反渗透系统倒向运行工艺的技术特点

2022-05-20苑宏英靖大为

天津城建大学学报 2022年2期

程峰，员建，苑宏英，靖大为

（天津城建大学环境与市政工程学院，天津 300384）

传统反渗透系统的工艺结构为首端设给水泵而末端设浓水阀，工艺给水与浓水始终是从系统首端流向系统末端，故统称为“定向运行”工艺.

反渗透系统设计与运行的三个重要指标是运行通量、系统收率与污染速度.高运行通量可减少系统的元件数量及管路等附属设备，大幅降低系统投资，系统能耗即运行成本稍有增加.高系统收率可使给水流量与浓水流量减少，即减少预处理系统的投资与运行费，也减少资源消耗及环境污染.低污染速度可提高系统运行的稳定性，降低系统清洗与换膜成本[1].

长期以来，反渗透系统定向运行工艺在预处理、阻垢剂、元件结构及制膜材料等方面进行了相应的改进，以提高系统运行通量和系统收率，降低污染速度，减缓系统膜污染.强化预处理可除去进水中悬浮物、有机物、胶体物质、微生物、细菌及某些有害物质，抑制系统的有机污染.投加阻垢剂的作用是阻止超饱和盐分在膜表面的析出沉淀，防治系统无机污染.元件结构及制膜材料的改进可提高系统抗污染性能.张学旭通过调整清洗方式、酸洗药剂、碱洗药剂等方式，有效降低了膜污染，延长了反渗透系统的运行周期[2].H.Huang 等采用磁性离子交换树脂-超滤、磁性离子交换树脂-混凝-超滤对反渗透进水进行了预处理，减缓了反渗透膜的有机污染[3].综合而言，上述措施在防治膜污染方面具有积极的作用，但系统收率有限，基本维持在75%[4].

以色列魏兹曼研究院（Weizmann Institute of Science，WIS）开发了反渗透“倒向运行”工艺，即给水、浓水径流方向倒向，对管路结构和阀控方式进行改造，用于高污染给水的净化处理，具有系统收率高（90%）、运行通量大（段通量比为2.59）、浓水流量小、药剂用量少、自动清污等诸多优势.国内某公司采用了以色列AST 公司的反渗透倒向运行技术，产水率达到了90%以上[5].近年来相关专利申请数量亦逐年增加[6-9]，涉及提高膜元件使用寿命、降低阻垢剂用量、减缓膜污染等技术措施.本文旨在较为完整地介绍与分析反渗透系统“倒向运行”的工艺结构及其技术特点，以利反渗透倒向运行技术在国内的推广应用.

1 定向运行工艺

反渗透系统定向运行工艺一般包括预处理装置、增压泵、反渗透膜、水箱.

1.1 系统收率的影响

表1 是运用海德能公司设计的相关软件，计算得到的某定向运行工艺（8-4/6 结构）不同收率下的运行参数.由表1 可以看出：

表1 定向运行8-4/6 结构系统不同收率下的运行参数

（1）随着系统收率的提高，产水盐量、浓差极化度、段通量比、浓水pH 值与浓水朗格利尔指数等难溶盐结垢趋势均相应提高（系统给水中含有特定的碳酸钙浓度），末段膜壳浓水流量下降.

（2）当系统收率超过75%时，浓差极化度、末段膜壳浓水流量、朗格利尔指数3 项参数均不能同时满足要求，表明可能加速系统污染[8].根据海德能的《反渗透和纳滤膜产品技术手册》与IMSDesign 设计软件的运行要求，浓差极化度上限为1.2，末段膜壳浓水流量下限为2.7 m3/h，投加适量阻垢剂后的朗格利尔指数上限为1.8[8].

（3）随系统收率的增加，浓水pH 值升高，表明浓水中各类难溶盐的饱和度上升，将加速系统无机污染.

（4）提高系统收率，给水流量降低，系统能耗随之下降[10]；当系统收率大于85%，浓水含盐量过高，系统工作压力快速上升，将导致系统能耗上升.

综上可知，反渗透系统定向运行工艺产水率有限，系统收率不大于75%时，运行参数较为稳定.提高系统收率将使浓差极化度增大、末段膜壳浓水流量减小、pH 值升高，加速系统的无机污染.

1.2 工艺结构的影响

依据海德能公司的IMSDesign 设计软件进行计算，给出了某定向运行工艺8-4/6 的12 m 流程（以下简称短流程）结构和6-3/8 的16 m 流程（以下简称长流程）结构，基于相同运行通量及同元件数量（72 支元件）的初始条件下，不同系统收率下的运行参数，见表2 所示.容易看出，无论系统收率高低，长流程工艺的浓差极化度低于短流程工艺，而末段膜壳浓水流量高于短流程工艺，不易形成膜污染.此外，长流程结构意味着增加膜壳长度且膜壳数量减少[11]，降低了膜壳成本和系统管道成本，节约了系统设备的投资费用.

