反渗透系统均衡通量工艺
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反渗透膜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
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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．
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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，反渗透膜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 反渗透膜元件性能比较
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．
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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．
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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．
对系统采用膜品种配置工艺后，可以看到：
(1)流程较短的系统，所需更换膜品种的断点位置一般在系统的后一半流程上；
(2)当系统运行为低进水温度、低进水含盐量工况时，较短的反渗透系统通量分布不均衡程度不严重，不需要膜品种配置，只需传统设计模式即同一种膜品种排列即可．当系统运行为高进水温度、高进水含盐量工况时，系统通量失衡问题突出，可以容器为单位，在系统前端的容器中放高压低通量膜品种，在系统后端的容器中放相对应的低压高通量膜品种均衡系统通量；
(3)系统采用膜品种配置方式，系统的通量偏离度可降低15到36个百分点，但膜品种配置方式是一次性地对系统的通量分布进行调整，无法达到系统的通量分布完全均衡．
(4)系统采用膜品种配置方式，膜元件没有达到浓差极化的极限值，系统回收率反而降低，各膜元件未充分发挥其效用，单位产水量能耗升高。
对于单段的小型反渗透系统，通量分布不均衡程度不严重，采用段间加压工艺与淡水背压工艺虽在技术上可行，但系统总固定投资增加，且系统性能提高的幅度不明显，故对单段小型反渗透系统不考虑段间加压与淡水背压工艺．
3 两段系统的膜品种配置工艺
当系统采用多段系统，流程增长时，系统的通量分布不均衡程度严重，需采用通量均衡工艺改善系统运行的通量分布状态．以系统流程为8 m，2(4)一l(4)(即采用两段反渗透系统，每段装4支膜)排列结构的系统为例进行分析，表2给出12支膜8 m流程在各运行工况下膜品种优化配置后对系统性能的影响．
研究发现进水含盐量、进水温度的变化对系统膜品种配置的断点位置的变化影响较大，而运行年数、单支膜通量的变化，对系统膜品种配置的断点位置的变化影响不大．表2只给出了不同进水含盐量、不同进水温度下的最佳膜品种配置方式及其相应的运行参数值．表2中“膜品种配置方式”一栏，第一列为系统全流程上采用同一的ESPA2-4040膜品种；第二列为同等条件下系统可采用的膜品种优化配置方式．“22222111”表示系统采用21排列方式，第一段采用ESPA2—4040膜品种，第二段第一支膜元件可采用ESPA2—4040膜品种，第二段第二、三、四支膜元件采用ES—PAl-4040膜品种．“／”表示该运行条件下，不需膜品种配置方式．
由表2中的数据可以看出：
(1)当系统流程增长时，系统采用膜品种配置方式的更换位置较短流程时前移，即系统中低压膜品种所占比率升高；
(2)在低进水温度、低进水含盐量工况下，系统不需采用膜品种配置方式，而只需传统的膜排列方式即可．当系统进水温度升高或进水含盐量增加时，系统的膜通量失衡程度严重，采用膜品种配置可均衡系统膜通量分布．在进行膜品种配置时，建议以容器为单位进行膜品种配置，即在系统的前段容器中，放高压低通量膜品种，在系统后段的容器中放低压高通量膜品种；
(3)采用膜品种配置工艺对系统的性能也有改善．与传统的同一膜品种排列方式相比较，系统的收率增加3到5个百分点，压力降低0．03 MPa到0．1MPa，单位产水量能耗降低10％．
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4 两段系统的段间加压与淡水背压工艺
