反滲透系統(tǒng)均衡通量工藝
近10年來反滲透技術(shù)以其低成本、低能耗、易操作、少占地等諸多優(yōu)勢，在工業(yè)及市政水處理領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用與迅速地普及，在水處理技術(shù)市場中占有很大的份額．隨著反滲透技術(shù)應(yīng)用范圍與系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，系統(tǒng)的節(jié)能、節(jié)水等多項(xiàng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行問題日顯突出，其中膜系統(tǒng)通量均衡分布即為反滲透膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行領(lǐng)域中的典型問題之一．
反滲透系統(tǒng)中膜元件的排列一般為錐形分段串并聯(lián)方式，且各段等長．在沿系統(tǒng)流程方向上，由于產(chǎn)水的分流作用，膜兩側(cè)壓力差(delP)逐步下降；由于水中鹽分的濃縮，膜兩側(cè)滲透壓差(delPosm)逐步增大；膜兩側(cè)的凈驅(qū)動(dòng)壓力(NDP)及膜產(chǎn)水通量(Q)不斷下降，從而產(chǎn)生膜通量分布不均衡現(xiàn)象．如以A表示膜的水透過系數(shù)，則系統(tǒng)流程中第i支膜元件的產(chǎn)水通量可表示為
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系統(tǒng)的膜通量分布除遵循上述必然規(guī)律外，還與系統(tǒng)運(yùn)行工況密切相關(guān)．膜元件平均水產(chǎn)量、膜性能衰減情況等諸多因素均對(duì)系統(tǒng)膜通量的分布造成不同程度的影響，其中系統(tǒng)給水溫度、給水含鹽量、系統(tǒng)流程長度及膜元件品種構(gòu)成影響膜通量分布的主要因素．圖1示出反滲透系統(tǒng)中不同流程位置上膜通量分布曲線及各主要影響因素對(duì)通量分布的作用．
膜通量沿流程方向的不斷下降，對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行同時(shí)存在著利和弊兩個(gè)方面的情況．一方面給／濃水被逐步濃縮，污染物濃度逐步升高，系統(tǒng)后端膜通量的降低有利于系統(tǒng)中膜污染程度的均衡；另一方面系統(tǒng)首末端通量差異過大，前端膜元件在高驅(qū)動(dòng)壓力、高通量條件下運(yùn)行，膜元件污堵速度快，后端膜元件在低驅(qū)動(dòng)壓力、低通量條件下運(yùn)行，膜元件不能充分發(fā)揮其作用．故對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行來說，有必要使系統(tǒng)中膜通量保持一定的梯度，使系統(tǒng)運(yùn)行處于優(yōu)化狀態(tài)．
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不同的給水條件存在著不同的最佳通量分布．對(duì)于二級(jí)系統(tǒng)而言，給水水質(zhì)上佳，流程中膜通量應(yīng)盡量均衡；以井水為水源的系統(tǒng)，給水水質(zhì)略差，流程中膜通量應(yīng)保持一定梯度；以地表水為水源的系統(tǒng)，給水水質(zhì)更差，流程中膜通量梯度則應(yīng)保持更高水平．
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行領(lǐng)域中，克服通量分布極端不均衡現(xiàn)象可以采取一系列措施，其中主要包括膜品種配置、段間加壓、淡水背壓三大工藝．筆者將逐一分析此三大工藝的特征、功用與適用范圍，從而為反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供有力的參考．由于量化最佳膜通量梯度存在相當(dāng)難度，因此在分析過程中僅以均衡通量為目標(biāo)，該目標(biāo)下得到的結(jié)論可作為不同通量梯度工況的參考依據(jù)．
