反滲透工藝過程設計

1、關于反滲透工藝過程設計第1頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四反滲透工藝過程設計預處理工藝設計反滲透膜元件的組裝數量設計案例分析第2頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四反滲透壓力水流方向水流方向半透膜濃溶液稀溶液 滲透第一節(jié) 反滲透技術基本原理氫鍵優(yōu)先吸附溶解擴散第3頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四反滲透膜元件：組成工藝流程的最小單位進水離子濃水產水 水流高壓泵濃水產品水進水反滲透基本流程第4頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四工藝過程設計工藝流程及特征方程分段式工藝流程分級式工藝流程膜分離處理工藝中段和級概念

2、的區(qū)分第5頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四基本公式回收率 (%) =鹽透過率 (%) =脫鹽率(%) = 100 鹽透過率()產水流量進水流量x 100產水含鹽量進水含鹽量x 100第6頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四第二節(jié) 膜的基本性能化學穩(wěn)定性和分離透過特性膜的物化穩(wěn)定性的主要指標有：膜材料、膜允許使用的最高壓力、溫度范圍、適用的pH值范圍以及對有機溶劑等化學藥品的抵抗性，有時尚需說明對某些物質，如水中游離氯或氧化性物質的最高允許濃度。膜的分離透過性的主要指標是：脫鹽率、產水率。第7頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四1.

3、 膜性能表示法Qw=Kw(P-)A/T式中：Qw產水量Kw系數P膜兩側的壓差滲透壓 A 膜面積T 膜厚度 Kw與膜性質及水溫有關，Kw越大，說明膜的透水性能越好。對于一張給定的膜，可以推導出產水量的計算公式：第8頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四鹽透過量的計算公式：Qs=Ks*C*A/T式中：Qs鹽透過量 Ks系數c膜兩側鹽濃度差A 膜面積T 膜厚度 Ks與膜性質、鹽的種類及水溫有關，Ks越小，說明膜的脫鹽性能越好。第9頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四從以上兩式可以看出，對膜來說Kw大Ks小則膜質量較好。相同面積和厚度的產水量與凈驅動壓力成正比，鹽

4、透過量只與膜兩側溶液濃度成正比，而與壓力無關。Qw=Kw(P-)A/TQs=Ks*C*A/T第10頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四2.反滲透膜的化學材料醋酸纖維膜CA芳香聚酰胺復合膜CPA第11頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四醋酸纖維素膜CA 從化學上講，醋酸纖維素膜是一種羥基聚合物，它一般是用纖維素經酯化生成三醋酸纖維，再經過二次水解成一、二、三醋酸纖維的混和物。作為膜材料的醋酸纖維素中的乙?；吭礁?，脫鹽性能越好，但產水量越小。 耐污染，用于污染密度指數（SDI）較高的地方 醋酸纖維是一種酯類，會發(fā)生水解，水解的結果將降低乙酰基的含量，使膜

5、的性能受到損害，同時膜也更易受到生物的侵襲。 醋酸纖維素膜的水解還與pH值有關。為增加膜的使用壽命，一般控制原水的pH在5-6之間。第12頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四芳香聚酰胺復合膜CPA 從結構來講，復合膜是若干層薄皮的復合體，此膜的最大特點是抗壓實性較高、透水率較大和鹽透率較小。通量高，脫鹽率高，操作壓力低，耐生物降解，操作pH范圍寬（2-11）不易水解，脫有機物都較好，但不耐游離氯，易受到Fe、Al和陽離子絮凝劑的污染，污染速度較快。 第13頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四復合膜與醋酸纖維膜的性能比較復合膜的化學穩(wěn)定性較好，而醋酸纖維膜

6、將會發(fā)生水解。復合膜的生物穩(wěn)定性好，復合膜不受生物侵襲，而醋酸纖維膜易受微生物的侵襲。復合膜的輸性能好。即Kw大而KS小。復合膜在運行中不會被壓緊，因此產水量不隨使用時間改變；而醋酸纖維膜在運行中會被壓緊，因而產水量下降。復合膜的脫鹽率不隨時間而改變；而醋酸纖維膜由于會發(fā)生水解，脫鹽率將會不斷下降。復合膜由于Kw大，其工作壓力低，反滲透給水泵用電量是醋酸纖維膜給水泵用電量的一半。醋酸纖維膜的使用壽命一般僅為3年，而復合膜 的使用壽命大于三年。復合膜的缺點為抗氯性較差，價格較貴。第14頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四3 反滲透膜元件構造第15頁，共60頁，2022年，5月