段间加压与淡水背压是工程中常用的均衡系统通量分布的工艺，两者异曲同工．淡水背压工艺通过调节淡水阀实现，简单易行，而段间加压工艺需增设一台加压泵，两种工艺系统投资不同，但对系统通量均衡分布的效果相同一。．经研究发现，段间加压值、淡水背压值与系统运行条件的关系一致，两者对系统性能的影响除淡水背压使系统单位产水量的能耗增加外，对系统的通量均衡分布、回收率、脱盐率的影响也一致，故笔者将两种工艺合并起来一起探讨．
4．1 系统加压值与系统运行条件的关系
系统所需的加压值与系统运行的进水温度、进水含盐量、运行年数、所要求的单支膜产量密切相关．当系统运行工况改变时，系统所需的最佳加压值也随之变化，即进水含盐量大小、单支膜产量大小与系统所需的加压值大小呈线性正比关系(见图3、图4)；当系统进水含盐量低时，进水温度的变化对系统所加的加压值没有影响，但当进水含盐量升高时，系统所需的加压值随系统进水温度的升高缓慢上升(见图3)；运行时间的增加对系统是整体性能的改变，系统所需的加压值不会随着系统运行时间的长短而变化．
4．2 系统加压值的改变对系统性能的影响
系统的通量分布会随着系统加压值的增加而逐渐均衡，但加压值存在一个最佳加压值点，达到该点能使得系统的通量分布最均衡，当超过该点继续加压时，系统后端驱动压力的增大，导致膜通量逐渐增大，通量分布又呈现失衡趋势(见图5)．
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对于2(4)一l(4)排列，因为各段流程短，各段末端浓差极化值未接近极限值．但采用加压工艺时，可使各段浓差极化值达到极限值，使系统回收率升高．随着系统加压值的增大，系统回收率增大，但有一极大值点，在该点处系统各段末端浓差极化值达到极限值，回收率达到最大．随后，系统收率随着加压值的增加，系统回收率呈下降趋势(见图6)． 段间加压工艺与淡水背压工艺的加压值的变化对系统能耗的影响不同，段间加压工艺随着加压值的增加，单位产水量能耗降低，且有一极小值点，该点对应的横坐标与系统达到最大回收率时的横坐标一致．对系统采用段间加压工艺，可以均衡系统通量分布，即有一最佳段1"~3DI：I压值，使系统两段通量均衡，该最佳加压值小于系统达到最大回收率时对应的加压值，但两值相差不大．淡水背压工艺需要一定的水力损失，单位产水量能耗比段间加压工艺所需的能耗值大，淡水背压工艺随着加压值的增加单位产水量能耗也随之增加(见图7)．
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系统加压值的变化对系统脱盐率的影响不大，系统脱盐率几乎不变．
5 3种通量均衡工艺的比较
膜品种配置工艺、段间加压工艺、淡水背压工艺均可以均衡系统通量，相对于传统设计模式，3种工艺都对系统的性能有所改善，但各有其特点．表3给出了3种均衡通量工艺的对系统性能改变的参数值．
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(1)膜品种配置工艺简单易行，不增加额外投资，是3种通量均衡工艺中所费能耗最低的一种工艺．系统的通量均衡分布是一次性的调整，无法达到完全均衡．
(2)段间加压工艺与淡水背压工艺对系统的均衡通量分布的作用一致，且这两种工艺相对于膜品种配置方式而言，可以据系统运行条件的改变进行适时调整，达到对系统的通量均衡分布的效果．
(3)鉴于3种工艺的各自特征，系统的通量均衡分布可以通过3种工艺相结合，达到对系统的通量均衡分布，即在采用膜品种配置方式的基础上据实际情况采用段间加压工艺或淡水背压工艺．
(4)笔者是在对ESPA2-4040、ESPAl-4040膜品种研究的基础上得出上述结论，其规律性结论同样适用于其它ESPA-4040膜品种．由于ESPA2-4040膜品种相对于其它ESPA-4040膜品种为高压膜品种，其全排列方式有膜通量曲线平滑、脱盐率高的优势，系统采用3种通量均衡工艺时，对系统性能有较大改善．若系统对其它的ESPA-4040膜品种采用3种通量均衡工艺，则对系统的通量均衡分布和系统性能的改善效果更突出。
参考文献：
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[2] 靖大为，徐腊梅．反渗透膜系统优化结构设计[J]．工业水处理，2003，145(3)：65-68．
[3 ] 冯逸仙，杨世纯．反渗透水处理工程[M]．北京：中国电力出版社，2000．
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