如圖l所示，高壓膜構(gòu)成的系統(tǒng)(見圖l中的基本工況曲線)與低壓膜構(gòu)成的系統(tǒng)(見圖l中的低壓膜品種曲線)相比，膜通量曲線較為平滑．直至20世紀(jì)90年代初，反滲透膜以醋酸纖維素或高工作壓力的聚酰胺膜為主，系統(tǒng)工作壓力約為1．5～2．5 MPa，膜通量失衡問題并不明顯．1995年前后國際上各大膜廠商分別推出工作壓力約為l MPa的節(jié)能型低壓膜，特別是近年來如海德能等公司推出了工作壓力約為0．7MPa的超低壓膜，使膜通量失衡問題越加突出．
膜工作壓力的降低，大大降低了反滲透系統(tǒng)的操作壓力，明顯地降低了能耗，節(jié)省了設(shè)備投資，極大地促進(jìn)了反滲透技術(shù)的推廣應(yīng)用．與此同時(shí)，膜系統(tǒng)中膜通量失衡問題也越發(fā)明顯，而且水處理工程界對(duì)此現(xiàn)象尚未給予足夠的重視，未能采取相應(yīng)措施予以克服．以數(shù)據(jù)形式明確超低壓膜系統(tǒng)通量失衡的嚴(yán)重性也是本研究的目的之一．
1 反滲透膜元件性能比較
筆者以海德能公司的ESPA膜(Energy Saving PolyAmide)作為依據(jù)進(jìn)行均衡通量的相應(yīng)分析．ESPA膜是一種節(jié)能型聚酰胺復(fù)合膜，與高壓的CPA2聚酰胺復(fù)合膜相比，在獲得同等產(chǎn)水通量條件下，需要的工作壓力更低．ESPA膜系列又可分為ESPAl、ESPA2、ES、PA3、ESPA4四個(gè)品種，各品種工作壓力又有不同．
膜產(chǎn)品技術(shù)手冊中，給出了不同給水含鹽量及不同測試壓力下的膜的測試參數(shù)．不同測試條件盡管暗示了不同膜品種元件的工作條件，同時(shí)也淡化了各膜品種間的參數(shù)差異．表l給出海德能ESPA-4040系列膜品種在相同的進(jìn)水壓力、進(jìn)水溫度與回收率計(jì)算條件下的計(jì)算參數(shù)指標(biāo)．
如表l所示，在同一壓力下，產(chǎn)水通量各不相同．反過來說，若相同的產(chǎn)水量，膜品種不同所需壓力也各不相同，所需壓力從高到低排列為ESPA2、ESPAl、ESPA3、ESPA4．
ESPA膜品種所需系統(tǒng)給水壓力低，在某些運(yùn)行條件下，系統(tǒng)濃水壓力值接近濃水滲透壓力值，使得系統(tǒng)的純驅(qū)動(dòng)壓力產(chǎn)生很大的梯度，即進(jìn)水端NDP很高，出水端NDP很低．膜通量分布不均衡問題更突出．筆者固定了膜型號(hào)(以ESPA2-4040、ESPAl-4040膜品種為例)，分別對(duì)單段、兩段反滲透系統(tǒng)采用3種通量均衡工藝進(jìn)行討論．
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2 單段系統(tǒng)膜通量均衡工藝
系統(tǒng)采用同一膜品種時(shí)，隨著流程增長，膜通量下降．由于在同一壓力下，膜品種不同，通量不同，故可以在沿系統(tǒng)流程的適當(dāng)位置處更換膜品種，使其在進(jìn)水壓力不變情況下，提高或降低該流程處的膜通量，使系統(tǒng)前端通量降低或是使系統(tǒng)后端膜通量提高，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)通量均衡的目的．以系統(tǒng)膜品種更換所對(duì)應(yīng)的首支膜元件的通量的偏離度((系統(tǒng)首端第一支膜元件通量-膜品種更換后的第一支膜元件通量)／系統(tǒng)首端第一支膜元件通量)接近于0％，作為系統(tǒng)優(yōu)選的膜品種配置方式．圖2給出了一級(jí)一段6支膜6 m長系統(tǒng)的不同運(yùn)行工況對(duì)膜品種配置的斷點(diǎn)位置的影響．
