淺議反滲透系統(tǒng)運行參數(shù)標準化應用

段小冰

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

前言

近年來，隨著水資源的污染和逐漸枯竭，以反滲透技術(shù)為代表的水處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，越來越多的企業(yè)都在建設(shè)反滲透系統(tǒng)，但因缺乏反滲透技術(shù)方面的人才，各反滲透系統(tǒng)的運行水平參差不齊。為了能夠很好地發(fā)揮反滲透系統(tǒng)的作用，需要規(guī)范反滲透系統(tǒng)的運行管理。對反滲透系統(tǒng)運行參數(shù)進行標準化，是規(guī)范反滲透系統(tǒng)運行管理的關(guān)鍵。

在實際生產(chǎn)過程中，反滲透系統(tǒng)的運行條件在不斷地發(fā)生變化，如進水的溫度、電導率、壓力和SDI（淤泥密度指數(shù)）值等，這些運行條件的變化會引起反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水量、回收率、跨膜壓差和脫鹽率等運行參數(shù)的變化。為了判斷反滲透系統(tǒng)運行參數(shù)的變化是因運行條件發(fā)生變化而引起的正常變化，還是因水質(zhì)發(fā)生惡化后導致反滲透系統(tǒng)發(fā)生污堵，造成反滲透膜元件性能衰減而引起的異常變化，則需要將反滲透系統(tǒng)的運行參數(shù)進行標準化，并將其與反滲透系統(tǒng)實際運行參數(shù)進行對比。如標準化運行參數(shù)與實際運行參數(shù)相比沒有發(fā)生較大偏差，則說明反滲透系統(tǒng)運行正常；如發(fā)生了較大偏差，則說明反滲透系統(tǒng)出現(xiàn)了污堵或其他不正常現(xiàn)象，應及時排查原因，并采取相應措施，以避免反滲透系統(tǒng)發(fā)生污堵或反滲透膜元件發(fā)生性能衰減。

1 運行參數(shù)確定的條件

反滲透系統(tǒng)運行參數(shù)的確定對反滲透系統(tǒng)長期、安全和穩(wěn)定的運行是至關(guān)重要的。反滲透系統(tǒng)運行參數(shù)的確定需要以下2個條件。

1）在設(shè)計反滲透系統(tǒng)時，應根據(jù)原水的水質(zhì)情況確定反滲透系統(tǒng)合理的膜通量和回收率。當膜通量和回收率過高時，反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量大，此時，如果反滲透膜元件濃水側(cè)溶液的濃度過高，濃水量減少，流速降低，會加劇反滲透膜的濃差極化現(xiàn)象發(fā)生[1]，導致反滲透系統(tǒng)發(fā)生污堵或結(jié)垢現(xiàn)象；當膜通量和回收率過低時，雖然反滲透系統(tǒng)污堵速度減緩了，但投資相對較高。通過中試確定鋼鐵企業(yè)廢水脫鹽反滲透系統(tǒng)的膜通量為17 L/（m2/h），回收率為65%。

2）確定反滲透系統(tǒng)的運行模式。反滲透系統(tǒng)的運行模式一般可分為恒流量運行模式、恒壓運行模式和恒流量恒壓雙恒量運行模式3種。壓力傳感器與流量傳感器相比具有成本低、精度高和安裝方便的優(yōu)勢，且實現(xiàn)恒壓控制更加容易。但是，國內(nèi)大多數(shù)鋼鐵企業(yè)對排水（即水源）量和供水量的要求穩(wěn)定不變，而且反滲透系統(tǒng)的恒流量運行模式也有利于前后系統(tǒng)工藝的設(shè)計和運行，因此，大部分反滲透系統(tǒng)以恒流量模式進行設(shè)計和運行。

反滲透系統(tǒng)的膜通量、回收率和運行模式等選定后，根據(jù)這些運行參數(shù)及其影響因素確定操作人員日常需監(jiān)測和記錄的數(shù)據(jù)，包括進水的溫度和pH值，反滲透系統(tǒng)的進水、段間和濃水的壓力，進水和產(chǎn)水的電導率，產(chǎn)水和濃水的流量，進水的SDI值以及反滲透系統(tǒng)的運行時間。

