換取系統(tǒng)能耗的大幅降低。當(dāng)然，對(duì)于脫鹽率要求較高的兩級(jí)系統(tǒng)，二級(jí)系統(tǒng)中也應(yīng)采用高壓膜品種。

2 收率85%的二級(jí)系統(tǒng)

在相同回收率下，反滲透系統(tǒng)的一般規(guī)律為：長(zhǎng)流程系統(tǒng)的濃差極化度較小，短流程系統(tǒng)的濃差極化度較大，但長(zhǎng)流程系統(tǒng)也存在著系統(tǒng)功耗高與段通量比大等弊端。受到濃差極化度1.2限制，對(duì)于75%收率的一級(jí)系統(tǒng)一般采用6支裝膜殼即兩段流程全長(zhǎng)12 m。因二級(jí)系統(tǒng)的濃差極化度限值放寬至1.4，采用短流程結(jié)構(gòu)，可有效降低系統(tǒng)功耗與段通量比。

對(duì)于一般收率85%的二級(jí)系統(tǒng)，膜堆如采用整倍于2-1/5結(jié)構(gòu)或整倍于2-1/4結(jié)構(gòu)，則系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)幾乎均優(yōu)于整倍于2-1/6結(jié)構(gòu)，即應(yīng)采用5支甚至4支裝膜殼，其流程長(zhǎng)度可縮短至10 m甚至8 m。相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，其中運(yùn)行條件為：給水含鹽量30 mg/L，給水溫度25℃，產(chǎn)水流量200 m3/h，元件通量30 L/（m2·h），系統(tǒng)收率85%，元件品種ESPA2。

表2 85%收率二級(jí)系統(tǒng)中不同流程長(zhǎng)度膜堆結(jié)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)

反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，還要求各段膜殼的濃水流量（也稱段殼濃水流量）不得過(guò)低，即殼內(nèi)末端膜元件的濃水流量不得過(guò)低，以使其元件的給濃水徑流維持湍流狀態(tài)。根據(jù)后面表3數(shù)據(jù)分析，當(dāng)系統(tǒng)收率為85%時(shí)，如仍采用2∶1的兩段膜殼數(shù)量比結(jié)構(gòu)，常出現(xiàn)首段的膜殼濃水流量大于末段的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)末段濃水中的污染物濃度更高，為使末段錯(cuò)流比更大以降低污染，則末段的段殼濃水流量應(yīng)大于首段。

因此針對(duì)85%的二級(jí)高收率系統(tǒng)，無(wú)論流程為10 m或8 m，為使末段膜殼濃水流量大于首段，其兩段膜殼數(shù)量比應(yīng)接近或等于3∶1。如果兩段膜殼數(shù)量比接近或等于4∶1時(shí)，則前后段膜殼濃水流量比過(guò)大，且使前段系統(tǒng)的濃差極化度過(guò)高。關(guān)于5種膜堆結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)的比較見(jiàn)表3。其中運(yùn)行條件為：給水含鹽量30 mg/L，給水溫度25℃，產(chǎn)水流量300 m3/h，平均通量33.6 L/（m2·h），回 收率85%，元件品種ESPA2。

表3 85%收率二級(jí)系統(tǒng)中不同段殼數(shù)量比膜堆結(jié)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)

對(duì)于元件數(shù)量一致而不同流程長(zhǎng)度的系統(tǒng)，由于膜殼長(zhǎng)度不同會(huì)導(dǎo)致價(jià)格不等，故其投資成本有所差異。以膜元件數(shù)量相等但采用27-9/4與16-8/6不同膜堆結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行系統(tǒng)投資成本的分析，結(jié)果見(jiàn)表4。其中運(yùn)行條件為：給水含鹽量50 mg/L，給水溫度25℃，產(chǎn)水流量160 m3/h，平均通量30 L/（m2·h），回收率85%，元件品種ESPA2。

設(shè)6芯膜殼的價(jià)格為2 000～2 800元，而4芯膜殼的價(jià)格為1 600～2 500元，并設(shè)系統(tǒng)年運(yùn)行8 000 h且電價(jià)為0.8元/（kW·h）。

表4 兩類二級(jí)系統(tǒng)膜堆結(jié)構(gòu)的膜殼成本與電費(fèi)成本

由表4可知，27-9/4（9倍3-1/4）的短流程結(jié)構(gòu)比16-8/6（8倍2-1/6）的長(zhǎng)流程結(jié)構(gòu)的膜殼總價(jià)僅增加9.00-6.72=2.28萬(wàn)元，而年運(yùn)行電費(fèi)可節(jié)省48.1-43.3=4.8萬(wàn)元，因此可知短流程結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)流程結(jié)構(gòu)具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。9倍3-1/4結(jié)構(gòu)與8倍2-1/6結(jié)構(gòu)的唯一缺點(diǎn)是：二級(jí)系統(tǒng)的4支裝膜殼與一級(jí)系統(tǒng)的6支裝膜殼在膜堆架構(gòu)上存在長(zhǎng)短差異。但該缺點(diǎn)與其經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)相比，不足為慮。