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如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)中“2222ll”表示系統(tǒng)前4支膜采用ESPA2-4040，后兩支膜采用ESPAl-4040，這種膜品種配置方式比同一品種的膜排列方式可以均衡系統(tǒng)通量．隨著系統(tǒng)中各膜品種所占比率不同，系統(tǒng)通量的偏離度也不同．系統(tǒng)運(yùn)行工況變化時(shí)，膜品種配置的斷點(diǎn)位置也隨之變化．不同的運(yùn)行工況，對(duì)應(yīng)不同的膜品種配置方式．進(jìn)水含鹽量、進(jìn)水溫度的變化，對(duì)系統(tǒng)膜品種配置斷點(diǎn)位置的影響較大．相比較而言，運(yùn)行年數(shù)、單支膜產(chǎn)量的變化，對(duì)系統(tǒng)膜品種配置斷點(diǎn)位置的影響較小，且隨著進(jìn)水含鹽量的升高，或者進(jìn)水溫度的上升，系統(tǒng)膜品種配置斷點(diǎn)位置前移，即低壓膜品種所占比率增加．隨著運(yùn)行年數(shù)或單支膜產(chǎn)量的增加，系統(tǒng)膜品種配置斷點(diǎn)位置后移，即低壓膜品種所占比率減少．
對(duì)系統(tǒng)采用膜品種配置工藝后，可以看到：
(1)流程較短的系統(tǒng)，所需更換膜品種的斷點(diǎn)位置一般在系統(tǒng)的后一半流程上；
(2)當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行為低進(jìn)水溫度、低進(jìn)水含鹽量工況時(shí)，較短的反滲透系統(tǒng)通量分布不均衡程度不嚴(yán)重，不需要膜品種配置，只需傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式即同一種膜品種排列即可．當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行為高進(jìn)水溫度、高進(jìn)水含鹽量工況時(shí)，系統(tǒng)通量失衡問題突出，可以容器為單位，在系統(tǒng)前端的容器中放高壓低通量膜品種，在系統(tǒng)后端的容器中放相對(duì)應(yīng)的低壓高通量膜品種均衡系統(tǒng)通量；
(3)系統(tǒng)采用膜品種配置方式，系統(tǒng)的通量偏離度可降低15到36個(gè)百分點(diǎn)，但膜品種配置方式是一次性地對(duì)系統(tǒng)的通量分布進(jìn)行調(diào)整，無法達(dá)到系統(tǒng)的通量分布完全均衡．
(4)系統(tǒng)采用膜品種配置方式，膜元件沒有達(dá)到濃差極化的極限值，系統(tǒng)回收率反而降低，各膜元件未充分發(fā)揮其效用，單位產(chǎn)水量能耗升高。
對(duì)于單段的小型反滲透系統(tǒng)，通量分布不均衡程度不嚴(yán)重，采用段間加壓工藝與淡水背壓工藝雖在技術(shù)上可行，但系統(tǒng)總固定投資增加，且系統(tǒng)性能提高的幅度不明顯，故對(duì)單段小型反滲透系統(tǒng)不考慮段間加壓與淡水背壓工藝．
3 兩段系統(tǒng)的膜品種配置工藝
當(dāng)系統(tǒng)采用多段系統(tǒng)，流程增長時(shí)，系統(tǒng)的通量分布不均衡程度嚴(yán)重，需采用通量均衡工藝改善系統(tǒng)運(yùn)行的通量分布狀態(tài)．以系統(tǒng)流程為8 m，2(4)一l(4)(即采用兩段反滲透系統(tǒng)，每段裝4支膜)排列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，表2給出12支膜8 m流程在各運(yùn)行工況下膜品種優(yōu)化配置后對(duì)系統(tǒng)性能的影響．
研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)水含鹽量、進(jìn)水溫度的變化對(duì)系統(tǒng)膜品種配置的斷點(diǎn)位置的變化影響較大，而運(yùn)行年數(shù)、單支膜通量的變化，對(duì)系統(tǒng)膜品種配置的斷點(diǎn)位置的變化影響不大．表2只給出了不同進(jìn)水含鹽量、不同進(jìn)水溫度下的最佳膜品種配置方式及其相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)值．表2中“膜品種配置方式”一欄，第一列為系統(tǒng)全流程上采用同一的ESPA2-4040膜品種；第二列為同等條件下系統(tǒng)可采用的膜品種優(yōu)化配置方式．“22222111”表示系統(tǒng)采用21排列方式，第一段采用ESPA2—4040膜品種，第二段第一支膜元件可采用ESPA2—4040膜品種，第二段第二、三、四支膜元件采用ES—PAl-4040膜品種．“／”表示該運(yùn)行條件下，不需膜品種配置方式．