2 模型建立

反滲透系統(tǒng)的進水具有諸多參數(shù)，其中影響反滲透膜元件使用壽命及反滲透系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的主要參數(shù)有溫度、pH 值、余氯、濁度、污染指數(shù)和有機物等。這些參數(shù)在反滲透系統(tǒng)的實際運行過程中不是恒定不變的，而是動態(tài)的，在恒流量運行模式的反滲透系統(tǒng)中，這些參數(shù)最終體現(xiàn)的是產(chǎn)水量、脫鹽率和跨膜壓差等3項參數(shù)的變化，是日常運行管理過程中監(jiān)測的重要指標。操作人員根據(jù)產(chǎn)水量的變化來調(diào)節(jié)反滲透系統(tǒng)的工作壓力，使產(chǎn)水量始終保持一個恒定值，以保證反滲透系統(tǒng)的恒流量運行。對于特定的反滲透膜元件，這3 項參數(shù)代表其實時參數(shù)，也是其3項外部特性指標，它們雖不能準確地反映反滲透膜元件是否真的受到損壞或發(fā)生性能衰減，但通過這3 項參數(shù)卻可以直接獨立地反映其透水系數(shù)、脫鹽系數(shù)和流道阻力系數(shù)[2]。要想判斷這些參數(shù)變化對反滲透系統(tǒng)的影響是否為正常變化，則需每天及時記錄該系統(tǒng)的日常運行數(shù)據(jù)，并建立標準模型，對參數(shù)進行標準化，以確定反滲透膜元件是否被損壞或發(fā)生性能衰減。

反滲透系統(tǒng)運行參數(shù)標準化一般包括標準化產(chǎn)水量、標準化跨膜壓差和標準化脫鹽率等3項。

2.1 標準化產(chǎn)水量

產(chǎn)水量為反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)能，即單位時間內(nèi)透過反滲透膜的水量。標準化產(chǎn)水量Q的計算式為：

式中：Qp——反滲透系統(tǒng)的實際產(chǎn)水量；

Pav1——反滲透系統(tǒng)的初始有效壓力；

Pav2——反滲透系統(tǒng)的實際壓力；

TCF1——反滲透系統(tǒng)的實際溫度校正系數(shù)；

TCFr——反滲透系統(tǒng)的初始溫度校正系數(shù)。

反滲透系統(tǒng)的壓力Pav 的計算式為：

Pav=(P1+P2+P3)/3

式中：P1——反滲透系統(tǒng)的給水壓力；

P2——反滲透系統(tǒng)的段間壓力；

P3——反滲透系統(tǒng)的濃水壓力。

反滲透系統(tǒng)的溫度校正系數(shù)TCF的計算式為：

TCF=Exp{2 700×［1/（273+T）-1/298］}

式中：T——進水溫度。

2.2 標準化跨膜壓差

在生產(chǎn)過程中，不僅要關(guān)注反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水量，還需關(guān)注反滲透系統(tǒng)的跨膜壓差。跨膜壓差是指驅(qū)動水通過反滲透膜所需的壓力,即進水壓力和濃水壓力之間的差。標準化跨膜壓差Dp 的計算式為：

式中：Dp0——反滲透系統(tǒng)的實際壓降；

Qfcr——反滲透系統(tǒng)的初始進水和濃水的平均水量;

Qfc——反滲透系統(tǒng)的實際進水和濃水的平均水量;

Qcr——反滲透系統(tǒng)的初始濃水量;

Qpr——反滲透系統(tǒng)的初始產(chǎn)水量;

Qc——反滲透系統(tǒng)的實際濃水量;

Qp——反滲透系統(tǒng)的實際產(chǎn)水量。

2.3 標準化脫鹽率

脫鹽率是衡量反滲透膜元件性能指標的一項重要指標，脫鹽率決定了反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水的水質(zhì)。標準化脫鹽率Rej 的計算式為：

式中：Rej1——反滲透系統(tǒng)的實際脫鹽率；

Qr——反滲透系統(tǒng)的初始產(chǎn)水量；

ECp——反滲透系統(tǒng)的實際產(chǎn)水電導率；

ECp0——反滲透系統(tǒng)的實際進水電導率。

3 實際應用

在一個運行周期內(nèi)，由于原水溫度和電導率的變化，反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量和運行壓力也隨之變化。為了能夠準確把握反滲透系統(tǒng)的運行狀況，對其運行參數(shù)進行標準化分析，消除反滲透系統(tǒng)運行溫度對產(chǎn)水量、跨膜壓差和脫鹽率的影響，以反映反滲透系統(tǒng)的真實運行狀況。

