深度处理系统培训教材.doc

阿拉善经济开发区污水处理及再生水处理I期工程培训教材（草稿） 编写：审核： 日期：2010年 6 月 28 日深度处理系统组成深度处理系统由高密度澄清池、自清洗过滤器、超滤系统和反渗透系统组成。1. 高密度沉淀池由于理论上的重大突破，“高密度沉淀池”技术实现了高效率的混合、反应、沉淀，从而保证了高效率的除浊与高质量的供水。目前，该技术已广泛应用于中国南北方的江、河、湖泊水的处理，尤其适合对重金属离子较高、硬度、碱度较高的水进行处理。主要包含以下几部分工艺单元：l 混合工艺l 絮凝反应工艺l 沉淀工艺（1）混合工艺药剂混合扩散机理药剂的在水体中的混合扩散是絮凝反应重要的准备，该工艺过程实现的良莠会直接影响到下一步絮凝反应工艺的效果。混合的过程也就是混凝剂水解产物在原水水体中扩散的过程，良好的混合应当是让混凝剂水解产物迅速地扩散到水体中的每一个细部，使所有胶体颗粒几乎在同一瞬间脱稳并凝聚，这样才能得到好的絮凝效果。混合问题的实质是混凝剂水解产物在水中的扩散。使水中胶体颗粒同时脱稳发生凝聚，是取得好的絮凝效果的先决条件，也是节省投药量的关键。混凝剂水解产物在混合设备中的扩散应分为两个过程：(1)宏观扩散，即混凝剂水解产物扩散到水体各个宏观部位，其扩散系数很大，这部分扩散是由水体的宏观流动主要是大涡旋的动力作用完成的，因而宏观扩散可以短时间内实现；(2)亚微观扩散，即混凝剂水解产物在极邻近部位的扩散，这部分扩散的扩散系数比宏观扩散小几个数量级。亚微观扩散的实质是层流扩散。因此使混凝剂水解产物扩散到水体每一个细部是很困难的。在水处理反应中亚微观扩散是起决定性作用的动力学因素。亚微观扩散究其实质是层流扩散，其扩散规律与用蜚克定律描写的宏观扩散规律完全不同。在湍动水流中亚微观传质主要是由惯性效应导致的物质迁移造成的，特别是湍流微涡旋的离心惯性效应。在低温低浊水中，固体颗粒少，颗粒尺度小，有机物含量相对较高，矾花比重小。同时，由于水的温度低，水中的布朗运动也会减弱，从颗粒尺度分布来看也相对偏低，加之低温时药剂吸附架桥能力下降，这些都给絮凝带来困难。这种情况下更需要均匀快速高强度地实现亚微观扩散，高密澄清池恰好满足了这一需要。对高浊水来说，颗粒碰撞已不成问题，但在这种情况下混凝剂的亚微观扩散阻力大幅度增加。传统方法很难使亚微观传质在混合设备中完成。如果混合工艺实施不当，局部水体会出现过反应情况，而其它地方则反应不足，致使絮凝效果恶化，以致于矾花沉降性能变坏，使得高浊水处理成为难题。高密澄清池由于能在各种情况下迅速完成药剂的亚微观扩散，同时均匀的混凝剂分布为下一步的絮凝反应实现了充分的准备，故此对高浊水处理也十分有效。（2）反应工艺絮凝反应机理絮凝是给水处理的最重要的工艺环节，滤池出水水质主要是由絮凝效果决定的。传统廊道反应、回转孔室反应以及回转组合式隔板反应的絮凝工艺，水在设备中停留2030分钟，水中尚有很多絮凝不完善的小颗粒。近年来，国内出现了普通网格反应；国外推出了折板式、波形板以及机械搅拌反应设备，使絮凝效果有了比较明显地改善。但由于人们对絮凝的动力学本质认识不清楚，也就妨碍了絮凝效果的进一步提高。 絮凝长大过程是微小颗粒接触与碰撞的过程。絮凝效果的好坏取决于下面两个因素：一是混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸咐架桥的联结能力，这是由混凝剂的性质决定的；二是微小颗粒碰撞的几率和如何控制它们进行合理的有效碰撞，这是由设备的动力学条件所决定的。导致水流中微小颗粒碰撞的动力学致因是什么，人们一直未认识清楚。水处理工程学科认为速度梯度是水中微小颗粒碰撞的动力学致因。按照这一理论，要想增加碰撞几率就必须增加速度梯度，增加速度梯度就必须增加单位水体的能耗，也就是增加絮凝池的流速。但是絮凝过程是速度受限过程，随着矾花的长大，水流速度应不断减少。絮凝的动力学致因是惯性效应。因为水是连续介质，水中的速度分布是连续的，没有任何跳跃，水中两个质点相距越近其速度差越小，当两个质点相距为无穷小时，其速度差亦为无穷小，即无速度差。水中的颗粒尺度非常小，比重又与水相近，故此在水流中的跟随性很好。