由表2中的數(shù)據(jù)可以看出：
(1)當(dāng)系統(tǒng)流程增長時(shí)，系統(tǒng)采用膜品種配置方式的更換位置較短流程時(shí)前移，即系統(tǒng)中低壓膜品種所占比率升高；
(2)在低進(jìn)水溫度、低進(jìn)水含鹽量工況下，系統(tǒng)不需采用膜品種配置方式，而只需傳統(tǒng)的膜排列方式即可．當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水溫度升高或進(jìn)水含鹽量增加時(shí)，系統(tǒng)的膜通量失衡程度嚴(yán)重，采用膜品種配置可均衡系統(tǒng)膜通量分布．在進(jìn)行膜品種配置時(shí)，建議以容器為單位進(jìn)行膜品種配置，即在系統(tǒng)的前段容器中，放高壓低通量膜品種，在系統(tǒng)后段的容器中放低壓高通量膜品種；
(3)采用膜品種配置工藝對(duì)系統(tǒng)的性能也有改善．與傳統(tǒng)的同一膜品種排列方式相比較，系統(tǒng)的收率增加3到5個(gè)百分點(diǎn)，壓力降低0．03 MPa到0．1MPa，單位產(chǎn)水量能耗降低10％．
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4 兩段系統(tǒng)的段間加壓與淡水背壓工藝
段間加壓與淡水背壓是工程中常用的均衡系統(tǒng)通量分布的工藝，兩者異曲同工．淡水背壓工藝通過調(diào)節(jié)淡水閥實(shí)現(xiàn)，簡單易行，而段間加壓工藝需增設(shè)一臺(tái)加壓泵，兩種工藝系統(tǒng)投資不同，但對(duì)系統(tǒng)通量均衡分布的效果相同一。．經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，段間加壓值、淡水背壓值與系統(tǒng)運(yùn)行條件的關(guān)系一致，兩者對(duì)系統(tǒng)性能的影響除淡水背壓使系統(tǒng)單位產(chǎn)水量的能耗增加外，對(duì)系統(tǒng)的通量均衡分布、回收率、脫鹽率的影響也一致，故筆者將兩種工藝合并起來一起探討．
4．1 系統(tǒng)加壓值與系統(tǒng)運(yùn)行條件的關(guān)系
系統(tǒng)所需的加壓值與系統(tǒng)運(yùn)行的進(jìn)水溫度、進(jìn)水含鹽量、運(yùn)行年數(shù)、所要求的單支膜產(chǎn)量密切相關(guān)．當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行工況改變時(shí)，系統(tǒng)所需的最佳加壓值也隨之變化，即進(jìn)水含鹽量大小、單支膜產(chǎn)量大小與系統(tǒng)所需的加壓值大小呈線性正比關(guān)系(見圖3、圖4)；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水含鹽量低時(shí)，進(jìn)水溫度的變化對(duì)系統(tǒng)所加的加壓值沒有影響，但當(dāng)進(jìn)水含鹽量升高時(shí)，系統(tǒng)所需的加壓值隨系統(tǒng)進(jìn)水溫度的升高緩慢上升(見圖3)；運(yùn)行時(shí)間的增加對(duì)系統(tǒng)是整體性能的改變，系統(tǒng)所需的加壓值不會(huì)隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的長短而變化．
4．2 系統(tǒng)加壓值的改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響
系統(tǒng)的通量分布會(huì)隨著系統(tǒng)加壓值的增加而逐漸均衡，但加壓值存在一個(gè)最佳加壓值點(diǎn)，達(dá)到該點(diǎn)能使得系統(tǒng)的通量分布最均衡，當(dāng)超過該點(diǎn)繼續(xù)加壓時(shí)，系統(tǒng)后端驅(qū)動(dòng)壓力的增大，導(dǎo)致膜通量逐漸增大，通量分布又呈現(xiàn)失衡趨勢(見圖5)．
