反渗透和纳滤的的工艺过程设计.ppt

天津工业大学 环境与化学工程学院 环境工程系,膜法水处理技术,反渗透和纳滤工艺过程设计,吴 云,1 系统设计要求 1.1 进水水质 水样是一定时间内所要分析水源的水质代表。 对水质要有一全面的把握，必须针对水源特点在不同时期收集水样，进行分析比较，了解其变化及变化原因。这对反渗透系统的有效设计（预处理、产水量、回收率、脱除性能、压力、流速），正当的操作，诊断系统存在的问题和准确评价系统性能等方面至关重要。,工艺过程设计系统设计要求,采样要求： 取样时要有代表性，要有足够的量，选点要正确，容器要合适，水样的采集要严格按照水和废水监测分析方法中的要求进行详细的记录。 水质分析内容： 水源水量、水质调查的内容要求非常详细，包括CO2、pH、O2、Cl、SO2-3、离子浓度、硬度、碱度、溶解性固体、细菌数等，常见参数的要求见下页的水样分析报告。,工艺过程设计系统设计要求,工艺过程设计系统设计要求,常规水源的水质特点： 市政供水为了防止管网的腐蚀，一般pH偏高，含有游离氯和Fe离子等 地表水的浊度、细菌及有机物是预处理设计要重点考虑的内容 地下水成份一般相对稳定，多数具有高硬度和碱度的特征 海水要考虑悬浮固体、微生物和细菌，进水pH 值和水温，金属氧化物和微溶盐的沉淀（不同海域水质差异较大） 其他特殊场合，如化工、生物行业物料的浓缩、分离等,工艺过程设计系统设计要求,1.2 产水水质和水量 根据用户的要求或者用户所处的行业，按照客户的需求或者相关行业的国家或行业标准确定反渗透或纳滤系统的产水水质和水量 这些要求决定了系统的规模和所用工艺过程的选择，如单位时间的产水量，膜组件种类、数量和排列方式，回收率以及具体的工艺流程等。,工艺过程设计系统设计要求,1.3 膜和膜组件的选择 醋酸纤维素最早用于反渗透水处理工艺，具有价廉、耐游离氯、耐污染的特点，多用于饮用水净化和污染密度指数（SDI）较高的地方。 芳香族聚酰胺复合膜，通量高，脱盐率高，操作压力低，耐生物降解，操作pH范围宽（211）不易水解，脱SiO2和NO-3及有机物都较好，但不耐游离氯，易受到Fe、Al和阳离子絮凝剂的污染，污染速度较快。,工艺过程设计系统设计要求,目前大规模应用的反渗透和纳滤膜材料的组件形式主要是卷式和中空纤维式。 选用膜组件时应综合考虑组器的制备难易、流动状态、堆砌密度、清洗难易等诸方面，卷式元件用得最普遍。据进水和出水水质，可初步选定膜元件，由产水量可初步确定元件得个数。,工艺过程设计系统设计要求,1.4 回收率 回收率的确定影响到膜组件的选择和工艺的确定。根据产水水量和回收率确定膜元件的个数。一般海水淡化回收率在3045，纯水制备在7085；而实际设计过程中应根据预处理、进水水质等的条件确定。,工艺过程设计系统设计要求,1.5 产水量的衰减 反渗透膜在使用过程中会随着使用时间的延长，膜的产水量会发生衰减。这主要是由于膜长时间在高温高压下运行，在温度和压力的协同作用下，会出现膜的压密化现象，其结果会造成产水量下降或系统操作压力上升。压密化是膜性能的不可逆衰减，事实上，复合膜比醋酸纤维素膜更耐压密化。 膜污染也是造成膜产水通量的衰减的主要原因。,工艺过程设计系统设计要求,通过下式可计算出反渗透和纳滤膜的产水量下降斜率。 式中，m为产水量下降斜率；t为运行时间，h；Q0和Qt分别为运行初期和运行t小时后的产水量。 通常CA类膜m-0.03-0.05，复合膜的m=-0.01-0.02。即CA类膜产水量年均下降10左右，复合膜约为5左右。当然根据进料的不同也有一定的变化。,工艺过程设计系统设计要求,1.6 截留率的衰减 随于反渗透和纳滤膜在使用过程中会受到生物或化学因素的作用，膜面材质会发生疏松化，导致膜的截留率衰减。 通常CA类膜的年透盐增长率为20左右，复合膜约为10左右。当然系统预处理如果不合适或者使用过程中操作不当也会使透盐增长率增大。,工艺过程设计系统设计要求,1.7 产水量随温度的变化 反渗透和纳滤膜的透水通量随过滤介质的温度发生较大的变化。通常根据下式进行计算： T为温度，即每一度变化使产水量变化3左右。也可用温度校正因子（TCF）表示。 Kt为与膜材料有关的常数。,工艺过程设计系统设计要求,温度对膜的通量影响较大，在进行设计过程中要充分考虑全年水温的变化。同时采取必要的措施（进出水换热等）减少温度对系统产水效率的的影响。,工艺过程设计系统设计要求,2 浓差极化对反渗透和纳滤过程的影响 2.1 浓差极化的概念 在反渗透过程中，由于膜的选择渗透性，溶剂（通常为水）从高压侧透过膜，而溶质则被膜截留，其浓度在膜表面处上升高；同时发生从膜表面向本体的回扩散，当这两种传质过程达到动态平衡时，膜表面处的浓度c2高于主体溶液浓度c1，这种现象称为浓差极化。上述两种浓度的比率c2/c1称为浓差极化度。,工艺过程设计浓差极化,根据薄膜理论模型描述浓差极化现象，如下图所示。,浓差极化理论模型,工艺过程设计浓差极化,2.1 浓差极化的计算 浓差极化度可根据膜液相界面层邻近膜面传质的质量平衡的微分方程加以积分，然后将边界条件代入求得。主要表达式有： 质量平衡的微分方程：,根据边界条件积分可得：,或,工艺过程设计浓差极化,由以上推导的结果可知当流速 时，几乎不存在浓差极化。此时膜高压侧的浓度才几乎是均一的，即c=c2=c1或相应的渗透压=2=1，而在通常的反渗透过程中，流速U不能太高，因为随着流速U的提高，流道的阻力升高，能耗增加。这样，通常取适当的流速U操作，于是存在一定的浓差极化，即c=c2c1或=21。,工艺过程设计浓差极化,2.3 浓差极化下的传质方程 （1）水通量 （2）脱盐率,工艺过程设计浓差极化,（3）真实脱盐率r与表观脱盐率robs的关系 由上述的浓差极化方程可以推出： 在半对数坐标纸上作 图。在保持Jw不变情况下，测定不同U时的robs，计算不同U时的 ，并与相应的 作图，其所得的图线为直线。,工艺过程设计浓差极化,将直线外推之，其与纵坐标的截距 为 ，从而可得真实的脱盐率r；直线的斜率为 ，其中流速指数a=0.3（层流）或0.8（湍流）。这样由直线的斜率可求出比例常数b及传质系数k。,工艺过程设计浓差极化,可以求出反渗透工程上实际存在的浓差极化度 通常由浓差极化度与能耗权衡，取浓差极化度为 =1.2。