如果这些颗粒随水流同步运动，由于没有速度差就不会发生碰撞。由此可见要想使水流中颗粒相互碰撞，就必须使其与水流产生相对运动，这样水流就会对颗粒运动产生水力阻力。由于不同尺度颗粒所受水力阻力不同，所以不同尺度颗粒之间就产生了速度差。这一速度差为相邻不同尺度颗粒的碰撞提供了条件。如何让水中颗粒与水流产生相对运动呢？最好的办法是改变水流的速度。因为水的惯性（密度）与颗粒的惯性（密度）不同，当水流速度变化时它们的速度变化（加速度）也不同，这就使得水与其中固体颗粒产生了相对运动。为相邻不同尺度颗粒碰撞提供了条件。这就是惯性效应的基本理论。改变速度方法有两种：一是改变水流时平均速度大小。水力脉冲澄清池、波形板反应池、孔室反应池以及滤池的微絮凝主要就是利用水流时平均速度变化形成惯性效应来进行絮凝；二是改变水流方向。因为湍流中充满着大大小小的涡旋，因此水流质点在运动时不断地在改变自己的运动方向。当水流作涡旋运动时在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动，为不同尺度颗粒沿湍流涡旋的径向碰撞提供了条件。不同尺度颗粒在湍流涡旋中单位质量所受离心惯性力是不同的，这个作用将增加不同尺度颗粒在湍流涡旋径向碰撞的几率。涡旋越小，其惯性力越强，惯性效应越强絮凝作用就越好。由此可以看出，如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例，就可以大幅度地增加颗粒碰撞次数，有效地改善絮凝效果。这可以在絮凝池的流动通道上增设多层小孔眼格网的办法来实现。由于过网水流的惯性作用，使过网水流的大涡旋变成小涡旋，小涡旋变成更小的涡旋。不设网格的絮凝池湍流的最大涡旋尺度与絮凝池通道尺度同一数量级。当增设格网之后，最大涡旋尺度与网眼尺度同一数量级。增设小孔眼格网之后有如下作用：(1)水流通过格网的区段是速度激烈变化的区段，也是惯性效应最强、颗粒碰撞几率最高的区段；(2)小孔眼格网之后湍流的涡旋尺度大幅度减少，微涡旋比例增强，涡旋的离心惯性效应增加，有效地增加了颗粒碰撞次数；(3)由于过网水流的惯性作用，矾花产生强烈的变形，使矾花中处于吸附能级低的部分，由于其变形揉动作用达到高吸附能级的部位，这样就使得通过网格之后矾花变得更密实。要达到好的絮凝效果除了要有颗粒大量碰撞之外，还需要控制颗粒合理的有效碰撞。使颗粒凝聚起来的碰撞称之为有效碰撞。一方面，如果在絮凝中颗粒凝聚长大得过快会出现两个问题：(1)矾花长得过快其强度则减弱，在流动过程中遇到强的剪切就会使吸咐架桥被剪断，被剪断的吸咐架桥很难再连续起来，这种现象称之为过反应现象，应该被绝对禁止；(2)一些矾花过快的长大会使水中矾花比表面积急剧减少，一些反应不完善的小颗粒失去了反应条件，这些小颗粒与大颗粒碰撞几率急剧减小，很难再长大起来。这些颗粒不仅不能为沉淀池所分离，也很难为滤池截留。另一方面，絮凝池中矾花颗粒也不能长得过慢，矾花长得过慢虽然密实，但当其达到沉淀池时，还有很多颗粒没有长到沉淀所需的尺度，出水水质也不会好。由此看到在絮凝池设计中应控制矾花颗粒的合理长大。矾花的颗粒尺度与其密实度取决两方面因素：其一是混凝水解产物形成的吸咐架桥的联结能力；其二是湍流剪切力。正是这两个力的对比关系决定了矾花颗粒尺度与其密实度。吸咐架桥的联结能力是由混凝剂性质决定的，而湍流的剪切力是由构筑物创造的流动条件所决定的。如果在絮凝池的设计中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保证絮凝效果。多相流动物系反应控制理论的提出，真正建立起水处理工艺中的动力相似准则。使我们认识到湍流剪切力是絮凝过程中的控制动力学因素，如果在大小两个不同的絮凝工艺中，其湍流剪切力相等，那么具有同样联结强度的矾花颗粒可以在两个不同尺度的絮凝过程中同时存在，这在某种意义上也就实现了两个絮凝过程絮凝效果的相似。弗罗德数可以作为相似准则数，可以表明湍流剪切力的大小，两个尺度不同的絮凝过程当其弗罗德数相等时，其湍流剪切力就近似相等，絮凝效果就基本相似。但只控制湍流剪切力相等并不能完全控制絮凝效果的相似，因为湍流剪切力相等时两个不同的絮凝过程的矾花联结强度相等，但矾花的密实度与沉淀性能却不一定相同。