反渗透系统均衡通量工艺

摘要:论述了反渗透系统中膜通量分布失衡的主要原因,探讨了均衡通量的三种工艺,分析了三种工艺的特征、功用及对系统性能的影响,为反渗透系统优化设计及运行提供了依据。

关键词:反渗透系统 膜通量分布 膜品种配置 段间加压 淡水背压

近10年来反渗透技术以其低成本、低能耗、易操作、少占地等诸多优势,在工业及市政水处理领域得到了广泛地应用与迅速地普及,在水处理技术市场中占有很大的份额.随着反渗透技术应用范围与系统规模的日益扩大,系统的节能、节水等多项系统设计与运行问题日显突出,其中膜系统通量均衡分布即为系统设计与运行领域中的典型问题之一.

反渗透系统中膜元件的排列一般为锥形分段串并联方式,且各段等长.在沿系统流程方向上,由于产水的分流作用,膜两侧压力差(delP)逐步下降;由于水中盐分的浓缩,膜两侧渗透压差(delPosm)逐步增大;膜两侧的净驱动压力(NDP)及膜产水通量(Q)不断下降,从而产生膜通量分布不均衡现象.如以A表示膜的水透过系数,则系统流程中第i支膜元件的产水通量可表示为

  系统的膜通量分布除遵循上述必然规律外,还与系统运行工况密切相关.膜元件平均水产量、膜性能衰减情况等诸多因素均对系统膜通量的分布造成不同程度的影响,其中系统给水温度、给水含盐量、系统流程长度及膜元件品种构成影响膜通量分布的主要因素.图1示出反渗透系统中不同流程位置上膜通量分布曲线及各主要影响因素对通量分布的作用.

膜通量沿流程方向的不断下降,对于系统运行同时存在着利和弊两个方面的情况.一方面给/浓水被逐步浓缩,污染物浓度逐步升高,系统后端膜通量的降低有利于系统中膜污染程度的均衡;另一方面系统首末端通量差异过大,前端膜元件在高驱动压力、高通量条件下运行,膜元件污堵速度快,后端膜元件在低驱动压力、低通量条件下运行,膜元件不能充分发挥其作用.故对系统运行来说,有必要使系统中膜通量保持一定的梯度,使系统运行处于优化状态.

  不同的给水条件存在着不同的最佳通量分布.对于二级系统而言,给水水质上佳,流程中膜通量应尽量均衡;以井水为水源的系统,给水水质略差,流程中膜通量应保持一定梯度;以地表水为水源的系统,给水水质更差,流程中膜通量梯度则应保持更高水平.

在系统设计与运行领域中,克服通量分布极端不均衡现象可以采取一系列措施,其中主要包括膜品种配置、段间加压、淡水背压三大工艺.笔者将逐一分析此三大工艺的特征、功用与适用范围,从而为反渗透系统的设计与运行提供有力的参考.由于量化最佳膜通量梯度存在相当难度,因此在分析过程中仅以均衡通量为目标,该目标下得到的结论可作为不同通量梯度工况的参考依据.

如图l所示,高压膜构成的系统(见图l中的基本工况曲线)与低压膜构成的系统(见图l中的低压膜品种曲线)相比,膜通量曲线较为平滑.直至20世纪90年代初,以醋酸纤维素或高工作压力的聚酰胺膜为主,系统工作压力约为1.5~2.5 MPa,膜通量失衡问题并不明显.1995年前后国际上各大膜厂商分别推出工作压力约为l MPa的节能型低压膜,特别是近年来如海德能等公司推出了工作压力约为0.7MPa的超低压膜,使膜通量失衡问题越加突出.

膜工作压力的降低,大大降低了反渗透系统的操作压力,明显地降低了能耗,节省了设备投资,极大地促进了反渗透技术的推广应用.与此同时,膜系统中膜通量失衡问题也越发明显,而且水处理工程界对此现象尚未给予足够的重视,未能采取相应措施予以克服.以数据形式明确超低压膜系统通量失衡的严重性也是本研究的目的之一.

1 元件性能比较

  笔者以海德能公司的ESPA膜(Energy Saving PolyAmide)作为依据进行均衡通量的相应分析.ESPA膜是一种节能型聚酰胺复合膜,与高压的CPA2聚酰胺复合膜相比,在获得同等产水通量条件下,需要的工作压力更低.ESPA膜系列又可分为ESPAl、ESPA2、ES、PA3、ESPA4四个品种,各品种工作压力又有不同.

膜产品技术手册中,给出了不同给水含盐量及不同测试压力下的膜的测试参数.不同测试条件尽管暗示了不同膜品种元件的工作条件,同时也淡化了各膜品种间的参数差异.表l给出海德能ESPA-4040系列膜品种在相同的进水压力、进水温度与回收率计算条件下的计算参数指标.

如表l所示,在同一压力下,产水通量各不相同.反过来说,若相同的产水量,膜品种不同所需压力也各不相同,所需压力从高到低排列为ESPA2、ESPAl、ESPA3、ESPA4.

ESPA膜品种所需系统给水压力低,在某些运行条件下,系统浓水压力值接近浓水渗透压力值,使得系统的纯驱动压力产生很大的梯度,即进水端NDP很高,出水端NDP很低.膜通量分布不均衡问题更突出.笔者固定了膜型号(以ESPA2-4040、ESPAl-4040膜品种为例),分别对单段、两段反渗透系统采用3种通量均衡工艺进行讨论.

2 单段系统膜通量均衡工艺

  系统采用同一膜品种时,随着流程增长,膜通量下降.由于在同一压力下,膜品种不同,通量不同,故可以在沿系统流程的适当位置处更换膜品种,使其在进水压力不变情况下,提高或降低该流程处的膜通量,使系统前端通量降低或是使系统后端膜通量提高,以达到整个系统通量均衡的目的.以系统膜品种更换所对应的首支膜元件的通量的偏离度((系统首端第一支膜元件通量-膜品种更换后的第一支膜元件通量)/系统首端第一支膜元件通量)接近于0%,作为系统优选的膜品种配置方式.图2给出了一级一段6支膜6 m长系统的不同运行工况对膜品种配置的断点位置的影响.

  如图2所示,图中横坐标中“2222ll”表示系统前4支膜采用ESPA2-4040,后两支膜采用ESPAl-4040,这种膜品种配置方式比同一品种的膜排列方式可以均衡系统通量.随着系统中各膜品种所占比率不同,系统通量的偏离度也不同.系统运行工况变化时,膜品种配置的断点位置也随之变化.不同的运行工况,对应不同的膜品种配置方式.进水含盐量、进水温度的变化,对系统膜品种配置断点位置的影响较大.相比较而言,运行年数、单支膜产量的变化,对系统膜品种配置断点位置的影响较小,且随着进水含盐量的升高,或者进水温度的上升,系统膜品种配置断点位置前移,即低压膜品种所占比率增加.随着运行年数或单支膜产量的增加,系统膜品种配置断点位置后移,即低压膜品种所占比率减少.

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