这样，若实验测定得到robs=0.950时r为多少？根据上式可知：,工艺过程设计浓差极化,2.4 浓差极化对反渗透的影响和缓解措施 (1)浓差极化对反渗透的影响 降低水通量 根据存在或几乎不存在浓差极化的情况下导出的水通量方程可知，由于浓差极化时的溶液渗透压项由原先的 变为 ，而 1，因而此时的水通量JwJw（Jw为几乎不存在浓差极化时的水通量）。,工艺过程设计浓差极化,降低脱盐率 比较上述相应情况下的脱盐率方程可知，同样因 1，使脱盐率由r降为了robs。 导致膜上沉淀污染和增加流道阻力 由于膜表面浓度增加，使那些水中的微溶盐（CaCO3和CaSO4等）沉淀，增加膜的透水阻力和流道压力降，使膜的水通量和脱盐率进一步降低。极化严重的化，导致反渗透膜性能的急剧恶化。,工艺过程设计浓差极化,（2）降低浓差极化的途径 反渗透过程中的浓差极化不能消除只能降低。其途径如下所述。 合理设计和精心制作反渗透基本单元膜元（组）件，使之流体分布均匀，促进湍流等。 适当控制操作流速，改善流动状态，使膜溶液相界面层的厚度减至适当的程度，以降低浓差极化度。通常浓差极化度有一个合理的值，约为1.2。 适当提高温度，以降低流体粘度和提高溶质的扩散系数。,工艺过程设计浓差极化,3 溶度积和饱和度 在后面的预处理章节中详细讲述。 4 反渗透和纳滤过程的基本方程 4.1 渗透压 渗透压随溶质种类、溶液浓度和温度而变，表示方法和表达式很多。 (1) 式中cp为溶质的摩尔浓度；xf为溶质的摩尔分数；为渗透压系数；Mi为溶质的摩尔浓度；对于稀溶液可取0.93。,工艺过程设计过程基本方程,(2) 此式可以估算的近似值。 (3) 查表得到溶液的渗透压 (4) 式中K0为系数2410-5，T为温度，cf为进料浓度mg/L。,工艺过程设计过程基本方程,工艺过程设计过程基本方程,(5) 对NaCl水溶液，可以根据下式计算： 式中，c为NaCl溶液浓度，mg/L 4.2 水通量Jw A为水的渗透性常数，NDP为净驱动压力。 pf和pp分别为进料和产水压力，p为进出口降，avg为平均渗透压。 Qp为产水量,工艺过程设计过程基本方程,4.3 盐通量Js B为盐的透过性常数，cs为膜两侧盐浓度差。 盐透量Qs S为膜面积。 4.4 产水盐浓度cp 4.5 盐透过率SP cfm为平均进料浓度。,工艺过程设计过程基本方程,4.6 脱盐率SR或r 4.7 回收率R和流量平衡 Qp为产水流速，Qf为进料流速，Qr为浓缩液流速 4.8 浓缩因子CF,工艺过程设计过程基本方程,4.9 浓差极化因子CPF ca为膜表面盐浓度，Kp为与元件构型有关的常数，Ri为膜元件回收率。对于1m长的元件，18的回收率时，CPF取1.2。 4.10 膜元件产水量Qp Qps为标准条件下的产水量，TCF为温度校正因子，NDPf为现场条件下的净驱动力，S为膜面积。,工艺过程设计过程基本方程,4.11 产水盐度cp SPs为标准条件下的SPc 4.12 系统平均渗透压,5 工艺流程及其特征方程 反渗透系统是由基本单元膜组件以一定配置方式组装而成。装置的流程根据应用对象和规模大小，通常课采用连续式、部分循环式和循环式三种。 由反渗透的物料平衡和透（产）水、浓水的浓度与进水浓度的关系式，可导出各种流程的特征方程。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,段和级概念的区分 在膜分离工艺流程中常常会遇到“段”与“级”的概念。 段：指膜组件的浓缩液（浓水）流入到下一组膜组件进行处理。流经n组膜组件，即称为n段； 级：指膜组件的产水进入到下一组膜组件处理，透过液（产品水）经过n组膜组件处理，称为n级。 可以将“段”和“级”分别理解为对“浓水分级”（分段）和对“产水分级”（分级）。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,工艺过程设计工艺流程及特征方程,分段式工艺流程,分级式工艺流程,5.1 连续式分段式（浓水分段） (1) 流程说明 将前一段的浓水作为下一段的进水，最后一段的浓水排放废弃，而各段产水汇集利用。这一流程适合用于处理量大、回收率高的应用场合。通常用于苦咸水的淡化和低盐度水或自来水的净化。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,工艺过程设计工艺流程及特征方程,Q和c分别表示流量和浓度；下标f、p和r分别指进水、产水和浓水；下标1，2，n为段号。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,(2) 特征方程 装置及其各段的进水流量Qf、Qfi 通式：,工艺过程设计工艺流程及特征方程,通常采用两段式的流程，于是： 式中， 和 分别为装置和第j段的回收率。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,装置及其各段的浓水流量Qr，Qri 通式： 二段式：,工艺过程设计工艺流程及特征方程,装置的回收率R与各段回收率Ri、Rj的关系 通式： 二段式：,工艺过程设计工艺流程及特征方程,装置及其各段的产水浓度cp，cpj 通式： 式中Ri、Rj分别为i段和j段组件以进、出口积分平均进水浓度计的脱盐率。 二段式：,工艺过程设计工艺流程及特征方程,通式： 二段式：,工艺过程设计工艺流程及特征方程,装置及其各段的浓水浓度cri、crj 通式： 二段式：,工艺过程设计工艺流程及特征方程,5.2 连续式分级式（产水分级） (1) 流程说明 分级式流程通常为二级。主要是为了提高系统的回收率和产水水质，将浓度低于或等于装置进水的第二级浓水返回到第一级进口处，第一级产水作为第二级进水；第二级产水就是装置的产水；第一级浓水排放。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,Q和c分别表示流量和浓度；下标f、p和r分别指进水、产水和浓水；下标1，2分别指第一段和第二段。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,该流程常用于下列情况： 原水含盐量特别高，一级反渗透难以得到稳定的产水水质。