7、20日，2點55分，星期四集水管膜濃水膜透過水原水流道網原水透過水流道網原水膜元件的結構示意圖第16頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四反滲透卷制圖反滲透膜袋濃水網淡水網第17頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四反滲透膜剝面圖膜元件端板給水產水流向(透過膜后)淡水網反滲透膜產水膜封口濃水網產水濃水產水中心管第18頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四無機鹽、糖類、氨基酸、BOD、COD等水、溶劑壓力差脫除溶液中的鹽類及低分子物反滲透蛋白質、各類酶、細菌、病毒、乳膠、微粒子溶劑、離子和小分子壓力差脫除溶液中的膠體、各類大分子超 濾懸浮物、

8、細菌類、微粒子水、溶劑和溶解物壓力差多孔膜、溶液的微濾、脫微粒子微 濾被截留物質透過物質分離驅動力膜的功能膜的種類主要膜分離過程（膜孔尺寸和透過原理有區(qū)別）要去除無機鹽TDS應用OR注：根據不同的需求來選擇處理工藝第19頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四給水V型圈濃水產水膜外殼膜元件4 反滲透組裝圖第20頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四某個CPA反滲透膜元件的進水條件最高使用溫度： 45最大給水濁度： 4.0ppm允許游離氯： 0.1ppmPH范圍： 連續(xù)運行： 3-10 短時運行： 2-11最大給水流量： 17.0m3/h給水最大SDI值： 4.

9、0單個膜元件回收率：15%*根據進水要求來合理安排RO的預處理系統(tǒng)第三節(jié) 預處理工藝設計第21頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四各項進水指標對設備安全運行的意義1. 余氯2. 鐵（Fe）3. 顆粒物質、SDI和濁度4. 有機物、油和脂5. 細菌6. 阻垢第22頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四1. 余氯醋酸纖維膜要求給水中含有殘余氯，可防止細菌滋生，但含氯量過高會破壞膜，最大允許連續(xù)余氯的含量為1毫克/升。復合膜抗氯性差，一般不允許余氯，采用加氯殺菌后，需加亞硫酸氫鈉或經活性炭過濾消除余氯。使用亞硫酸氫鈉除余氯的反應如下： Na2S2O5+ H2ON

10、aHSO3 NaHSO3+HCLOHCL+NaHSO4 理論上1.34公斤的Na2S2O5可以去除1公斤余氯，但在有溶解氧的情況下，對苦咸水去除1公斤余氯需投加3公斤Na2S2O5。Na2S2O5在干爽條件下儲存，有效期為4-6個月，溶液的有效期與濃度變化有關。溶液濃度（重量%） 2% 10% 20% 30%最長有效期 3天 1星期 1月 6月使用活性炭過濾清除余氯的反應如下：C+2CL2+2H2O4HCL+CO2 第23頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四2. 鐵（Fe）當RO給水在進行氯化及脫氯工程中，或在水中溶解氧含量高于5毫克/升時水中的2價鐵離子轉化為3價鐵離子，

11、生成不溶于水的膠體物質，對反滲透造成污染。即使水中SDI值小于5、鐵離子含量小于0.1毫克/升，仍可能發(fā)生鐵的污染問題。鐵的氧化速度取決于鐵含量、水中的溶解氧濃度和PH值，其關系如下：氧含量（毫克/升） PH 允許鐵含量（毫克/升） 0.5 7.0 0.05降低RO給水中鐵的含量可以采用曝氣-錳砂過濾的方法完成。第24頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四3. 顆粒物質、SDI和濁度 不允許大于5微米的顆粒進入高壓泵及反滲透器，這點必須確保，以免破壞設備。一般在高壓泵前安裝5微米過濾器，再微過濾器前后安裝壓力表，當壓力表超過一定數值后，更換氯芯，通常情況下更換周期為1-3個月

12、，若使用時間小于1個月，則需改善預處理系統(tǒng)，不允許使用帶反洗的微過濾器。 對于不同的原水水源，由于選用的通量不同，要求的SDI值也不一樣，一般要求SDI小于5（越小越好）；濁度應小于0.2NTU（最大允許濁度為1 NTU）。第25頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四水質參數原水錳砂過濾多介質過濾UFRO系統(tǒng)去除率,%數值去除率,%數值去除率,%數值去除率,%數值去除率,%渾濁度,NTU40912.496.971.488.7164.290.5100pH8.648.398.038.338.33CODMn ,mg/L6.465.0122.455.0103.5129.941.196