矾花的密实程度可用湍动度来控制，湍动度值越大表明在固定时间内流过固定空间点的涡旋数量越多，涡旋强度越大，矾花也越密实。因而我们也可以通过科学地布设多层网格，通过弗罗德数这个相似准则，来控制絮凝过程中水流的剪切力和湍动度，形成易于沉淀的密实矾花。反应工艺的优势分析根据对反应工艺机理的分析我们可以看出，该工艺和其它形式的反应工艺相比具备以下的优点：l 对不同水体的适应性高由于采取了亚微观尺度的混凝效果控制，较之其它工艺来讲，更容易克服亚微观传质的阻力，在该工艺应用于一些特殊水体，比如大家公认较难处理的北方低温低浊和低温高浊水的处理过程中，获得了更好的效果。l 水头损失小，运行成本低该反应工艺从机理上认识到增加颗粒碰撞的动力学致因是惯性效应，而小尺度的涡旋能很好利用了颗粒的惯性效应，在空间上增加颗粒的碰撞几率，从而在最小的能耗下，达到最好的反应效果。和机械反应工艺相比，该工艺的动力消耗低的优点是明显的。（3）沉淀工艺沉淀设备机理分析沉淀设备是水处理工艺中泥水分离的重要环节，其运行状况直接影响出水水质。传统的平流沉淀池优点是构造简单，工作安全可靠；缺点是占地面积大，处理效率低，要想降低滤前水的浊度就要较大地加大沉淀池的长度。浅池理论的出现使沉淀技术有了长足的进步。七十年代以后，我国各地水厂普遍使用了斜管沉淀池，沉淀效率得到了大幅度提高。但经过几十年应用其可靠性远不如平流沉淀池，特别是高浊时期、低温低浊时期以及投药不正常时期。传统沉淀理论认为斜板、斜管沉淀池中水流处于层流状态。其实不然，实际上在斜管沉淀池中水流是有脉动的，这是因为当斜管中大的矾花颗粒在沉淀中与水产生相对运动，会在矾花颗粒后面产生小旋涡，这些旋涡的产生与运动造成了水流的脉动。这些脉动对于大的矾花颗粒的沉淀无什么影响，对于反应不完全小颗粒的沉淀起到顶托作用，故此也就影响了出水水质。为了克服这一现象，抑制水流的脉动，我们推出了小间距斜板沉淀设备。小间距斜板沉淀设备有下面一些优点：（1）由于间距明显减少，矾花沉淀距离也明显减少，使更多小颗粒可以沉淀下来；（2）由于间距减少，水力阻力增大，使之占水流在沉淀池中水力阻力的主要部分，这样沉淀池中流量分布均匀，与斜管相比明显地改善了沉淀条件；（3）这种设备由于下面几个原因其排泥性能远优于其他形式的浅池沉淀池；（a）这种设备基本无侧向约束；（b）这种设备沉淀面积与排泥面积相等；对普通斜管来说排泥面积只占其沉淀面积的一半，在特殊时期如高浊期、低温浊期或加药失误时期污泥沉降性能、特别是排泥性能明显变坏，在斜管排泥面的边缘处由于沉积数量与斜面上滑落下来的污泥数量大于排走的数量，造成了污泥的堆积。所以一旦在斜管的角落处产生污泥的堆积，这样就使过水断面减少，上升流速增加，增加了污泥下滑的顶托力，进一步增加污泥堆积。所以一旦在斜管角落处产生污泥的堆积，就产生了污泥堆积的恶性循环。这种作用开始时由于斜管上升流速的增加，沉淀效果变坏，沉后水浊度增高，当污泥堆积到一定程度时，由于上升流速的提高，可以把已积沉在斜管上的污泥卷起，使水质严重恶化。正是这一原因才使得南方很多地区又由斜管沉淀池改为平流沉淀池。而小间距斜板沉淀池其排泥面积是普通斜管的4倍多，单位面积排泥负荷尚不到斜管的1/4，故在任何时期排泥均无障碍。高密度沉淀池出水水质优于常规絮凝、沉淀、澄清系统，常期出水浊度小于2NTU，后续滤池反洗周期将增长，降低滤池反洗水耗。石灰混凝、沉淀处理系统我公司采用新型的高密度沉淀池技术。此设计与现预处理设计“网格絮凝+斜管沉淀池”布置类似，均设置后段斜管（板）沉淀区，只是前段混凝、絮凝部分采用机械搅拌方式，如下图。为提高沉淀池空间效率，以达到大幅度提高水量的目的，沉淀工艺采用小间距斜板沉淀池技术。该技术是浅池技术的发展，由于间距小，矾花可快速沉淀分离。使沉淀池清水区上升流速可达到3.03.5mm/s，沉后水浊度亦可稳定保持不超过3NTU。