如特别高浓度的海水淡化等； 水源水质经常发生较大变化时（如沿海地区地下水不时受到海水倒灌的影响，含盐量波动较大），仅以常规的一级分段式反渗透不适应这种情况，需要考虑其临时变换应急的二级反渗透的多功能流程。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,当一级反渗透达不到最终产水的水质（如电导或电阻率）的指标时，二级反渗透可以省略通常的离子交换而能达到上述水质指标，且简化了水处理系统的流程和操作（如中高压锅炉的用水等）。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,（2） 特征方程 装置的进水流量Qf 装置（第一级）的浓水流量Qr（Qr1）,工艺过程设计工艺流程及特征方程,第二级浓（循环）水的流量Qr2 装置的回收率R与第一、二级的回收率R1、R2的关系,工艺过程设计工艺流程及特征方程,装置的进水浓度cf 式中，r1和r2分别为以第一、二级组件的进、出口平均浓度计的第一级和第二级组件的脱盐率。 第一级进水浓度cf1,工艺过程设计工艺流程及特征方程,第一级产水浓度cp1（第二级进水浓度cr2） 装置（第一级）的浓水浓度cr（cr1） 第二级（循环）水的浓度cr2,工艺过程设计工艺流程及特征方程,5.3 部分循环式部分透过水循环 (1) 流程说明 部分透过水循环至装置进口处与其原始的进水相混合作为装置的进水，浓水连续排放废弃，部分透过水作为产水收集。 这一流程便于控制产水的水质和水量，适用于水源水质经常波动、在反渗透浓水中有可能出现微溶盐（如CaCO3和CaSO4等）沉淀和在无加温条件下要求连续额定产水量等小规模应用的情况。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,Q和c分别表示流量和浓度；下标f、p和r分别指进水、产水和浓水；下标fm、pc和pp分别指混合进水、循环透过水和产水。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,（2） 特征方程 装置的原（进）水流量Qf R为以混合进水流量计算的回收率，其值为 式中，Kf为透过水循环率，其值为 装置的进（混合）水流量Qfm,工艺过程设计工艺流程及特征方程,装置的透过水循环量Qpc 装置的透过水流量Qp 装置的浓水流量Qr,工艺过程设计工艺流程及特征方程,装置的回收率Rf 式中，Rf为以原（进）水流量计算的回收率，其值为 。 装置的进（混合）水浓度cfm 式中，r为以组件进水的平均浓度计的脱盐率。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,装置的透过（产）水浓度cp 装置的浓水浓度cr,工艺过程设计工艺流程及特征方程,5.4 部分循环式部分浓缩液循环 (1) 流程说明 在反渗透过程中，将连续加入的原料液与反渗透部分浓缩液相混合作为反渗透进料液，其余的浓缩液作为产品液连续收集；其透过液连续排放或重复利用。 这一流程用于某些料液连续除溶剂（水）浓缩的应用场合，如废液的浓缩处理等。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,QrQprQrp,工艺过程设计工艺流程及特征方程,（2） 特征方程 装置的原料液流量Qf 式中，Kr为浓缩液的循环率，其值为 。 装置的进料液流量Qfm,工艺过程设计工艺流程及特征方程,装置的透过液流量Qp 装置的浓缩循环液流量Qrp 装置的浓缩液流量Qr,工艺过程设计工艺流程及特征方程,装置的混合进料液浓度cfm 装置的浓缩液浓度cr 装置的透过液浓度cp,工艺过程设计工艺流程及特征方程,5.5 循环式补加稀释剂的浓缩液循环 (1) 流程说明 在运行过程中，连续向原料液中补加相当于透过液流量的稀释剂，浓缩液全部循环，透过液连续排放，直至反渗透料液的浓度达到预定的值时，作为成品收集，透过液排放或重复利用。 这一流程用于溶液中物质的分离，使产品有较高的收率和纯度。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,Q0和cf0分别表示原料液的体积和浓度；Qw、Qfw、Qp和Qr分别为稀释剂、进料液、透过液和浓缩液的流量；cw、cf0、cp和cr分别为与上述料液相应的浓度。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,（2） 特征方程 进料（成品）液与原料液的浓度比率 式中R为装置的回收率，R ，S为处理单位体积原料液所需稀释剂的消耗量，即稀释剂比耗，其值为S ，t为运行时间。,工艺过程设计工艺流程及特征方程,浓缩液的浓度cr 透过液的浓度cp,工艺过程设计工艺流程及特征方程,进料液流量Qfm 浓缩（循环）液流量Qr 稀释液、透过液的流量Qw、Qp,工艺过程设计工艺流程及特征方程,5.6 循环式浓缩液循环 (1) 流程说明 该流程与“补加稀释剂的浓缩液循环”流程相同，所不同的时补加的不是稀释剂而是原料液。其流量和浓度分别为Qf和cf0操作过程液与上述流程相同。 这一流程用于溶质的浓缩和分离。 （2）特征方程 进料（成品）液与原料液的浓度比率,工艺过程设计工艺流程及特征方程,根据不同的运行时间反渗透的质量平衡可得下列微分式： （1） 反渗透的透过液、浓缩液的浓度与进料浓度的关系： （2） （3） 将式（2）代入式（1）经变换整理得： （4）,工艺过程设计工艺流程及特征方程,将积分边界条件带入式（4）： t=0时，cfm=cf0 t=t时，cfm=cfm 整理后得： 浓缩液的浓度cr 由式（3）和式（5）得,工艺过程设计工艺流程及特征方程,透过液得浓度cp 由式（2）和（5）得： 原料液（透过液）得流量Qr（Qp） 由式（5）得：,工艺过程设计工艺流程及特征方程,进料液流量Qfm 浓缩液流量Qr,装置的组件配置和性能 6.1 膜元（组）件的操作性能（脱盐率和水通量） （1）膜元（组）件的脱盐率 元（组）件在使用过程中膜的进水侧和产水侧的浓度沿流道变化情况见下图。,工艺过程设计装置的组件配置和性能,工艺过程设计工艺流程及特征方程,计算脱盐率的流道模型,根据产水的质量平衡可得元（组）件总产水的浓度为：,欲得到元（组）件真实得脱盐率r，必须知道整个流道得积分平均浓度 。