13、6.1081.58TDS ,mg/L440041805.0040104.0739800.7510597.3697.61NH3-N ,mg/L1.581.514.430.9040.400.855.560.2372.9485.44Cl- ,mg/L1910120037.1711603.3311005.1757.494.7896.99Fe ,mg/L 0.22N.D.100N.D.N.D.N.D.100Mn ,mg/L0.04N.D.100N.D.N.D.N.D.100F- ,mg/L2.251.4037.781.451.71N.D.近100100案例：出水水質（參照國科大水處理項目） 第26頁，共

14、60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四4. 有機物、油和脂水中的有機物對RO膜的影響最為復雜，有些有機物對膜的影響不大，而另一些則可能造成膜的有機物污染。一般來說當水中的TOC含量超過3毫克/升時，即應考慮進行去除，對于地表水應盡量在絮凝劑澄清的過程中去除有機物，還可以采用活性炭過濾進一步降低有機物含量。水中不允許含有油和脂，當油或脂超過0.1毫克/升時，就應采用混凝或使用活性炭過濾器進行去除。第27頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四5. 細菌 由于細菌會以醋酸纖維為食物，因此醋酸膜易受細菌的侵襲，對原水必須徹底殺菌。對于復合膜，雖然不受細菌的侵襲但細菌粘膜會

15、造成膜的污堵，一般可采用加氯殺菌，加氯量要根據需氯量實驗加以確定。氯加入水中發(fā)生以下反應：CL2+H2O=HCLO+H+CL- HCLO= H+CLO- HCLO為次氯酸，CLO-為次氯酸根，由于H+能被水中的堿度中和，最后水中只剩下HCLO和CLO-，兩者在水中所占的百分數主要取決于PH值和水溫 。當PH小于7時，水中的HCLO占75%，CLO-占25%，溫度降低時HCLO所占的比例將增大，在0C時HCLO增加到83%，CLO-減到17%。 對于氯氣的殺菌機理有不同說法，通常的解釋是生成的次氯酸產生殺菌作用。HCLO是個中性分子，可以擴散到帶負電的細菌表面，并穿過細菌的細胞進入細菌內部，HC

16、LO分子進入細胞后由于CL分子的氧化作用破壞了細菌的某種酶系統(tǒng)（酶是一種蛋白質成分的催化劑，細菌的養(yǎng)分要經過它的作用后才能被吸收），最后導致細菌的死亡，而次氯酸根CLO-雖然包括一個氯分子，但它帶負電，不能靠近帶負電的細菌，所以也不能穿過細菌的細胞膜進入細菌內部，因此很難起殺菌作用。從上式中可以看出，加入水中的氯氣只有1/2變成HCLO的成分；另外的1/2在水中產生CL-，不起殺菌作用。采用NaCLO時：NaCLO +H2O=HCLO+ Na+OH-，比較可以看出一個分子的NaCLO作用相當于一個分子的CL2。第28頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四6. 阻垢必須防止Ca

17、CO3、CaSO4、SrSO4、BaSO4垢。膜結垢是由于給水中的微量鹽在給水轉化為濃水時超過了溶度積而沉淀到膜上在苦咸水中，CaCO3、CaSO4，其他鹽類SrSO4、BaSO4和CaF2需要計算來確定濃水中是否超過溶解度極限。如果微溶鹽超過溶解極限，需要采取以下方法：降低系統(tǒng)回收率，避免超過溶度積。采取離子交換軟化去除鈣離子。（少用）加酸去除碳酸或重碳酸離子。加阻垢劑。第29頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四反滲透預處理設計考慮因素膜元件種類(醋酸纖維素膜或芳香聚酰胺復合膜)進水水質(水源及其變化)進水流量(小型或大型裝置)反滲透的回收率(高回收率意味著需要更好的預處

18、理）后處理設備和要求第30頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四水質參數原水錳砂過濾多介質過濾UFRO系統(tǒng)去除率,%數值去除率,%數值去除率,%數值去除率,%數值去除率,%渾濁度,NTU40912.496.971.488.7164.290.5100pH8.648.398.038.338.33CODMn ,mg/L6.465.0122.455.0103.5129.941.1966.1081.58TDS ,mg/L440041805.0040104.0739800.7510597.3697.61NH3-N ,mg/L1.581.514.430.9040.400.855.560.2