与斜管沉淀池相比，其技术优势主要体现在以下方面：u小间距斜板较常规设备大大缩小了板间距，缩至15mm，从而大幅提高了沉淀池空间利用效率，根据浅池理论，按照投影面积计算，沉淀池斜板布设区的单位空间水处理能力理论上为平流池的23倍，斜管沉淀池的2.5倍；u由于小间距斜板雷诺数（Re值）较斜管沉淀池减小，能够有效抑制颗粒沉降的水力脉动，从而大大降低水流细部扰动对矾花沉降的负面影响；u小间距斜板间距小，阻力大，因此比斜管更具有布水均匀不短流的优点； u由于结构上的优化，小间距斜板无侧向约束不积泥，从而保证小的矾花絮凝体亦可有效去除；u小间距斜板沉泥面积与排泥面积相等，排泥面积是普通斜管的4倍多，大幅度提高了沉淀排泥负荷，更利于排泥；u小间距斜板采用优质聚合物材质，具有很高的表面光洁度，且该种材料有疏水性质，不利于沉泥附着，利于排泥；u小间距斜板较普通斜管提高了倾斜角，达到66，进一步提高了其排泥效果；由于小间距斜板的结构特征，以及其所采用的规格较厚的聚合物板材和支撑型材，使其具有普通斜管无法比拟的刚度，耐重负荷，不易变形。2. 自清洗丝网过滤器自动清洗过滤器用在超滤装置前面去除大的颗粒，防止划伤、污堵膜元件。过滤介质首先经过粗滤网滤掉大颗粒的杂质，然后到达细滤网将较小的颗粒杂质去除。当细滤网内外差压达到0.5bar时，自动清洗。完全靠系统管线内压力完成，无需外接动力供应。过滤器外壳采用碳钢内涂衬聚氨酯，滤网及滤网支架结构材质均采用316不锈钢， 密封圈采用EPDM橡胶。为保证后续系统的安全性，过滤器内涂材料不脱落，并能适应运行条件的变化。网式过滤器工作原理水由进水口进入网式过滤器，首先经过粗滤芯组件滤掉较大颗粒的杂质，然后到达细滤网，通过细滤网滤除细小颗粒的杂质后，清水由出水口排出。在自清洗丝网过滤器过滤过程中，细滤网的内层杂质逐渐堆积，网式过滤器的内外两侧就形成了一个压差。当网式过滤器压差达到预设值时，将开始自动清洗过程：排污阀打开，主管组件的电机和水力缸释放压力并将水排出；电机及吸污管内的压力大幅下降，由于网式过滤器负压作用，通过吸嘴吸取细滤网内壁的污物，由水网式过滤器力马达流入电机，由排污阀排出，形成一个吸污过程。当网式过滤器水流经水力马达时，带动吸污管进行旋转，由水力缸活塞带动吸污管作轴向运动，吸污器组件通过轴向运动与旋转运动的结合将整个滤网内表面完全清洗干净。整个清洗过程将持续数十秒。排污阀在清洗结束时关闭，增加的水压会使水力缸活塞回到其初始位置，网式过滤器开始准备下一个冲洗周期。在清洗过程中，过滤机正常的过滤工作不间断。3. 超滤(UF)超滤能截留0.0020.1微米之间的颗粒和杂质，超滤膜允许小分子物质和溶解性固体（无机盐）等通过，但将有效阻挡住胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物，用于表征超滤膜的切割分子量一般介于1,000100,000 之间，超滤膜两侧的运行压差一般为17bar。去除能力去除机理随滤膜技术而变。例如，被确定为无孔滤膜的反渗透膜甚至能去除溶解性的物质。通过这些滤膜的传送依靠采用扩散模型描述。与反渗透滤膜对比，超滤膜是多孔滤膜。基于这一事实，靠位阻效应完成隔离的过程。与微滤相比，超滤更小的孔径不仅可去除细菌和其他微粒，甚至能去除更小的污染物，如病毒和大分子有机物质。超滤技术广泛应用于水处理领域，可用于除去水中的微粒、胶体、细菌、病毒、热源、蛋白质及大分子有机物，使水得以净化。超滤膜的主要材质有PS（聚砜）、PES（聚醚砜）、PP（聚丙烯）、PVDF（聚偏二氟乙烯）等，膜组件有板式、卷式和中空纤维等。超滤膜多为不对称结构，由一层极薄（通常小于1m）、具有一定尺寸孔径的表皮层和一层较厚（通常为125m）、具有海绵状或指状结构的多孔层组成。前者起分离作用，后者起支撑作用。超滤膜的孔径范围在150nm，能从水溶液中分离分子量大于数千的大分子和胶体物质。对于超滤而言，被广泛用来形象的分析超滤膜分离机理的说法是筛分理论。理想的超滤膜分离是筛分过程，即在压力作用下，原料液中的溶剂和小的溶质粒子从高压料液侧透过膜的低压侧，因为尺寸大于膜孔径的大分子及微粒被膜阻挡，料液逐渐被浓缩；溶液中的大分子、胶体、蛋白质、微粒等则被超滤膜截留而作为浓缩液被回收。然而，实际上超滤膜在分离过程中，膜的孔径大小和膜表面的化学性质等将分别起着不同的截留作用，因此，不能简单的分析超滤现象，超滤膜具有孔结构的重要特性，同时还具有膜表面的化学性质。