,工艺过程设计装置的组件配置和性能,另外，组件得脱盐率与膜常数和平均有效压力的关系：,（2）膜元（组）件的水通量,工艺过程设计装置的组件配置和性能,若元（组）件的膜面积为S（m2），则其产水流量：,Kw为元（组）件产水流速的压力系数。,6.2 装置中元（组）件的配置 装置内组件的配置原则是保持装置内各组件的平均流速（流量）大于或等于规格元（组）件在标准测试条件下的值，从而使装置的浓差极化度不大于其元（组）件的浓差极化度。 因此，无论是分段式还是分级式流程的装置均应逐段或逐级减少并联组件数，即所谓锥形排列。分段式（两段）和分级式（两级）的装置内各段或各级组件的分配比为2：1的流程。,工艺过程设计装置的组件配置和性能,工艺过程设计工艺流程及特征方程,分段式工艺流程,分级式工艺流程,6.3 装置的性能 鉴于分段式流程应用较为普遍，在此简述其装置的性能。 （1）产水量 装置的产水性能通常为产水量Qp,工艺过程设计装置的组件配置和性能,Qp装置的产水量，m3/h； Qpi第i段元（组）件的产水量，m3/h； S元（组）件的有效膜面积，m2； A元（组）件的透水性常数，m3/(hm2MPa)； Kw元（组）件的产水量的压力系数，m3/(hm2MPa)； Nmj第i段元（组）件数； 第i段元（组）件的平均操作压力差，MPa； 第i段元（组）件膜两侧溶液的平均渗透压，MPa；,工艺过程设计装置的组件配置和性能,（2）脱盐率 将描述元（组）件脱盐性能的式中的A以Kw/S带之，可得装置的脱盐率方程：,装置的产水量Qp取决于元（组）件的膜常数Kw和各段的元（组）件数Nmj与相应的平均有效压力乘积的加和。就特定规格的元（组）件数以一定的配置方式组装的装置而言，其产水量与施加在各段元（组）件的平均有效压力成正比。,B元（组）件的透水量常数，m/h； 装置的元（组）件总数。,工艺过程设计装置的组件配置和性能,7 基本设计内容和过程 7.1 给出设计限制范围 这包括不同进水时的平均水通量，水通量年下降百分率，不同膜类型的盐透过率，盐透过的年增长率，浓水中难溶盐的饱和极限，饱和指数的限度，元件最大进水和最低浓水流速 7.2 设计的具体要求 设计目的是给定系统参数，得到最有效的成本设计和经济操作。 主要系统参数：操作压力、回收率、产水水质、产水水量、平均水通量、反渗透单元（膜元件数、排列方式和操作模式）等。,工艺过程设计装置的组件配置和性能,7.3 基本设计过程 （1）设定计量单位 包括压力、流速、通量、浓度、温度。 （2）建立新的进水记录（工程名称、代号等） 输入设计参数：进水水质、水源类型、组成、离子浓度、pH、温度、浊度、SDI、H2S、Fe、SiO2、TOC、TDS、电导率、渗透压。 （3）数据计算和转换 计算渗透压、离子强度、结构盐的饱和值，比较进水阴、阳离子当量平衡，误差在10以内。 （4）根据进水设置预处理，达到所要求的SDI。,工艺过程设计装置的组件配置和性能,（5）输入回收率，确立难溶盐的浓度限制（浓水pH、LSI、离子强度，HCO3-、CO32-、CO2、总碱度），确定调pH或加防垢剂。 （6）选择膜元件类型，结合进水，确立盐透过率的年增长率、水通量，水通量的年下降百分率等。 （7）输入产水流速，根据膜元件的面积和水通量可知膜的元件数，压力容器数等；根据回收率等可初步给出压力容器排列和段（级）数,工艺过程设计装置的组件配置和性能,（8）总计算程序重复计算 原则是进水压力满足回收率，先计算第一个元件的性能，其浓水为第二个元件的进水，计算第二个元件性能，将所有渗透水相加，与目标值比较，据此调节进水压力，直到收敛为所要求的压力和回收率，同时满足各限制范围要求。,工艺过程设计装置的组件配置和性能,（9）计算结果 显示流量、压力、水通量、系数、产水水质、浓水饱和度； 超出设计限制时报警显示； 结果输出成计算书； 图形显示系统流程；操作压力、产水水质、回收率、温度等曲线； 给出能耗和系统经济成本，据泵的压力、流量、回收率、效率和电机效率，得出电机功率；据输入的投资、材料、劳务费用，再根据设计部分的有关资料（产水量、功耗、膜元件、试剂用量等），可计算产水的成本。,工艺过程设计装置的组件配置和性能,设计优化和设计选择 基本设计； 渗透水与部分进水混合； 渗透水节流； 设置级间泵； 部分浓水循环； 二级（或二段）RO系统； 后处理：pH调节和脱气等。,工艺过程设计基本设计过程,7.4 基本设计过程 在无设计软件的情况下，或为了先对项目有益简要的把握，可根据上一小节的过程简要进行如下的处理： 水源类型、水质、所需的预处理 产水量、回收率、进水预处理 选择膜元件类型，计算所需元件的数量（安全系数0.8） Ne为元件数目，Qp为产水量，qmax为元件最大产水量。,确定压力容器数，据回收率等，确定排列方式 Nr为压力容器数目，n为每个容器中元件数通常其二段排列容器比为2：1，三段排列容器比为4：2：1。,工艺过程设计基本设计过程,检验进水和最后浓水是否复合最高进水和最低排水量的要求。 例1：设计产水量2160m3/d，水回收率75，进水500mg/L，25，选用Filmtec BW308040型元件，1.6Mpa，30m3/d，脱盐98，选用压力容器长可容6个元件，初步估算 元件数 Ne21600.83090 压力容器数 Nh=906=15 按二段回收率达75，以2：1排列压力容器，即第一段10根，含60个元件，第二段5根，含30个元件。用所要求的最大进、最低出口水量来验证排列是否合适，以产水水质和水量进一步看设计是否达到目的。,工艺过程设计基本设计过程,例2：设计产水量240m3/d，水回收率75，进水500mg/L，25，选用BW304040型元件，1.6MPa，7.5m3/d，脱盐98，选用压力容器长可容纳4个元件，最低元件浓水/淡水比为6：1。 设：污染因子为0.85，驱动力1.5MPa，设计压力为1.5MPa； 单元件产水率0.851.5MPa7.5m3/d1.6MPa6.0m3/d 所需元件数2406.040 压力容器数40410 最低元件浓水流速6.0636m3/d 单个压力容器产水率6.0424m3/d 系统浓水流速总产水率回收率总产水率2407524080 m3/d,工艺过程设计基本设计过程,最后一段进水流速单个压力容器产水率压力容器数浓水流速24280128 m3/d 倒数第二段压力容器数128 m3/d36 m3/d3.63或4，这里取3 倒数第二段的进水流速243128200 m3/d 倒数第三段压力容器数200 m3/d36 m3/d5.65或6，这里取5，这样初步压力容器排列为532。 