19、372.9485.44Cl- ,mg/L1910120037.1711603.3311005.1757.494.7896.99Fe ,mg/L 0.22N.D.100N.D.N.D.N.D.100Mn ,mg/L0.04N.D.100N.D.N.D.N.D.100F- ,mg/L2.251.4037.781.451.71N.D.近100100案例：出水水質（參照國科大水處理項目） 第31頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四澄清過濾原水增壓泵曝氣錳砂過濾器原水箱原水泵多介質過濾器袋式過濾器超濾（UF）超濾水箱中間泵保安過濾器多級高壓泵一級反滲透淡水箱處理工藝第32頁，共60頁

20、，2022年，5月20日，2點55分，星期四第33頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四案例：某海水淡化項目 （1）污染指數 SDI5 （2）濁度 1NTU （3）余氯 0.1PPM（檢測不到） （4）Fe3+ 0.01PPM反滲透系統(tǒng)進水要求： 第34頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四第35頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四項目實測值項目實測值色度不超過度硫酸鹽250mg/L渾濁度不超過NTU 氯化物250mg/L肉眼可見物無溶解性總固體1000mg/LPH值6.5-7.5電導率1500s/cm總硬度450mg/L余氯0.3mg/

21、L案例：國科大水處理項目第36頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四序號項目技術數據備注1進水量 12-13m3/h2產水量7-8m3/h水溫253反滲透出水電導10s/cm（5ppmTDS）GB17324-20034功率裝機功率19KW運行功率16KW5占地面積516米膜元件對鹽的截留率為97%工藝設計第37頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四第38頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四第四節(jié) 反滲透膜元件的組裝數量若干個膜元件卷式膜組件串聯(lián)串聯(lián)或并聯(lián)反滲透膜系統(tǒng)串聯(lián)回收率的設計方法第39頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分

22、，星期四進水第一段第二段第n段濃水Qf，cfQp1 cp1Qp2 cp2Qpn cpnQr1cr1Qf1cf1Qr1cr1Qf（n-1)cr(n-1)產水Qp，cpQr，cr顯然，n個膜元件串聯(lián)透過水總量為： Qp=yQf+(1-y)yQf +(1-y)i-1yQf +(1-y)n-1yQf =1-(1-y)n Qf第40頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四Qp=yQf+(1-y)yQf +(1-y)i-1yQf +(1-y)n-1yQf =1-(1-y)n Qf濃水總流量為：Qb=Qf-Qp =(1-y)n Qf 總回收率為：Y=Qp/Qf = 1-(1-y)n第i個膜元

23、件的透過水量為：Qip=(1-y)i-1yQf 第i個膜元件的總體回收率為：Yi= Qip /Qf= (1-y)i-1y第41頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四例如，已知膜元件回收率為13%，所需要的組件回收率為50%。這個壓力容器中需要設計幾個膜元件串聯(lián)在一起達到處理要求？第42頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四例如，已知膜元件回收率為13%，所需要的組件回收率為50%。這個壓力容器中需要設計幾個膜元件串聯(lián)在一起達到處理要求？Y=Qp/Qf = 1-(1-y)n=50%其中y=13%n=4.98，所以設計5個膜元件串聯(lián)在一個壓力容器中。第43頁，共

24、60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四例如，已知單根膜組件回收率為40%，允許透水量為50m3/d，設計要求：反滲透系統(tǒng)淡水總量為50m3/h,系統(tǒng)總回收量率為75%。第44頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四例如，已知單根膜組件回收率為40%，允許透水量為50m3/d，設計要求：反滲透系統(tǒng)淡水總量為50m3/h,系統(tǒng)總回收量率為75%。Y=Qp/Qf = 1-(1-y)n所以系統(tǒng)設計為三段式計算得n=1,2,3時，總回收率分別為40%,64%和78.4%Yi= Qip /Qf= (1-y)i-1y可得到1,2,3段的總回收率Yi分別為：40%,24%和14.4

25、%第45頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四系統(tǒng)所需要的膜組件的個數：淡水總量24/單根膜組件允許透過的水量n=5024/50=24根則第一段并聯(lián)的膜元件個數為:24Y1/Y=2440/78.4 =12.24個則第二段并聯(lián)的膜元件個數為:24Y2/Y=2424/78.4 =7.5個則第三段并聯(lián)的膜元件個數為:24Y3/Y=2414.4/78.4 =4.41個第46頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四第五節(jié) 反滲透膜元件的精確設計（了解）根據流速在流道中的分布情況設計膜元件串聯(lián)個數第47頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四a. For water 微元質量衡算第48頁，共60頁，2022年，5月20日，2點55分，星期四 For a steady state a.