超滤膜的性能指标有渗透通量和截留率。超滤膜的耐压性、耐清洗性、耐温性等性能对于工业应用时非常重要的。外压式中空纤维膜介绍(以FO-2215超滤膜为例)聚偏氟乙烯 (PVDF)材料耐氧化、抗污染、使用寿命长聚偏氟乙烯 (PVDF) 材质的化学稳定性最为优异，耐受氧化剂（次氯酸钠等）的能力为2,000,000ppmh，是聚醚砜、聚砜等材料的10 倍以上。在水处理中，微生物和有机物污染往往是造成超滤不可逆污堵的主要原因，而氧化剂清洗则是恢复通量最有效的手段，此时聚偏氟乙烯 (PVDF) 材质体现出了其优越性。外压式结构纳污量大、易清洗在超滤元件中，中空纤维膜丝内腔空间是固定的，而膜丝之间存在着自由活动的空间。因此采用外压式进水方式，对于进水最大颗粒尺寸的限制以及进水悬浮物浓度的限制都更宽松，因而大大降低了过滤流道被堵塞的风险或几率。同样地，由于膜丝之间存在的自由活动空间，外压式超滤可以采用最廉价、高效的气水混合擦洗方式减轻超滤膜的污堵；内压式则不能采用气水混合擦洗的方式，而往往必须采用频繁的化学分散清洗来缓解该问题。l 过滤精度高，产水水质好外压超滤产品的膜孔径小，过滤精度高，在进水水质条件下为超滤下游的工艺设备如反渗透提供最佳的保护。采用比内压式具有更高载污量的外压式组件结构，使得FO-2215外压式膜组件在高污染的处理上占有很大的优势。通过气水擦洗可以使膜表面的清洗更简便和彻底。外压式膜组件以死端过滤为主，也可以采用错流或微错流的过滤模式。死端过滤能耗低，操作压力低，因此运行成本更低；而错流过滤则能处理悬浮物含量更高的流体。因此具体的操作形式可以根据水中悬浮物含量选择相应的过滤模式。FO-2215外压式膜组件，以恒流方式运行，随着运行时间过膜压差逐渐增加，最高可达到0.21MPA，通过定期的反洗，气水擦洗以及化学清洗等手段可以有效地清除膜表面的污染。膜组件采用PVDF材料，可长期耐高浓度氧化剂。FO-2215外压式膜组件能够去除几乎所有的微粒、细菌、大多数病菌以及胶体；高孔隙率使得FO-2215外压式膜组件能够获得更高的水通量。l 死端过滤操作模式微滤或超滤薄膜可以两种基本方式工作：或者以“错流过滤”模式（它以浓缩液的连续流通过系统）工作，或者以“死端”过滤模式（其中所有进水都加压通过滤膜，浓缩液只在反洗顺序期间被去除）工作。在任一种场合，出水和进水的比称为“回收率”，并由下式计算： （注：FP=透过水流量，FF=进水流量）超滤薄膜，它可应用于饮用水的处理工艺，通常以死端模式工作，因为系统的工作效益较高。工艺详细情况：水在死端过滤模式中并不重新循环，全部的进水被压入系统通过滤膜。这种模式主要用于高质量和混浊度较低的未经处理的水（例如用于饮用水预处理的超滤）。在较高混浊度的场合，取决于所采的过滤方式，系统工作可从死端模式转换成横流过滤模式。死端模式由于系统的效益较高，是较好的工作模式，较高的效益是由于较低的工作成本（泵所需的能量较少）和较高的回收率产生的。l 错流过滤模式在错流过滤模式中，浓缩液以较高的流速跨过滤膜循环，在膜丝中振荡，这样可以防止沉淀和沉积层的建立。为了控制与浓缩物流量无关的错流过滤速度，只有部分浓缩液（也称为“净化”）被重新循环。l 以反洗模式清洗通常，应用于脱盐工艺中的膜丝由于它们独特的结构不能被反洗。在这些系统中，浓缩液被不断从系统中去除，以避免低可溶盐物的沉积。然而，具有毛细管纤维的超滤薄膜可以用反洗模式清洗，其中滤过的水从出水口向浓缩口冲洗，以便很有效地去除沉积层。为避免厚污垢层的形成，系统需要定期反洗。在反洗模式中，滤过的水被加压从过滤出口到浓缩液口“反向”通过系统，从而去除了滤膜浓缩液侧的污垢表面。反洗用的滤过的水或者储存在储水箱中，或者由其它过滤单元供应。取决于使用滤膜系统的类型，浓缩液由定期的反洗程序不断去除。而且取决于所应用的滤膜系统，包含少量化学物质，如氯或过氧化物的反洗水可改进清洗的有效性。但是，用于清洗的化学添加物并不用于每次反洗周期中，而是以频度不大的时间间隔使用。系统被清洗（而且是否采用反洗模式）的频率取决于进水的质量。l 化学清洗取决于水中污染的类型，单用反洗可能不能完全去除污垢层，这可能造成性能随时间而降低。