3 二級(jí)濃水的回流方式

由于二級(jí)系統(tǒng)的產(chǎn)水含鹽量遠(yuǎn)低于一級(jí)系統(tǒng)的進(jìn)水含鹽量，故二級(jí)系統(tǒng)濃水總是回流至一級(jí)系統(tǒng)前，與一級(jí)系統(tǒng)進(jìn)水混合為一級(jí)系統(tǒng)給水。該工藝結(jié)構(gòu)不僅提高了兩級(jí)系統(tǒng)的回收率，也在一定程度上提高了兩級(jí)系統(tǒng)的脫鹽率〔4〕。

設(shè)兩級(jí)全系統(tǒng)進(jìn)水流量為Qr、兩級(jí)系統(tǒng)給水流量分別為Qf1與Qf2，兩級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)水流量分別為Qp1與Qp2，兩級(jí)系統(tǒng)濃水水流量分別為Qc1與Qc2，兩級(jí)系統(tǒng)收率分別為R1=Qp1/Qf1與R2=Qp2/Qf2=Qp2/Qp1，則具有二級(jí)系統(tǒng)濃水回流工藝的兩級(jí)全系統(tǒng)收率Rsys為：

對(duì)于兩級(jí)元件配置分別為CAP3的ESPA2的兩級(jí)系統(tǒng)，如無(wú)二級(jí)系統(tǒng)濃水回流工藝，系統(tǒng)給水流量為118.3+15=133.3 m3/h，則系統(tǒng)回收率為85/133.3=0.638，系統(tǒng)產(chǎn)水含鹽量為0.81 mg/L，電導(dǎo)率1.61μS/cm；有二級(jí)系統(tǒng)濃水回流工藝時(shí)，根據(jù)（1）式關(guān)系，系統(tǒng)回收率為85/118.3=0.718，系統(tǒng)產(chǎn)水含鹽量為0.77 mg/L，電導(dǎo)率1.55μS/cm。

圖1 某兩級(jí)系統(tǒng)的工藝流程與運(yùn)行參數(shù)

二級(jí)系統(tǒng)濃水的回流工藝，具有圖1給出的A與B兩個(gè)不同模式。實(shí)線所示模式A為目前普遍采用的模式，其二級(jí)濃水經(jīng)濃水閥降壓并回流到一級(jí)給水泵前端，二級(jí)濃水的能量幾乎全部被濃水閥所消耗，并需要一級(jí)給水泵對(duì)其再次加壓。筆者建議采用虛線所示模式B，其二級(jí)濃水經(jīng)增壓泵加壓并注入一級(jí)給水泵后端，二級(jí)濃水具有的能量可被充分利用，而只需對(duì)其小幅增壓至一級(jí)給水壓強(qiáng)，從而達(dá)到降低系統(tǒng)能耗之目的。

理論計(jì)算表明，模式B工藝需增設(shè)1臺(tái)15 m3/h流量、30 m揚(yáng)程的16-4型增壓泵，需要約4 000元投資，該增壓泵新增功耗15×300/3 600=1.25 kW，但一級(jí)給水泵功率可降低15×1 020/3 600=4.25 kW。給水泵與增壓泵與兩項(xiàng)功率相抵后系統(tǒng)可節(jié)省功耗3 kW，按照0.8元/（kW·h）及運(yùn)行時(shí)間8 000 h/a計(jì)算，每年可節(jié)省電費(fèi)約3×8 000×0.8=19 200元。 因此二級(jí)系統(tǒng)濃水回流時(shí)，增壓并回流至一級(jí)給水泵后端工藝可有效節(jié)能。

4 結(jié)論

（1）二級(jí)系統(tǒng)具有低給水鹽量、低給水污染物、高通量、高收率、高濃差極化度特點(diǎn)。

（2）一級(jí)與二級(jí)系統(tǒng)分別用高壓與低壓膜品種的組合形式時(shí)的能耗較低且脫鹽率較高。

（3）回收率85%的二級(jí)系統(tǒng)應(yīng)該采用8 m的短系統(tǒng)流程與3-1/4或其整倍的膜堆結(jié)構(gòu)。

（4）采用二級(jí)濃水回流至一級(jí)給水泵后端工藝，可有效降低兩級(jí)系統(tǒng)能耗與水泵投資。