反滲透系統(tǒng)倒向運行工藝的技術(shù)特點

程 峰，員 建，苑宏英，靖大為

（天津城建大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384）

傳統(tǒng)反滲透系統(tǒng)的工藝結(jié)構(gòu)為首端設(shè)給水泵而末端設(shè)濃水閥，工藝給水與濃水始終是從系統(tǒng)首端流向系統(tǒng)末端，故統(tǒng)稱為“定向運行”工藝.

反滲透系統(tǒng)設(shè)計與運行的三個重要指標(biāo)是運行通量、系統(tǒng)收率與污染速度.高運行通量可減少系統(tǒng)的元件數(shù)量及管路等附屬設(shè)備，大幅降低系統(tǒng)投資，系統(tǒng)能耗即運行成本稍有增加.高系統(tǒng)收率可使給水流量與濃水流量減少，即減少預(yù)處理系統(tǒng)的投資與運行費，也減少資源消耗及環(huán)境污染.低污染速度可提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)清洗與換膜成本[1].

長期以來，反滲透系統(tǒng)定向運行工藝在預(yù)處理、阻垢劑、元件結(jié)構(gòu)及制膜材料等方面進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，以提高系統(tǒng)運行通量和系統(tǒng)收率，降低污染速度，減緩系統(tǒng)膜污染.強(qiáng)化預(yù)處理可除去進(jìn)水中懸浮物、有機(jī)物、膠體物質(zhì)、微生物、細(xì)菌及某些有害物質(zhì)，抑制系統(tǒng)的有機(jī)污染.投加阻垢劑的作用是阻止超飽和鹽分在膜表面的析出沉淀，防治系統(tǒng)無機(jī)污染.元件結(jié)構(gòu)及制膜材料的改進(jìn)可提高系統(tǒng)抗污染性能.張學(xué)旭通過調(diào)整清洗方式、酸洗藥劑、堿洗藥劑等方式，有效降低了膜污染，延長了反滲透系統(tǒng)的運行周期[2].H.Huang 等采用磁性離子交換樹脂-超濾、磁性離子交換樹脂-混凝-超濾對反滲透進(jìn)水進(jìn)行了預(yù)處理，減緩了反滲透膜的有機(jī)污染[3].綜合而言，上述措施在防治膜污染方面具有積極的作用，但系統(tǒng)收率有限，基本維持在75%[4].

以色列魏茲曼研究院（Weizmann Institute of Science，WIS）開發(fā)了反滲透“倒向運行”工藝，即給水、濃水徑流方向倒向，對管路結(jié)構(gòu)和閥控方式進(jìn)行改造，用于高污染給水的凈化處理，具有系統(tǒng)收率高（90%）、運行通量大（段通量比為2.59）、濃水流量小、藥劑用量少、自動清污等諸多優(yōu)勢.國內(nèi)某公司采用了以色列AST 公司的反滲透倒向運行技術(shù)，產(chǎn)水率達(dá)到了90%以上[5].近年來相關(guān)專利申請數(shù)量亦逐年增加[6-9]，涉及提高膜元件使用壽命、降低阻垢劑用量、減緩膜污染等技術(shù)措施.本文旨在較為完整地介紹與分析反滲透系統(tǒng)“倒向運行”的工藝結(jié)構(gòu)及其技術(shù)特點，以利反滲透倒向運行技術(shù)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用.

1 定向運行工藝

反滲透系統(tǒng)定向運行工藝一般包括預(yù)處理裝置、增壓泵、反滲透膜、水箱.

1.1 系統(tǒng)收率的影響

表1 是運用海德能公司設(shè)計的相關(guān)軟件，計算得到的某定向運行工藝（8-4/6 結(jié)構(gòu)）不同收率下的運行參數(shù).由表1 可以看出：

表1 定向運行8-4/6 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不同收率下的運行參數(shù)

（1）隨著系統(tǒng)收率的提高，產(chǎn)水鹽量、濃差極化度、段通量比、濃水pH 值與濃水朗格利爾指數(shù)等難溶鹽結(jié)垢趨勢均相應(yīng)提高（系統(tǒng)給水中含有特定的碳酸鈣濃度），末段膜殼濃水流量下降.

（2）當(dāng)系統(tǒng)收率超過75%時，濃差極化度、末段膜殼濃水流量、朗格利爾指數(shù)3 項參數(shù)均不能同時滿足要求，表明可能加速系統(tǒng)污染[8].根據(jù)海德能的《反滲透和納濾膜產(chǎn)品技術(shù)手冊》與IMSDesign 設(shè)計軟件的運行要求，濃差極化度上限為1.2，末段膜殼濃水流量下限為2.7 m3/h，投加適量阻垢劑后的朗格利爾指數(shù)上限為1.8[8].