同样根据所要求的元件最大进、最低进口水量验证排列是否合理，以产水水质和水量进一步看设计是否达到目的。,工艺过程设计基本设计过程,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,8 反渗透和纳滤系统及运行 8.1 预处理系统 反渗透和纳滤进水种类多、成分复杂，为了确保反渗透和纳滤过程的正常进行，必须对进水进行预处理。预处理的目的通常为： 除去悬浮固体，降低浊度； 抑制和控制微溶盐的沉淀； 调节和控制进水的温度和pH； 杀死和抑制微生物的生长； 去除各种有机物； 防止铁、锰等金属氧化物和二氧化硅的沉淀等。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,8.1.1 除去悬浮固体和胶体，降低浊度 悬浮固体包括淤泥、铁的氧化物和腐蚀产物、MnO2、与硬度有关的沉淀物、Al（OH）3絮凝物、SiO2、微细沙石、硅藻、细菌、有机胶体等。其中胶体最难处理，大多数胶体是荷电的，其同号电荷排斥而稳定地悬浮于水中，稳定地胶体其Zeta电位多大于-30mv，当这类胶体凝结在膜表面上时，则引起膜地污染，其凝结速率方程为： 式中，K2为凝结速度常数；n为胶体的浓 度。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,反渗透处理中采用污染密度指数SDI (Silt Density Index)来判断进水的好坏，是胶体荷微粒浓度的一种量度。SDI值是进水质量的相对值，从这个数值中，并不能明确看出膜污染速度或对膜性能造成的影响等情况。通常该值是对进水质量和系统预处理工序的效果进行检测的一个标准。它是进水在207Kpa的压力下，通过0.45m Millipore滤膜的污染速率推算出来的。通常反渗透要求进水的SDI3。井水的SDI1，顾不必对其进行胶体的预处理，地表水的SDI在10175，需要认真进行针对性的预处理。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,（1）SDI的测定,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,测试步骤 1记录测试温度。在试验开始至结束的测试时间内，系统温度变化不应超过1。 2排除过滤池中的空气压力。 3用带有刻度的500ml量筒接取滤过水以测量透过滤膜的水量。 4全开球阀，测量从球阀全开到接满100ml和500ml注1水样的所需时间并记录。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,5五分钟后，再次测量收集100ml和500ml水样的所需时间，十分钟及十五分钟后再分别进行同样测量。 6如果接取100ml水样所需的时间超过60秒，则意味着约90%的滤膜面积被堵塞，此时已无需再进行实验。 7再次测量水温以确保与实验开始时的水温变化不超过1。 8实验结束并打开滤池后，最好将实验后的滤膜保存好，以备以后参考。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,计算公式 式中： SDI污染密度指数 Ti第一次取样所需时间 Tf15分钟（或更短时间）以后取样所需时间,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,（2）除去悬浮物胶体的方法 在线混凝多介质过滤 在原水中投加混凝剂，经有效的混合，再通过压力式多介质滤器除去形成的微絮凝体，其效果取决于絮凝剂的种类、浓度、合适的混合和停留时间等，这些都需要经现场试验最终优化。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,压力式在线凝结絮凝过滤体统,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,絮凝剂：有FeCl3、明矾、聚合氯化铝和聚阳离子型絮凝剂。使用铝剂应注意，其絮凝物在pH6.56.7有最小的溶解度；聚阳离子絮凝剂优点在于形成的絮凝物少，在过滤时不会破碎，对pH的要求不太严格等，但应该严格控制剂量，若过量会对膜造成不可逆的损伤。 过滤介质：的选择也是很关键的，AGR（一种无水硅酸铝）、海绿砂、砂无烟煤（双介质）和多介质（可多达5种）等是效果良好的过滤介质。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行, 微滤（MF）和超滤（UF）预处理 MF和UF预处理方法具有以下优点： 去除范围宽，包括胶体在内； 可连续操作、性能优良、出水水质好，对高压泵和反渗透的保护性好； 少用或不用药剂，物理消毒安全； 投资、占地少、人工省等。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,8.1.2 微生物污染及防治 微生物污染的来源：在物质传递过程中，微生物也向膜面迁移并吸附在膜上繁殖；过量的絮凝剂，如SHMP是营养物质，会促进微生物繁殖；氯会使腐质酸分解，也成为营养物质；油和烃类也容易引起微生物的生长。 微生物污染对膜性能的影响：会形成致密凝胶层，吸附高浓度的离子，使浓差极化更严重，降低流动混合效果，同时由于酶的作用也会促进膜的降解和水解。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,微生物污染的特征及监测：浓水中总细菌数的迅速增加是微生物污染的特征之一，对完全失效膜进行剖析，分析细菌数量、品种以及TOC、蛋白、ATP和糖等可证实微生物污染的存在。 引起微生物污染的主要原因：进水预处理不足，温度高，SDI高，有机和无机营养物浓度高和残存大量细菌等；管路过长，透光，有死角，有裂缝，有非消毒部分等；操作中不经常检测，低流速，长期存放和使用已污染的试剂等。