为恢复系统原先的过滤性能，可用3到18个月的间隔进行化学清洗。根据想要清除的污垢的类型，可选择适当的化学物质（如酸、苛性氢氧化钠或各种其他消毒和清洗溶液）进行清洗。4. 反渗透(RO)反渗透是最精密的膜法液体分离技术，它能阻挡所有溶解性盐及分子量大于100 的有机物，但允许水分子透过，醋酸纤维素反渗透膜脱盐率一般可大于95%，反渗透复合膜脱盐率一般大于98%。它们广泛用于海水及苦咸水淡化，锅炉给水、工业纯水及电子级超纯水制备，饮用纯净水生产，废水处理及特种分离等过程，在离子交换前使用反渗透可大幅度地降低操作费用和废水排放量。反渗透膜两侧的运行压差当进水为苦咸水时一般大于5bar，当进水为海水时，一般低于84bar。l 反渗透原理渗透我们知道渗透是指稀溶液中的溶剂（水分子）自发地透过半透膜（反渗透膜或纳滤膜）进入浓溶液（浓水）侧的溶剂（水分子）流动现象。渗透压定义为某溶液在自然渗透的过程中，浓溶液侧液面不断升高，稀溶液侧液面相应降低，直到两侧形成的水柱压力抵销了溶剂分子的迁移，溶液两侧的液面不再变化变化，渗透过程达到平衡点，此时的液柱高差称为该浓溶液的渗透压。反渗透原理即在进水（浓溶液）侧施加操作压力以克服自然渗透压，当高于自然渗透压的操作压力施加于浓溶液侧时，水分子自然渗透的流动方向就会逆转，进水(浓溶液)中的水分子部分通过膜成为稀溶液侧的净化产水（请参见下图）。反渗透过程根据反渗透原理可知，渗透和反渗透必须与具有允许溶剂(水分子)透过的半透膜(反渗透膜)联系在一起才有意义，才会出现渗透现象和反渗透操作。反渗透膜：允许溶剂分子透过而不允许溶质分子透过的一种功能性的半透膜称为反渗透膜；膜元件：将反渗透膜片与进水流道网格、产水流道材料、产水中心管和抗应力器等用胶粘剂等组装在一起，能实现进水与产水分开的反渗透过程的最小单元称为膜元件；膜组件：膜元件安装在受压力的压力容器外壳内构成膜组件；膜装置：由膜组件、仪表、管道、阀门、高压泵、保安滤器、就地控制盘柜和机架组成的可独立运行的成套单元膜设备称为膜装置，反渗透过程通过该膜装置来实现；膜系统：针对特定水源条件和产水要求设计的，由预处理、加药装置、增压泵、水箱、膜装置和电气仪表连锁控制的完整膜法水处理工艺过程称为系统。待处理的进水经过高压泵被连续升压泵入膜装置内，在膜元件内进水被分成浓度低的或更纯的产水，称为透过液和浓度高的浓水。浓水调节阀控制成为产水和浓水的比例即装置回收率。l 影响反渗透膜性能的因素产水通量和脱除率是反渗透过程中的关键参数，针对特定系统条件，水通量和脱除率是膜的本征特性，而膜系统的水通量和脱除率则主要受压力、温度、回收率、进水含盐量和pH 值影响。下面将对这些关键术语给出定义并扼要介绍影响反渗透膜性能的因素，如操作压力、温度、进水含盐量、产水回收率和系统pH 值。定义回收率：指膜系统中给水转化成为产水或透过液的百分率。膜系统的设计是基于预设的进水水质而定的，设置在浓水管道上的浓水阀可以调节并设定回收率。回收率常常希望最大化以便获得最大的产水量，但是应该以膜系统内不会因盐类等杂质的过饱和发生沉淀为它的极限值。脱盐率：通过反渗透膜从系统进水中除去总可溶性的杂质浓度的百分率。透盐率：脱盐率的相反值，它是进水中溶解性的杂质成份透过膜的百分率。渗透液：经过膜系统产生的净化产水。流 量： 流量是指进入膜元件的进水流率，常以每小时立方米（m3/h）或每分钟加仑表示（gpm）。浓水流量是指离开膜元件系统的未透过膜的那部分的“进水”流量。这部分浓水含有从原水水源带入的可溶性的组份，常以每小时立方米（m3/h）或每分钟加仑表示（gpm）。通 量： 以单位膜面积透过液的流率，通常以每小时每平方米升（l/m2h）或每天每平方英尺加仑表示（gfd）。稀溶液：净化后的水溶液，为反渗透系统的产水。浓溶液：未透过膜的那部分溶液，如反渗透系统的浓缩水。压力的影响进水压力影响RO膜的产水通量和脱盐率，我们知道渗透是指水分子从稀溶液侧透过膜进入浓溶液侧的流动，反渗透技术即在进水水流侧施加操作压力以克服自然渗透压。当高于渗透压的操作压力施加在浓溶液侧时，水分子自然渗透的流动方向就会被逆转，部分进水（浓溶液）通过膜成为稀溶液侧的净化产水。