二級反滲透系統(tǒng)的工藝結(jié)構(gòu)特征分析
在純水制備項目中，二級反滲透系統(tǒng)是重要的工藝環(huán)節(jié)。二級系統(tǒng)與一級系統(tǒng)的重要區(qū)別之一是給水含鹽量一般低于50 mg/L，給水中硬度與有機物等污染性物質(zhì)的濃度很低，不易形成系統(tǒng)污染。故反滲透系統(tǒng)設(shè)計導則規(guī)定：二級系統(tǒng)的膜平均通量約為35 L/（㎡·h），系統(tǒng)的濃差極化度（膜表面鹽濃度與給水鹽濃度之比）上限1.4（一級系統(tǒng)上限1.2），系統(tǒng)回收率可達85%。因此低給水含鹽量、低污染物濃度、高平均膜通量、高濃差極化度、高系統(tǒng)回收率的兩低三高特征構(gòu)成了二級系統(tǒng)設(shè)計的重要基礎(chǔ)。
二級系統(tǒng)的設(shè)計包括元件品種、元件數(shù)量、流程長度、膜堆結(jié)構(gòu)等多項內(nèi)容，且包括系統(tǒng)收率、系統(tǒng)功耗、產(chǎn)水鹽量、段通量比（兩段通量之比）與段濃水比（兩段膜殼濃水流量之比）等多項經(jīng)濟技術(shù)指標。筆者還就二級系統(tǒng)的流程長度與膜堆結(jié)構(gòu)進行了重點分析。
本研究僅以海德能公司的兩個型號元件代表高壓與低壓兩類膜品種，低壓膜ESPA2的測試參數(shù)為：給水壓強1.05 MPa、脫鹽率99.6%、產(chǎn)水量34.1 m³/d，高壓膜CPA3的測試參數(shù)為：給水壓強1.55 MPa、脫鹽率99.7%、產(chǎn)水量37.9 m³/d。
本研究所示數(shù)據(jù)均由海德能設(shè)計軟件計算得出。由于該軟件對于二級系統(tǒng)脫鹽率的計算結(jié)果偏高，故二級系統(tǒng)產(chǎn)水含鹽量偏低，相關(guān)數(shù)據(jù)僅供工藝效果的對比之用。
01 濃差極化與元件配置
反滲透膜的濃差極化度的定義為：膜表面的鹽濃度與湍流態(tài)給濃水徑流中鹽濃度之比。因卷式膜元件中濃差極化度無法測量，故該參數(shù)多轉(zhuǎn)換為元件收率的函數(shù)。
此外低壓膜的脫鹽率較低，高壓膜的脫鹽率較高；故兩級系統(tǒng)均采用高壓膜時的系統(tǒng)脫鹽率高但能耗也高，而均采用低壓膜時的系統(tǒng)脫鹽率低但能耗也低。表1給出了1個產(chǎn)水流量為85 m3/h的兩級系統(tǒng)中，一級與二級系統(tǒng)分別采用不同膜品種（低壓膜ESPA2、高壓膜CPA3）時的系統(tǒng)運行參數(shù)。其中運行條件為：給水含鹽量2 000 mg/L，給水溫度25 ℃；一級系統(tǒng)產(chǎn)水量100 m³/h，回收率75%，膜堆結(jié)構(gòu)14-7/6；二級系統(tǒng)產(chǎn)水量85 m³/h，回收率85%，膜堆結(jié)構(gòu)12-4/4。
二級系統(tǒng)給水的含鹽量及滲透壓不高，各種元件品種配置的段通量比均接近1.1；因一級系統(tǒng)的給水含鹽量較高，采用高壓膜品種的段通量比遠低于采用低壓膜品種；此外兩級系統(tǒng)不同元件品種配置的重要差異在于系統(tǒng)功耗。
表1所示數(shù)據(jù)揭示了兩級系統(tǒng)的另一特征，即當兩級系統(tǒng)中選擇不同脫鹽率膜品種時，一級系統(tǒng)產(chǎn)水電導率差異較大，但兩級系統(tǒng)產(chǎn)水電導率相差不大。換言之，當一級系統(tǒng)脫鹽率較低時，則二級系統(tǒng)脫鹽率將上升，當一級系統(tǒng)脫鹽率較高時，則二級系統(tǒng)脫鹽率將下降。