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,8.1.2 微溶盐沉淀的控制 结垢发生的原因： 由于水不断透过膜，使膜的进水中的那些微溶盐在膜面附近的浓水中超过其溶度积而沉淀析出导致水垢的产生。水垢是反渗透和纳滤过程中最普遍的膜污染。 当苦咸水为水源时，碳酸钙和硫酸钙是最普遍存在的沉淀析出，而以海水为水源时，通常只考虑碳酸钙的沉淀析出。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,若微溶盐的浓度超过其溶度积时，可采取下列方法处理： （1） 降低回收率，避免浓水中的微溶盐浓度超过其溶度积； （2） 调节原水pH值（加酸） 大多数地表水和地下水中的CaCO3几乎呈饱和状态，由下式可知CaCO3的溶解度取决于pH 值： 因此，通过加入酸中的H+，化学平衡可以向左侧转移，使碳酸钙维持溶解状态。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,CaCO3在浓水中更具有溶解的倾向，而不是沉淀，天然水源作为反渗透进水时，在浓水中多半发生碳酸钙沉淀的问题，需要加以判断和防止。 通常有两种判断碳酸钙沉淀的方法。 对苦咸水和城市自来水为反渗透水源时，采用朗格利尔（Langelier）饱和指数法（LSI）法； 对海水，采用斯蒂夫和大卫饱和指数（S&DSI）法，表示这种趋于溶解的倾向。 在饱和pHs 的条件下，水中CaCO3处于溶解与沉淀之间的平衡状态。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,LSI 和S&DSI 的定义为： 当仅采用加酸控制碳酸钙结垢时，要求浓水中的LSI或S&DSI指数必须为负数，加酸仅对控制碳酸盐垢有效。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,（3） 加阻垢剂 阻垢剂可以用于控制碳酸盐垢、硫酸盐垢以及氟化钙垢，通常有三类阻垢剂：六偏磷酸钠(SHMP)、有机磷酸盐和多聚丙烯酸盐。 六偏磷酸钠：能少量的吸附于微晶体的表面，阻止结垢晶体的进一步生长和沉淀。价格便宜，但化学性质不太稳定，容易发生水解降低阻垢效率，同时也有产生磷酸钙沉淀的危险。 有机磷酸盐：足够效果好，化学性能稳定，适应于防止不溶性的铝和铁的结垢 多聚丙烯酸盐：通过分散作用可以减少SiO2结垢的形成。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,阻垢剂投加需要注意的问题： 聚合有机阻垢剂遇到阳离子聚电解质或多价阳离子时，可能会发生沉淀反应，例如铝或铁，所产生的胶状反应物，非常难以从膜面上除去。 在含盐量为35,000mg/L 的海水反渗透系统中，结垢问题没有苦咸水中那样突出，当运行回收率高于35%时，推荐使用阻垢剂。 阳离子聚电介质可能会与负电性的阻垢剂发生协同沉淀反应并污染膜表面，必须保证当添加阴离子阻垢剂时，水中不存在明显的阳离子聚合物。 对于阻垢剂的投加必须避免过量，过量的阻垢剂对膜而言也是污染物。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,（4）强酸阳离子树脂软化 使用Na+离子置换和除去水中结垢阳离子如Ca2+、Ba2+和Sr2+。交换饱和后的离子交换树脂用NaCl 再生，这一过程称为原水软化处理。在软化处理过程中，进水pH 不会改变。但原水中的溶解气体CO2 能透过膜进入产品侧，引起电导率的增加，需在软化后的水中加入一定量NaOH（pH8.2）以便将水中残留CO2转化成重碳酸根。 离子交换法软化去除钙（镁）离子，但对高碱度的水和大水量工程，此法不经济。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,（5） 弱酸阳离子树脂脱碱度 该工艺能够对原水实现部分软化。离子交换过程中，与重碳酸根相同量的暂时硬度中的Ca2+、Ba2+和Sr2+等为H+所取代而被除去，这样原水的pH 值会降低到45。由于树脂的酸性基团为羧基，当pH 达到4.2 时，羧基不再解离，离子交换过程也就停止了。 采用弱酸阳离子交换树脂脱碱度主要是大型苦咸水处理系统，对于重碳酸根含量高的水源较为理想，重碳酸根也可转化为CO2。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,多数情况下，不希望产水中出现CO2，这时可以对原水或产水进行脱气处理。 当原水存在生物污染可能时（如：地表水，高TOC 或高菌落总数），对产水脱气更为合适。在膜系统中高CO2浓度可以抑制细菌的生长； 当希望系统运行在较高的脱盐率时，采用原水脱气较合适，脱除CO2将会引起pH 的增高，进水pH6 时，膜系统的脱除率比进水pH5 时要高。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,采用弱酸脱碱度的优点如下： 再生所需要的酸量不大于105%的理论耗酸量，这样会降低操作费用和对环境的影响； 通过脱除重碳酸根，水中的TDS减低，这样产水TDS也较低； 本法的缺点是： 残余硬度 处理过程中水的会发生pH 变化,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,（6） 石灰软化 通过水中加入氢氧化钙可除去碳酸盐硬度。 非碳酸钙度可以通过加入碳酸钠（纯碱）得到进一步地降低。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,石灰纯碱处理也可以降低二氧化硅的浓度，当加入铝酸钠和三氯化铁时，将会形成CaCO3以及硅酸、氧化铝和铁的复合物。通过加入石灰和多孔氧化镁的混合物，采用6070C 热石灰硅酸脱除工艺，可将硅酸浓度降低到1mg/L 以下。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,采用石灰软化，也可以显著地降低钡、锶和有机物，但是石灰软化处理需要使用反应器，以便形成高浓度作晶核的可沉淀颗粒，通常需要采用上升流动方式的固体接触澄清器，本过程的出水还需设置多介质过滤器，并在进入RO/NF 之前应调节pH 值，使用含铁絮凝剂，不论是否同时使用或不使用高分子助凝剂（阴离子或非离子型），均可提高石灰软化的固液分离作用。 