正如图 1 所示，透过膜的水通量增加与进水压力的增加存在直线关系，增加进水压力也增加了脱盐率，但是两者间的变化关系没有线性关系，而且达到一定程度后脱盐率将不再增加。由于 RO膜对进水中的溶解性盐类不可能绝对完美地截留，总有一定量的透过量，随着压力的增加，因为膜透过水的速率比传递盐分的速率快，这种透盐率的增加得到迅速地克服。但是，通过增加进水压力提高盐分的排除率有上限限制，正如图1 脱盐率曲线的平坦部分所示，超过一定的压力值，脱盐率不再增加，某些盐分还会与水分子耦合一同透过膜。温度的影响如图2 所示，膜系统产水电导对进水温度的变化非常敏感，随着水温的增加，水通量几乎线性地增大，这主要归功于透过膜的水分子的粘度下降、扩散能力增加。增加水温会导致脱盐率降低或透盐率增加，这主要是因为盐分透过膜的扩散速率会因温度的提高而加快所致。盐浓度的影响渗透压是水中所含盐分或有机物浓度和种类的函数，盐浓度增加，渗透压也增加，因此需要逆转自然渗透流动方向的进水驱动压力大小主要取决于进水中的含盐量。图4 表明，如果压力保持恒定，含盐量越高，通量就越低，渗透压的增加抵销了进水推动力，同时如图4 所示，水通量降低，增加了透过膜的盐通量（降低了脱盐率）。回收率的影响通过对进水施加压力当浓溶液和稀溶液间的自然渗透流动方向被逆转时，实现反渗透过程。如果回收率增加（进水压力恒定），残留在原水中的含盐量更高，自然渗透压将不断增加直至与施加的压力相同，这将抵销进水压力的推动作用，减慢或停止反渗透过程，使渗透通量降低或甚至停止（参见图5）。RO 系统最大可能回收率并不一定取决于渗透压的限制，往往取决于原水中的含盐量和它们在膜面上要发生沉淀的倾向，最常见的微溶盐类是碳酸钙、硫酸钙和硅，应该采用原水化学处理方法阻止盐类因膜的浓缩过程引发的结垢。膜脱盐率特性取决于 pH 值，水通量也会受到影响，图6 表明芳香聚酰氨反渗透膜在宽广的pH 范围内水通量和脱盐率相当稳定。正如图3 所示的那样，与醋酸纤维素膜相比，芳香聚酰氨反渗透膜在很宽的pH 范围内所具有的稳定性允许我们采用更强烈、更快和更有效的化学清洗程序。结垢控制当难溶盐类在膜元件内不断被浓缩且超过其溶解度极限时，它们就会在反渗透或纳滤膜膜面上发生结垢，如果反渗透水处理系统采用50%回收率操作时，其浓水中的盐浓度就会增加到进水浓度的两倍，回收率越高，产生结垢的风险性就越大。目前出于水源短缺或对环境影响的考虑，设置反渗透浓水回收系统以提高回收率成为一种习惯做法，在这种情况下，采取精心设计、考虑周全的结垢控制措施和防止微溶性盐类超过其溶解度而引发沉淀与结垢尤为重要，RO系统中，常见的难溶盐为CaSO4、CaCO3 和SiO2，其它可能会产生结垢的化合物为CaF2、BaSO4、SrSO4 和Ca3(PO4)2。为了防止膜面上发生无机盐结垢，应采用如下措施：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：Ca2+ + HCO3 H+ + CaCO3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，所用酸的品质必须是食品级。在大多数国家和地区，硫酸比盐酸更易于使用，但是另一方面，进水中硫酸根的含量增加了，就硫酸盐垢而言，问题会严重。CaCO3在浓水中更具有溶解的倾向，而不是沉淀，对于苦咸水而言，可根据朗格利尔指数(LSI)，对于海水可根据斯蒂夫和大卫饱和指数(S&DSI)，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。LSI 和S&DSI 的定为：LSI = pH pHs （TDS 10,000 mg/L）S&DSI = pH pHs （TDS 10,000 mg/L）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。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。相对聚合有机阻垢剂而言，六偏磷酸钠价廉但不太稳定，它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。