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對(duì)于2(4)一l(4)排列，因?yàn)楦鞫瘟鞒潭，各段末端濃差極化值未接近極限值．但采用加壓工藝時(shí)，可使各段濃差極化值達(dá)到極限值，使系統(tǒng)回收率升高．隨著系統(tǒng)加壓值的增大，系統(tǒng)回收率增大，但有一極大值點(diǎn)，在該點(diǎn)處系統(tǒng)各段末端濃差極化值達(dá)到極限值，回收率達(dá)到最大．隨后，系統(tǒng)收率隨著加壓值的增加，系統(tǒng)回收率呈下降趨勢(見圖6)． 段間加壓工藝與淡水背壓工藝的加壓值的變化對(duì)系統(tǒng)能耗的影響不同，段間加壓工藝隨著加壓值的增加，單位產(chǎn)水量能耗降低，且有一極小值點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)與系統(tǒng)達(dá)到最大回收率時(shí)的橫坐標(biāo)一致．對(duì)系統(tǒng)采用段間加壓工藝，可以均衡系統(tǒng)通量分布，即有一最佳段1"~3DI：I壓值，使系統(tǒng)兩段通量均衡，該最佳加壓值小于系統(tǒng)達(dá)到最大回收率時(shí)對(duì)應(yīng)的加壓值，但兩值相差不大．淡水背壓工藝需要一定的水力損失，單位產(chǎn)水量能耗比段間加壓工藝所需的能耗值大，淡水背壓工藝隨著加壓值的增加單位產(chǎn)水量能耗也隨之增加(見圖7)．
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系統(tǒng)加壓值的變化對(duì)系統(tǒng)脫鹽率的影響不大，系統(tǒng)脫鹽率幾乎不變．
5 3種通量均衡工藝的比較
膜品種配置工藝、段間加壓工藝、淡水背壓工藝均可以均衡系統(tǒng)通量，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，3種工藝都對(duì)系統(tǒng)的性能有所改善，但各有其特點(diǎn)．表3給出了3種均衡通量工藝的對(duì)系統(tǒng)性能改變的參數(shù)值．
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(1)膜品種配置工藝簡單易行，不增加額外投資，是3種通量均衡工藝中所費(fèi)能耗最低的一種工藝．系統(tǒng)的通量均衡分布是一次性的調(diào)整，無法達(dá)到完全均衡．
(2)段間加壓工藝與淡水背壓工藝對(duì)系統(tǒng)的均衡通量分布的作用一致，且這兩種工藝相對(duì)于膜品種配置方式而言，可以據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行條件的改變進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的通量均衡分布的效果．
(3)鑒于3種工藝的各自特征，系統(tǒng)的通量均衡分布可以通過3種工藝相結(jié)合，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的通量均衡分布，即在采用膜品種配置方式的基礎(chǔ)上據(jù)實(shí)際情況采用段間加壓工藝或淡水背壓工藝．
(4)筆者是在對(duì)ESPA2-4040、ESPAl-4040膜品種研究的基礎(chǔ)上得出上述結(jié)論，其規(guī)律性結(jié)論同樣適用于其它ESPA-4040膜品種．由于ESPA2-4040膜品種相對(duì)于其它ESPA-4040膜品種為高壓膜品種，其全排列方式有膜通量曲線平滑、脫鹽率高的優(yōu)勢，系統(tǒng)采用3種通量均衡工藝時(shí)，對(duì)系統(tǒng)性能有較大改善．若系統(tǒng)對(duì)其它的ESPA-4040膜品種采用3種通量均衡工藝，則對(duì)系統(tǒng)的通量均衡分布和系統(tǒng)性能的改善效果更突出。
參考文獻(xiàn)：
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