為降低一級系統(tǒng)的段通量比與兩級系統(tǒng)功耗，一級系統(tǒng)應(yīng)采用高壓膜而二級系統(tǒng)應(yīng)采用低壓膜。換言之，一級系統(tǒng)應(yīng)采用高壓膜品種，以小幅增大的系統(tǒng)能耗為代價，換取前后段通量趨于平衡；二級系統(tǒng)應(yīng)采用低壓膜品種，以小幅增大的段通量比換取系統(tǒng)能耗的大幅降低。當然，對于脫鹽率要求較高的兩級系統(tǒng)，二級系統(tǒng)中也應(yīng)采用高壓膜品種。
02 收率85%的二級系統(tǒng)
在相同回收率下，反滲透系統(tǒng)的一般規(guī)律為：長流程系統(tǒng)的濃差極化度較小，短流程系統(tǒng)的濃差極化度較大，但長流程系統(tǒng)也存在著系統(tǒng)功耗高與段通量比大等弊端。受到濃差極化度1.2限制，對于75%收率的一級系統(tǒng)一般采用6支裝膜殼即兩段流程全長12 m。因二級系統(tǒng)的濃差極化度限值放寬至1.4，采用短流程結(jié)構(gòu)，可有效降低系統(tǒng)功耗與段通量比。
對于一般收率85%的二級系統(tǒng)，膜堆如采用整倍于2-1/5結(jié)構(gòu)或整倍于2-1/4結(jié)構(gòu)，則系統(tǒng)運行參數(shù)幾乎均優(yōu)于整倍于2-1/6結(jié)構(gòu)，即應(yīng)采用5支甚至4支裝膜殼，其流程長度可縮短至10 m甚至8 m。相關(guān)數(shù)據(jù)見表 2，其中運行條件為：給水含鹽量30 mg/L，給水溫度25 ℃，產(chǎn)水流量200 m3/h，元件通量30 L/（m2·h），系統(tǒng)收率85%，元件品種ESPA2。
反滲透系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域中，還要求各段膜殼的濃水流量（也稱段殼濃水流量）不得過低，即殼內(nèi)末端膜元件的濃水流量不得過低，以使其元件的給濃水徑流維持湍流狀態(tài)。根據(jù)后面表 3數(shù)據(jù)分析，當系統(tǒng)收率為85%時，如仍采用2:1的兩段膜殼數(shù)量比結(jié)構(gòu)，常出現(xiàn)首段的膜殼濃水流量大于末段的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)末段濃水中的污染物濃度更高，為使末段錯流比更大以降低污染，則末段的段殼濃水流量應(yīng)大于首段。
因此針對85%的二級高收率系統(tǒng)，無論流程為10 m或8 m，為使末段膜殼濃水流量大于首段，其兩段膜殼數(shù)量比應(yīng)接近或等于3:1。如果兩段膜殼數(shù)量比接近或等于4:1時，則前后段膜殼濃水流量比過大，且使前段系統(tǒng)的濃差極化度過高。關(guān)于5種膜堆結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)的比較見表 3。其中運行條件為：給水含鹽量30 mg/L，給水溫度25 ℃，產(chǎn)水流量300 m3/h，平均通量33.6 L/（m2·h），回收率85%，元件品種ESPA2。
對于元件數(shù)量一致而不同流程長度的系統(tǒng)，由于膜殼長度不同會導致價格不等，故其投資成本有所差異。以膜元件數(shù)量相等但采用27-9/4與16-8/6不同膜堆結(jié)構(gòu)為例進行系統(tǒng)投資成本的分析，結(jié)果見表4。其中運行條件為：給水含鹽量50 mg/L，給水溫度25 ℃，產(chǎn)水流量160 m3/h，平均通量30 L/（m2·h），回收率85%，元件品種ESPA2。