（3）隨系統(tǒng)收率的增加，濃水pH 值升高，表明濃水中各類難溶鹽的飽和度上升，將加速系統(tǒng)無機(jī)污染.

（4）提高系統(tǒng)收率，給水流量降低，系統(tǒng)能耗隨之下降[10]；當(dāng)系統(tǒng)收率大于85%，濃水含鹽量過高，系統(tǒng)工作壓力快速上升，將導(dǎo)致系統(tǒng)能耗上升.

綜上可知，反滲透系統(tǒng)定向運行工藝產(chǎn)水率有限，系統(tǒng)收率不大于75%時，運行參數(shù)較為穩(wěn)定.提高系統(tǒng)收率將使?jié)獠顦O化度增大、末段膜殼濃水流量減小、pH 值升高，加速系統(tǒng)的無機(jī)污染.

1.2 工藝結(jié)構(gòu)的影響

依據(jù)海德能公司的IMSDesign 設(shè)計軟件進(jìn)行計算，給出了某定向運行工藝8-4/6 的12 m 流程（以下簡稱短流程）結(jié)構(gòu)和6-3/8 的16 m 流程（以下簡稱長流程）結(jié)構(gòu)，基于相同運行通量及同元件數(shù)量（72 支元件）的初始條件下，不同系統(tǒng)收率下的運行參數(shù)，見表2 所示.容易看出，無論系統(tǒng)收率高低，長流程工藝的濃差極化度低于短流程工藝，而末段膜殼濃水流量高于短流程工藝，不易形成膜污染.此外，長流程結(jié)構(gòu)意味著增加膜殼長度且膜殼數(shù)量減少[11]，降低了膜殼成本和系統(tǒng)管道成本，節(jié)約了系統(tǒng)設(shè)備的投資費用.

表2 不同系統(tǒng)收率下定向運行工藝結(jié)構(gòu)運行參數(shù)

因此，就防治系統(tǒng)污染和經(jīng)濟(jì)角度而言，定向運行工藝宜采用長流程結(jié)構(gòu)，因其段通量比較大，需設(shè)置段間加壓工藝以平衡系統(tǒng)的首末段通量.

1.3 系統(tǒng)污染特征

由于定向運行系統(tǒng)首末兩段及元件前后兩端的錯流比前高后低，導(dǎo)致：

（1）濃差極化度前低后高，進(jìn)一步促成了系統(tǒng)末段及元件后端的有機(jī)污染加重.

（2）高污染給水中的有機(jī)物還將使系統(tǒng)首端受到嚴(yán)重污染[12].

圖1 為同時發(fā)生有機(jī)與無機(jī)污染時，2-1/6 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)沿12 m 流程各位置膜元件的污染物質(zhì)量分布示意圖.由于定向運行系統(tǒng)的元件給水、濃水始終處于固定不變徑流方向，以及濃水菱形（或方形）隔網(wǎng)造成固定不變的渦流形態(tài)，元件膜表面將逐漸形成魚鱗狀污染[13]（見圖2）.當(dāng)給水、濃水徑流遇到隔網(wǎng)的阻擋時，將形成對網(wǎng)前膜表面的有效沖刷，使其不易形成污染物的沉積；當(dāng)給水、濃水徑流剛越過隔網(wǎng)時，將在該處形成渦流，因渦流處流速較低，易于在網(wǎng)后形成污染物的沉積.此外，較高運行通量與較少阻垢劑投加量，均將加速系統(tǒng)的污染速度[14].

總之，長期以來國內(nèi)外反滲透系統(tǒng)受傳統(tǒng)的“定向運行”工藝的束縛，大多維持約12 m 流程長度、18 L/（m2·h）運行通量、約75%系統(tǒng)收率，承受著較快的污染速度即較高頻率的清洗與換膜周期.“倒向運行”工藝將有效改善這一現(xiàn)象.

2 倒向運行工藝及技術(shù)特點

2.1 反滲透系統(tǒng)倒向運行技術(shù)原理

根據(jù)水化學(xué)原理，各類難溶鹽在過飽和后的析出結(jié)垢，需要兩個階段[15]：①從晶核形成及晶核生長的時間；②有機(jī)濾餅在膜表面的形成時間.

無論是系統(tǒng)或元件，因為給水側(cè)流速大于濃水側(cè)，給水側(cè)錯流比大于濃水側(cè)，給水側(cè)濃差極化度低于濃水側(cè)，特別是給水側(cè)的pH 值低于濃水側(cè)，如果及時實現(xiàn)給水與濃水徑流的倒向，則正在形成的有機(jī)與無機(jī)污染將被沖洗與溶解，使其不能形成有效污染.

提高系統(tǒng)收率的主要障礙是難溶鹽與有機(jī)物的污染，以及一系列運行指標(biāo)的惡化.膜元件的卷式結(jié)構(gòu)使膜元件的給水、濃水徑流本無特定方向，其實際流向僅決定于元件端板處濃水V 形膠圈的開口方向（其開口應(yīng)朝著給水來向）；膜殼結(jié)構(gòu)形式也沒有給水濃水徑流的特定流向.