但须使用食品级六偏磷酸钠，还应防止SHMP 在计量箱中发生水解，一旦水解，不仅会降低阻垢效率，同时也有产生磷酸钙沉淀的危险。因此，目前极少使用SHMP，有机磷酸盐效果更好也更稳定，适应于防止不溶性的铝和铁的结垢，高分子量的多聚丙烯酸盐通过分散作用可以减少SiO2结垢的形成。但是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。对于阻垢剂的加入量，请咨询阻垢剂供应商。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，海水受浓水渗透压所困，其系统回收率在3045%之间，但为安全起见，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。石灰软化通过水中加入氢氧化钙可除去碳酸盐硬度。Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2 CaCO3 + 2 H2OMg(HCO3)2 + 2 Ca (OH)2 Mg(OH)2 + 2 CaCO3 + 2H2O非碳酸钙度可以能过加入碳酸钠（纯碱）得到进一步地降低。CaCl2 + Na2CO3 2 NaCl + CaCO3石灰一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。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/hr 的苦咸水系统才会考虑选择石灰软化预处理工艺。预防胶体和颗粒污堵胶体和颗粒污堵可严重地影响反渗透及纳滤元件的性能，如大幅度降低产水量，有时也会降低系统脱盐率，胶体和颗粒污染的初期症状是系统压差的增加。反渗透及纳滤进水中的淤泥和胶体的来源有相当大的差异，通常包括细菌、粘土、胶体硅和铁的腐蚀产物。澄清池或介质过滤器所用的预处理絮凝剂如聚合氯化铝、三氯化铁、阳离子聚电解质，会与微小的胶体和颗粒结合，聚集成大尺度絮凝体，以便于被填料介质或滤芯截留住，这类凝絮就使得人们对介质过滤器和滤芯的孔径要求降低了，仍能发挥出色的过滤效果。当这些絮凝剂投加过量少许时，过量部分的絮凝剂本身之间会发生自凝聚生成大颗粒，可被过滤过程截留住，但应特别注意的是，如果超极限投加极有可能在元件内因被截留而污染膜表面。此外，带正电性的聚合物与负电性的阻垢剂也会发生沉淀反应而污染膜元件。判断反渗透和纳滤进水胶体和颗粒污染程度的最好技术是测量进水淤积指数（SDI 值），有时也称为污染指数（FI 值）。它是设计RO预处理系统之前应该进行测定的重要指标，同时在RO 日常操作时也需定时地检测（地表水一般建议每天三次）。测量步骤1. 将测试膜片小心放在测试膜盒内，用少许水润湿膜片，拧紧“O”形密封圈，将膜盒垂直放置，还应注意膜片有正反面的区别2. 调节进水压力至2.1bar（30psi）并立即计量开始过滤500mL 水样的时间t0（通过连续不断的调节，使进水压力始终保持不变）3. 在进水压力为2.1bar（30psi）下连续过滤15 分钟4. 15 分钟后继续记录过滤同样500mL 所需的时间t15，保留滤器上的膜片以便作进一步的分析5. 计算当 t15 是t0 的4 倍时，SDI15值是5。如果水样完全将膜片堵塞住时，SDI15值为6.7。SDI15要求保持小于等于5。实际证明降低SDI15 的一些预处理技术包括介质过滤器（如石英砂和无烟煤），超滤和微滤。过滤器前通常添加聚电介质提高脱除SDI15的能力。预防膜生物污染所有的原水均含有微生物：即细菌、藻类、真菌、病毒和其它高等生物。细菌的一般尺寸为13m，微生物可以看成是胶体物质，可以按防止胶体污染一节讨论的预处理方法进行除去，但它与无生命的颗粒不同之处在于他们有繁殖能力，在适宜的生存条件下形成生物膜。微生物进入反渗透系统之后，找到了水中溶解性的有机营养物，这些有机营养物伴随反渗透过程的进行而浓缩富集在膜表面上，成为形成生物膜的理想环境与过程。膜元件的生物污染将严重影响反渗透系统的性能，出现进水至浓水间压