仅当产水量大于200m3/h的苦咸水系统才会考虑选择石灰软化预处理工艺。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,（7）预防性清洗 在某些场合下，可以通过对膜进行预防性清洗来控制结垢问题，此时系统可不需要进行软化或加化学品阻垢。通常这类系统的运行回收率很低，约25%左右，而且12 年左右就考虑更换膜元件。这些系统通常是以自来水或海水作水源，制造饮用水的单元件不重要的小型系统，其最简单的清洗方式是打开浓水阀门作低压冲洗，设置清洗间隔短的模式要比长的模式有效，例如常用每运行30 分钟低压冲洗30 秒。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,（8）调整操作参数 当其它结垢控制措施不起作用时，必须调整系统的运行参数，以防止产生结垢问题。因为保证浓水中难溶盐浓度低于溶度积，就不会出现沉淀，这需要通过降低系统回收率来降低浓水中的浓度。 溶解度还取决于温度和pH 值，水中含硅时，提高温度和pH 可以增加其溶解度，二氧化硅常常是唯一考虑需要调节这些运行参数以防止结垢的原因，因为这些参数的调节存在一些缺点，如能耗高或其它结垢的风险（如高pH下易发生CaCO3 沉淀）。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,不同微溶性盐结构的判断与防止措施 （1） 碳酸钙沉淀的判断和防止 天然水源作为反渗透进水时，在浓水中最容易发生碳酸钙沉淀。由于反渗透工程中膜对CO2的截留率几乎为零，而对于Ca2+的透过率很低，一旦进水被反渗透浓缩时，在膜的浓水中pH值会升高和Ca2+浓度增高；另外，pH值上升又会使水中HCO3-的比例增加。这样，在反渗透过程中，在膜上会产生碳酸钙沉淀，其化学反应为：,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,为了进行结垢的判断和防止碳酸钙沉淀，需要作如下假设： 浓水的温度等于进水的温度 浓水中的离子强度，等于进水的离子强度乘以浓缩因子（CF） 式中R是以分数表示的组件或装置的回收 率。该式是偏于保守的，这是因为某些能够离子透过膜，计算的CF值偏高。 浓水中的钙、钡、锶、硫酸根、硅和氟化物的浓度等于进水中的相应值乘以CF。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,浓水中的重碳酸根以下列方程计算,式中,HCO3-浓水中HCO3-的浓度，mg/L（CaCO3计）； CFHCO3-的浓缩因子； HCO3-r进水中HCO3-的浓度，mg/L（CaCO3计）； SP HCO3-在回收率为R时以分数表示的HCO3-的透过率。 HCO3-是pH值敏感离子，在不同的pH值下，其透过率SP或脱除率r不同。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,Langelier饱和指数判断法 Langelier在30年代推导了计算饱和pH（pHs）的公式。在此pHs时，CaCO3既不溶解也不沉淀。 式中 KSPCaCO3的溶度积； K2H2CO3的 第二离解常数； Ca2+s饱和状态时Ca2+的浓度； HCO3-饱和状态时HCO3-的浓度。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,当pH8.5时，HCO3-的浓度近似等于总碱度见下图。而平衡常数（KSP或K2）与温度和溶解总固体或离子强度有关。通常由上式派生出来的式（2）和表1中所列的有关因子来计算pHs。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,Langelier饱和指数的定义 式中 pHr浓水的pH，其值为： pHr可由上式求得或从HCO3-和CO2的比率对pH的影响的图上查出。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,pHsCaCO3饱和时水的pH值，其值为 式中 A与溶解总固体TDS有关的因子： B与温度t有关的因子： C与Ca2+浓度有关的因子： ，Ca2+单位为mol/L。 D总碱度（HCO3-浓度）有关的因子： ，碱度单位为mol/L。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,根据浓水的LSI可判断CaCO3沉淀的可能性如下： LSI0 沉淀 LSI0 饱和状态 LSI0 溶解 若进水中添加阻垢剂，如六偏磷酸钠（SHMP），可使浓水的LSI1时不会发生CaCO3沉淀，不然就得加酸调节pH使LSI0.5（加10mg/L SHMP）。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,LSI计算例题： 计算含盐量：TDS=400mg/L；Ca2+=240mg/L (CaCO3)；HCO3-=196mg/l(CaCO3计)；pH=7.2的水在51(124)的LSI。根据上述已知条件得： A=0.16（由ATDS=400mg/L） B=1.53（由 Bt=51） C=1.98（由CCa2+=240mg/L） D=2.29（由DHCO3-=240mg/L）,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,Stiff 和Davis稳定指数（S&DSI）法 对于高TDS的水，如海水，采用50年代H. A. Stiff和L. E. Davis指出的稳定指数（S&DSI）法判断CaCO3沉淀更为精确。其定义为： 式中的符号意义和判断CaCO3沉淀的方法与LSI法相同。当进水的pH为7.07.5，回收率约30时海水为水源的浓水通常S&DSI0。