設(shè)6芯膜殼的價格為2 000~2 800元，而4芯膜殼的價格為1 600~2 500元，并設(shè)系統(tǒng)年運行8 000 h且電價為0.8元/（kW·h）。
由表 4可知，27-9/4（9倍3-1/4）的短流程結(jié)構(gòu)比16-8/6（8倍2-1/6）的長流程結(jié)構(gòu)的膜殼總價僅增加9.00-6.72=2.28萬元，而年運行電費可節(jié)省48.1-43.3=4.8萬元，因此可知短流程結(jié)構(gòu)較長流程結(jié)構(gòu)具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。9倍3-1/4結(jié)構(gòu)與8倍2-1/6結(jié)構(gòu)的唯一缺點是：二級系統(tǒng)的4支裝膜殼與一級系統(tǒng)的6支裝膜殼在膜堆架構(gòu)上存在長短差異。但該缺點與其經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢相比，不足為慮。
03 二級濃水的回流方式
由于二級系統(tǒng)的產(chǎn)水含鹽量遠低于一級系統(tǒng)的進水含鹽量，故二級系統(tǒng)濃水總是回流至一級系統(tǒng)前，與一級系統(tǒng)進水混合為一級系統(tǒng)給水。該工藝結(jié)構(gòu)不僅提高了兩級系統(tǒng)的回收率，也在一定程度上提高了兩級系統(tǒng)的脫鹽率。
對于兩級元件配置分別為CAP3的ESPA2的兩級系統(tǒng)，如無二級系統(tǒng)濃水回流工藝，系統(tǒng)給水流量為118.3+15=133.3m3/h，則系統(tǒng)回收率為85/133.3=0.638，系統(tǒng)產(chǎn)水含鹽量為0.81 mg/L，電導率1.61 μS/cm；有二級系統(tǒng)濃水回流工藝時，根據(jù)（1）式關(guān)系，系統(tǒng)回收率為85/118.3=0.718，系統(tǒng)產(chǎn)水含鹽量為0.77 mg/L，電導率1.55 μS/cm。
二級系統(tǒng)濃水的回流工藝，具有圖 1給出的A與B兩個不同模式。實線所示模式A為目前普遍采用的模式，其二級濃水經(jīng)濃水閥降壓并回流到一級給水泵前端，二級濃水的能量幾乎全部被濃水閥所消耗，并需要一級給水泵對其再次加壓。筆者建議采用虛線所示模式B，其二級濃水經(jīng)增壓泵加壓并注入一級給水泵后端，二級濃水具有的能量可被充分利用，而只需對其小幅增壓至一級給水壓強，從而達到降低系統(tǒng)能耗之目的。
理論計算表明，模式B工藝需增設(shè)1臺15 m³/h流量、30 m揚程的16-4型增壓泵，需要約4 000元投資，該增壓泵新增功耗15×300/3 600=1.25 kW，但一級給水泵功率可降低15×1 020/3 600=4.25 kW。給水泵與增壓泵與兩項功率相抵后系統(tǒng)可節(jié)省功耗3 kW，按照0.8元/（kW·h）及運行時間8 000 h/a計算，每年可節(jié)省電費約3×8 000×0.8=19 200元。因此二級系統(tǒng)濃水回流時，增壓并回流至一級給水泵后端工藝可有效節(jié)能。
04 結(jié) 論
（1）二級系統(tǒng)具有低給水鹽量、低給水污染物、高通量、高收率、高濃差極化度特點。
（2）一級與二級系統(tǒng)分別用高壓與低壓膜品種的組合形式時的能耗較低且脫鹽率較高。
（3）回收率85%的二級系統(tǒng)應(yīng)該采用8 m的短系統(tǒng)流程與3-1/4或其整倍的膜堆結(jié)構(gòu)。
（4）采用二級濃水回流至一級給水泵后端工藝，可有效降低兩級系統(tǒng)能耗與水泵投資。
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