表2 不同系统收率下定向运行工艺结构运行参数

因此，就防治系统污染和经济角度而言，定向运行工艺宜采用长流程结构，因其段通量比较大，需设置段间加压工艺以平衡系统的首末段通量.

1.3 系统污染特征

由于定向运行系统首末两段及元件前后两端的错流比前高后低，导致：

（1）浓差极化度前低后高，进一步促成了系统末段及元件后端的有机污染加重.

（2）高污染给水中的有机物还将使系统首端受到严重污染[12].

图1 为同时发生有机与无机污染时，2-1/6 结构系统沿12 m 流程各位置膜元件的污染物质量分布示意图.由于定向运行系统的元件给水、浓水始终处于固定不变径流方向，以及浓水菱形（或方形）隔网造成固定不变的涡流形态，元件膜表面将逐渐形成鱼鳞状污染[13]（见图2）.当给水、浓水径流遇到隔网的阻挡时，将形成对网前膜表面的有效冲刷，使其不易形成污染物的沉积；当给水、浓水径流刚越过隔网时，将在该处形成涡流，因涡流处流速较低，易于在网后形成污染物的沉积.此外，较高运行通量与较少阻垢剂投加量，均将加速系统的污染速度[14].

总之，长期以来国内外反渗透系统受传统的“定向运行”工艺的束缚，大多维持约12 m 流程长度、18 L/（m2·h）运行通量、约75%系统收率，承受着较快的污染速度即较高频率的清洗与换膜周期.“倒向运行”工艺将有效改善这一现象.

2 倒向运行工艺及技术特点

2.1 反渗透系统倒向运行技术原理

根据水化学原理，各类难溶盐在过饱和后的析出结垢，需要两个阶段[15]：①从晶核形成及晶核生长的时间；②有机滤饼在膜表面的形成时间.

无论是系统或元件，因为给水侧流速大于浓水侧，给水侧错流比大于浓水侧，给水侧浓差极化度低于浓水侧，特别是给水侧的pH 值低于浓水侧，如果及时实现给水与浓水径流的倒向，则正在形成的有机与无机污染将被冲洗与溶解，使其不能形成有效污染.

提高系统收率的主要障碍是难溶盐与有机物的污染，以及一系列运行指标的恶化.膜元件的卷式结构使膜元件的给水、浓水径流本无特定方向，其实际流向仅决定于元件端板处浓水V 形胶圈的开口方向（其开口应朝着给水来向）；膜壳结构形式也没有给水浓水径流的特定流向.

因此，如将传统的给水、浓水的“定向运行”模式，改为新型的“倒向运行”模式，则会使有机与无机污染得到自动且及时地清除.倒向运行的反复污染和及时清污的运行模式，类似于内压超微滤的倒向流工艺及电渗析的频繁倒极工艺.

2.2 倒向运行工艺结构

反渗透系统一般为首末两段结构[16]，首末段膜壳数量一般为2 ∶1，倒向工艺中首末段膜壳的倒置不能一次性完成，而只能采用所谓分步倒向方式.分步倒向方式过程中的第一、二、三步循环往复，从而完成一个倒向周期（见图3）：

第一步中膜壳1 与2 为第一段（膜壳1 倒向），膜壳3 为第二段（膜壳3 倒向）.

第二步中膜壳1 与3 为第一段（膜壳3 倒向），膜壳2 为第二段（膜壳2 倒向）.

第三步中膜壳2 与3 为第一段（膜壳2 倒向），膜壳1 为第二段（膜壳1 倒向）.

在一个倒向周期内，每只膜壳均倒向两次并分别作第一段两次，作第二段一次.

为实现2 ∶1 排列膜壳的给水、浓水循环倒向，需在每只膜壳的给水泵端设置两个阀门，直路的一个作给水阀用，旁路的一个作浓水阀用.为实现2-1 排列膜壳段间加压时的循环倒向，需要每只膜壳的段间泵端设置两个阀门，直路的一个作给水阀用，旁路的一个作浓水阀用.每一步的各阀门开闭状态为：

第一步：A、B、F、I、J、K 开，C、D、E、G、H、L 闭.

第二步：A、C、E、H、J、L 开，B、D、F、G、I、K 闭.

第三步：B、C、D、G、K、L 开，A、E、F、H、I、J 闭.

对于大规模系统，膜壳1、2、3 将分别代表3 个膜壳组，12 个阀门也分别针对各膜壳组进行设置与动作.给水泵、段间泵与各阀门可用PLC 控制器进行联动控制，即可使系统完成倒向运行，而倒向的频率决定于系统的污染速度.

若在元件给水与浓水两侧端板处反向各安装一个浓水V 形胶圈（届时的装卸阻力略大），或改造浓水胶圈结构使其能够双向阻水；或在膜壳给水与浓水两侧反向各安装一个止退环；再结合改造系统的给水与浓水的管路结构与阀控方式，可以实现系统首末段换位的同时，实现各膜壳中元件给水、浓水径流的倒向，即按照固定时间周期或检测到系统污染达到一定程度时，进行系统给水、浓水的倒向运行.