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,知道了进水的Ca2+、HCO3-和TDS或离子强度，在一定的回收率下，浓水的相应值可将上述各项分别乘以浓缩因子CF得到，水的离子强度I的计算方程为： 式中 I离子强度； mi离子i的重量莫尔浓度，mol/L H2O； Zi离子i的电荷。 重量摩尔的计算方程：,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,浓水的饱和pH（pHs）为 式中 pCa钙离子浓度的负对数； pAlk碱度（HCO3-浓度）的负对数； K最高温度时离子强度常数。 上述pCa、pAlk和K可分别由钙、碱度与pCa、pAlk的变换和Stiff和Davis”K”与离子强度和温度的关系图线中查出。 浓水的pH（pHr）由进料液海水pH与浓水pH的关系图线得到。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,防止碳酸钙沉淀的预处理加酸法 加酸调节进水的pH值是使LSI或S&DSI0，防止CaCO3沉淀的最普遍采用的方法。加酸使CO32-转化为HCO3-然后转化为CO2（通常脱气去除）。硫酸或盐酸均可作为调节pH的药剂。前者廉价和硫酸根反渗透脱除率高，故更为可取。但对某些水源，因硫酸带入的硫酸根导致钙、锶和钡的硫酸盐沉淀，在这种情况下，应以盐酸调节pH。加酸后的化学反应如下：,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,加酸量的计算 加酸量与进水组成有关。根据化学反应，采用与式（7137）和式（7138）类似式可以导出硫酸和盐酸加入量的计算式。 根据化学反应，每加入1mg/L H2SO4（100）产生0.898mg/L CO2（CO2计），同时减少1.0205mg/L（CaCO3计）的HCO3-。这样，由可得到： 写成：,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,式中 Rf加酸使进水pH由pHf0变为pHf时的R H2SO4f 将进水pHf0调节至pHf时加入H2SO4（100）量，mg/L 上式中右端分子为加酸后的进水中HCO3-的残留浓度；分母为相应的CO2浓度。 将下两式带入上式中 得到：,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,根据反应，每加入100mg/L HCl（100）产生1.205mg/L CO2（CO2计），同时减少1.370mg/L（CaCO3计）HCO3-。由上述同样处理，可得盐酸加入量，mg/L HCl（100） 由上两式可知，只要知道原始进水中的HCO3-浓度HCO3-f0和pH值（pHf0）和调整至设定的pH值（pHf）就可计算硫酸或盐酸的加入量H2SO4或HCl。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,b. Langelier饱和指数（LSI）的计算 在通常水处理中，水源为苦咸水和城市自来水。因此，采用LSI法判断碳酸钙的沉淀可能性。根据上述LSI的定义,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,（a）pH的计算步骤,（H2SO4调节pH）,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,式中：,（HCl调节pH）,（H2SO4调节pH）,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,（b） pHb的计算步骤,t()=9/5+32=t(),由表可以查到的ATDS，tB，CCa2+和DHCO3-分别查得与上述TDSr、t、Ca2+和HCO3-相对应得A、B、C和D。,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,（c）计算LSI,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,c实例计算 例：有一种苦咸水，其水质分析的主要结果为Ca2+f0：90mg/L(CaCO3计)；碱度HCO3-f0：240mg/L(CaCO3计)；总溶解固体(TDSf0)：1490mg/L；pHf0：7.40；水温21；反渗透装置回收率R：75。试问：CaCO3会否沉淀。若发生CaCO3沉淀加H2SO4或HCl后pH变为pHf=6.0时的情况。 CaCO3沉淀趋势的判断,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,设：,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,T=21=9/5+32=70,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,通过查表： ATDS：TDSr06000 A=0.28 tB：t=21=70 B=2.06 CCa2+：Ca2+=360 C=2.16 DHCO3-：HCO3-r0=916.8 D=2.96,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行, 加H2SO4或HCl后pH变为pHf=6.0时CaCO3沉淀趋势的判断,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,或,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,或,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,或,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,无论加H2SO4或HCl，总溶解固体减少，但其值甚微，因此，TDSrTDSr06000mg/L。,或,工艺过程设计反渗透和纳滤系统及运行,由数据表中查出以下数据： ATDS：TDSr06000 A=0.28 tB：t=21=70 B=2.06 CC