因此，如將傳統(tǒng)的給水、濃水的“定向運行”模式，改為新型的“倒向運行”模式，則會使有機(jī)與無機(jī)污染得到自動且及時地清除.倒向運行的反復(fù)污染和及時清污的運行模式，類似于內(nèi)壓超微濾的倒向流工藝及電滲析的頻繁倒極工藝.

2.2 倒向運行工藝結(jié)構(gòu)

反滲透系統(tǒng)一般為首末兩段結(jié)構(gòu)[16]，首末段膜殼數(shù)量一般為2 ∶1，倒向工藝中首末段膜殼的倒置不能一次性完成，而只能采用所謂分步倒向方式.分步倒向方式過程中的第一、二、三步循環(huán)往復(fù)，從而完成一個倒向周期（見圖3）：

第一步中膜殼1 與2 為第一段（膜殼1 倒向），膜殼3 為第二段（膜殼3 倒向）.

第二步中膜殼1 與3 為第一段（膜殼3 倒向），膜殼2 為第二段（膜殼2 倒向）.

第三步中膜殼2 與3 為第一段（膜殼2 倒向），膜殼1 為第二段（膜殼1 倒向）.

在一個倒向周期內(nèi)，每只膜殼均倒向兩次并分別作第一段兩次，作第二段一次.

為實現(xiàn)2 ∶1 排列膜殼的給水、濃水循環(huán)倒向，需在每只膜殼的給水泵端設(shè)置兩個閥門，直路的一個作給水閥用，旁路的一個作濃水閥用.為實現(xiàn)2-1 排列膜殼段間加壓時的循環(huán)倒向，需要每只膜殼的段間泵端設(shè)置兩個閥門，直路的一個作給水閥用，旁路的一個作濃水閥用.每一步的各閥門開閉狀態(tài)為：

第一步：A、B、F、I、J、K 開，C、D、E、G、H、L 閉.

第二步：A、C、E、H、J、L 開，B、D、F、G、I、K 閉.

第三步：B、C、D、G、K、L 開，A、E、F、H、I、J 閉.

對于大規(guī)模系統(tǒng)，膜殼1、2、3 將分別代表3 個膜殼組，12 個閥門也分別針對各膜殼組進(jìn)行設(shè)置與動作.給水泵、段間泵與各閥門可用PLC 控制器進(jìn)行聯(lián)動控制，即可使系統(tǒng)完成倒向運行，而倒向的頻率決定于系統(tǒng)的污染速度.

若在元件給水與濃水兩側(cè)端板處反向各安裝一個濃水V 形膠圈（屆時的裝卸阻力略大），或改造濃水膠圈結(jié)構(gòu)使其能夠雙向阻水；或在膜殼給水與濃水兩側(cè)反向各安裝一個止退環(huán)；再結(jié)合改造系統(tǒng)的給水與濃水的管路結(jié)構(gòu)與閥控方式，可以實現(xiàn)系統(tǒng)首末段換位的同時，實現(xiàn)各膜殼中元件給水、濃水徑流的倒向，即按照固定時間周期或檢測到系統(tǒng)污染達(dá)到一定程度時，進(jìn)行系統(tǒng)給水、濃水的倒向運行.

2.3 倒向運行工藝技術(shù)優(yōu)勢

由于倒向運行方式可及時清除系統(tǒng)中的有機(jī)與無機(jī)污染，系統(tǒng)可以承受更高運行負(fù)荷或更高污染速度，即可采用90%的系統(tǒng)收率（更長的系統(tǒng)流程）、更高運行通量（更大的段間加壓）、更少的阻垢劑投加量（相應(yīng)的管路結(jié)構(gòu)改造）.

實際工程經(jīng)驗表明，倒向運行的系統(tǒng)收率可提高至90%以上，系統(tǒng)的清洗周期可由約3 個月延長至6～9 個月，減少阻垢劑投加量20%～30%，延長膜元件壽命2～3 a[17].

提高系統(tǒng)收率即可降低系統(tǒng)的運行成本，提高運行通量即可降低系統(tǒng)的投資成本，因此倒向運行工藝可大幅提高反滲透工藝技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益.

3 結(jié)論

（1）反滲透系統(tǒng)的定向運行模式存在收率較低（約75%）、段通量比低及污染較快等缺點.

（2）倒向運行在技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益上優(yōu)于定向運行.倒向運行通過改造安裝膠圈、止退環(huán)及管路結(jié)構(gòu)和閥控方式可以實現(xiàn)給水、濃水倒向，可使系統(tǒng)收率在90%以上，運行通量更大、阻垢劑投加量更少，從而降低成本.