3.1 產(chǎn)水量

反滲透系統(tǒng)的運行條件及實際產(chǎn)水量和標準化產(chǎn)水量見表1。

表1 反滲透系統(tǒng)的運行條件及實際產(chǎn)水量和標準化產(chǎn)水量

反滲透系統(tǒng)的實際產(chǎn)水量和標準化產(chǎn)水量的變化情況如圖1所示。

圖1 反滲透系統(tǒng)實際產(chǎn)水量和標準化產(chǎn)水量的變化情況

由圖1可見，隨著反滲透系統(tǒng)運行時間的延長，實際產(chǎn)水量基本保持不變，而標準化產(chǎn)水量逐漸下降。實際產(chǎn)水量基本保持不變是由于反滲透系統(tǒng)采取恒流量運行模式，在反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量下降的情況下，通過調(diào)整變頻泵的頻率，提高反滲透系統(tǒng)的進水壓力，保證產(chǎn)水流量和濃水流量恒定不變。標準化產(chǎn)水量逐漸下降表明，反滲透系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生污堵，當標準化產(chǎn)水量下降嚴重時應及時對反滲透系統(tǒng)進行化學清洗，以防止反滲透膜元件的性能進一步惡化。

3.2 跨膜壓差

反滲透系統(tǒng)的運行條件及實際跨膜壓差和標準化跨膜壓差見表2。

表2 反滲透系統(tǒng)的運行條件及實際跨膜壓差和標準化跨膜壓差

反滲透系統(tǒng)的實際跨膜壓差和標準化跨膜壓差的變化情況如圖2所示。

圖2 反滲透系統(tǒng)的實際跨膜和標準化跨膜壓差變化情況

由圖2可見，隨著反滲透系統(tǒng)運行時間的延長，實際跨膜壓差和標準化跨膜壓差都在不斷升高，說明反滲透系統(tǒng)發(fā)生了污堵情況，其反滲透膜元件的性能在不斷下降，因此，需根據(jù)標準化壓差增長情況，及時對反滲透系統(tǒng)進行化學清洗，以恢復反滲透膜元件的性能，保證反滲透系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3.3 脫鹽率

生產(chǎn)廠商提供的反滲透膜元件性能標準為，當使用年限小于3 年時，其脫鹽率不小于97%；當使用年限為3～5 年時，其脫鹽率不小于95%。生產(chǎn)過程中反滲透系統(tǒng)的運行條件及實際脫鹽率和標準化脫鹽率見表3。

表3 反滲透系統(tǒng)的運行條件及實際脫鹽率和標準化脫鹽率

反滲透系統(tǒng)的實際脫鹽率和標準化脫鹽率的變化情況如圖3所示。

由圖3可見，隨著反滲透系統(tǒng)運行周期的延長，反滲透膜的實際脫鹽率逐年降低，但具有一定的規(guī)律性，而且符合廠商提供的反滲透膜元件性能標準，說明反滲透膜元件沒有產(chǎn)生異常損傷，屬于正常的性能衰減。在生產(chǎn)過程中需做好反滲透系統(tǒng)日常運行數(shù)據(jù)的記錄，并定期進行數(shù)據(jù)分析，才能判斷反滲透膜元件性能衰減的趨勢以及損壞情況，并有計劃地更換反滲透膜元件，以保證反滲透系統(tǒng)的正常運行。

圖3 反滲透系統(tǒng)的實際和標準化脫鹽率的變化情況

4 結(jié)語

由于受多種因素的影響，反滲透系統(tǒng)的運行參數(shù)會產(chǎn)生實時、動態(tài)的變化，需通過對運行參數(shù)進行標準化來判斷該系統(tǒng)的真實運行狀況。掌握反滲透系統(tǒng)是否運行正常，有助于反滲透系統(tǒng)的故障排除。反滲透系統(tǒng)運行參數(shù)標準化的目的是為了監(jiān)測反滲透系統(tǒng)膜元件性能的變化趨勢，有效評價反滲透系統(tǒng)的運行狀況，保證反滲透系統(tǒng)的正常運行。