高纯水制备项目的工程设计

毕业设计（论文）说明书毕业设计（论文）说明书 题目：题目：50m/h 高纯水制备项目的工程设计高纯水制备项目的工程设计 系系 名名 专专 业业 年年 级级 姓姓 名名 指导教师指导教师 20 xx 年年 6 月月 2 日日 摘 要 自从美国科技界为了研制超纯材料应用蒸馏、去离子化、反渗透技术或其 它适当的超临界精细技术生产出来的水以来，如今高纯水已在生物、医药、汽 车等领域已经广泛应用，因此高纯水的制备也备受人们关注。而本文从高纯水 水质要求，高纯水制备及处理方法的对比，凸现出膜工艺处理的优点。项目采 用膜处理工艺设计，在达到水质要求的前提下，以提高回收率为目标。整个设 计包含预处理系统、反渗透系统和后处理系统三方面的设计计算，最终给出 50m3/h 高纯水膜法制备的设计方案。阅读本文，你可以充分了解高纯水制备的 原理及过程，相信读者对高纯水和膜工艺能有更深刻的理解。 关键词：高纯水；反渗透；膜工艺 ABSTRACT Since the U.S. science to research the ultra pure material using distillation, to ionization, reverse osmosis technology or other appropriate supercritical fine technology production comes out water, now highly purified water since already in biology, medicine, automobile, etc have been widely applied, so highly purified water preparation also attracted much attention. According to the high pure water quality, membrane techniques were selected to use widely in the high pure water treatment comparing with other treatment method. In this paper, membrane treatment process was designed with the target of increasing the pure water recovery rate. Pretreatment, reverse osmosis system and the post treatment was included in this system. Finally, an design project of 50m3/h highly pure water treatment was put forward. Reading this article, you can fully understand the highly purified water the principle and process of preparation, and believe and readers can film process a deeper understanding to highly purified water. Key words: High pure water；reverse osmosis；membrane techniques 1 目 录 第一章 高纯水.1 1.1 纯水的概念与分级 .1 1.2 高纯水的定义及其应用 .2 1.3 高纯水制备的主要方法 .2 第二章 膜分离技术.4 2.1 膜分离技术简介 .4 2.2 膜分离技术在高纯水制备中的应用 .6 2.3 反渗透技术 .7 第三章 任务背景及说明.10 3.1 项目设计及依据 .10 3.2 项目设计原则 .11 3.3 本设计工艺 .11 第四章 计算说明.14 4.1 预处理系统 .14 4.2 反渗透系统 .18 4.3 后处理系统 .20 4.4 项目预算 .22 4.5 总结 .24 参考文献 外文译文 中文译文 致谢 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 1 第一章 高纯水 1.1 纯水的概念与分级 1.1.1 纯水的概念 水的“纯”与“不纯”，主要是指水中各种导电介质（水中各种盐类的阴 阳离子）、溶解气体、各种微生物、有机物及各种细小微粒等杂质含量的多少 而言，其的概念是相对的。化学意义上纯水（液态的 H2O）的理论电导率为 18.3Mcm。在实际生产中，用来表示水的纯度的主要指标是水中含盐量的大 小1。目前纯水中微量离子数量的测定，是用水的电导率（或电阻率）来间接 表示的。电导率（也叫比电导）是电阻率的导数姆欧，测量时是在 25下使用 相距 1 厘米的两个面积为 1 平方厘米的电极测出的电阻，其关系为： 1 微欧姆/厘米=1.0106欧姆厘米=1.0 毫克/升 1 S/cm=1 Mcm=1.0 mg/L 1 西蒙=1 兆欧=1 毫克/升总含盐量 纯水中微生物可用培养法测定，可以用测总有机碳(TOC)的方法测定有机 物的含量，微细颗粒借助电子显微镜等方法进行观测。 1.1.2 纯水的分级 根据各工业部门对水质的不同要求，工业用纯水一般分为初纯水（脱盐水） 、纯水（去离子水）、高纯水（纯净水）、和超纯水四级2。纯水的各项技术 指标见表 1-1。 表1-1 纯水的各项技术指标 纯水类型 25电阻率 /Mcm 10m微细颗粒 数/个ml 1 微生物 /个ml 1 总有机碳 /mgl 1 溶解气体 总硅 （SiO ) 2 /mgl 1 理论纯水18.300000 超纯水16.01.01.00.051010.0 高纯水10.010.010.00.210050 纯水1.050501.0500100 初纯水0.11001002.010001000 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 2 初纯水是以去除水中无机盐为主要目标，在除盐过程中也去除了部分机械 杂质和有机物质；纯水的处理对象仍为无机盐类，但对水中的剩余微生物、有 机物等较初纯水有较严格的要求；高纯水对残余无机盐的要求极为严格，对有 机物、微生物及微粒粒径和数量都有严格的要求；超纯水中各项指标接近理想 的理论纯水的指标。 1.2 高纯水的定义及其应用 1.2.1 高纯水的定义 高纯水（high-purity water，ultra-high purity water）是指将水中的导电介质 几乎全部去除，又将水中不解离的胶体物质、气体和有机物均去除至很低程度 的水。高纯水的含盐量在 0.3 mg/L 以下,电导率小于 0.2 s/cm，是化学纯度极高 的水3。 1.2.2 高纯水的应用 高纯水最初是美国科技界为了研制超纯材料（半导体原件材料、纳米精细 陶瓷材料等）应用蒸馏、去离子化、反渗透技术或其它适当的超临界精细技术 生产出来的水，如今超纯水已在电力，化工，生物、医药、汽车等领域广泛应 用，它的出现是水处理技术的一次革命性进步，标志着水处理跨入绿色产业的 行列。高纯水的品质已成为产品质量，生产成品率及生产成本的重要元素之一， 对高纯水水质的要求也越来越高。高纯水制备系统的工程项目设计显得非常普 遍和实用。 1.3 高纯水制备的主要方法 从表 1 中可看出，制备纯水的主要任务是深度除盐（尤其是微量电解质离 子的去除）、灭菌和去除各种微粒（有机物、胶体和灭菌后的微生物细菌尸体 等）。纯水制备的水源一般都是自来水，即使是自备水源，也须经过净化处理 的地表水或清澈的自来水。 1.3.1 深度除盐 深度除盐的方法目前在国内外主要有蒸馏法、离子交换法、膜分离法、冷 冻法、萃取法和水合物法4。其中蒸馏法、冷冻法、萃取法和水合物法由于成 本高、运行操作复杂等原因应用很少，且大部分用于高盐水的淡化。目前，深 度除盐的方法最普遍的是采用离子交换法。 近年来，由于膜分离技术的发展，纯水制备工艺流程多采用膜分离（电渗 析或反渗透）预脱盐的方式，以减轻离子交换装置的负荷，节省酸碱耗量，延 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 3 长再生周期并提高水质等；电渗析是利用交换膜的选择透过性，在外电场的作 用下强制去除电解质离子；反渗透是利用膜的单向透过性，靠渗透压原理去除 电解质离子。运行经验表理的水，最后经混床、精床处理能达到深度除盐的目 的，水的电阻率及微量离子的含量都能达到高纯水或超纯水的指标要求5。 1.3.2 灭菌 在水处理中，灭菌的方法有加药、氧化、光照紫外射线等方法。其中，利 用光照紫外射线灭菌法具有杀菌能力强、速度快、不改变水环境等优点，是纯 水制备中灭菌的最好方法，因此，在纯水制备中得到广泛的应用。 1.3.3 微粒的去除 水中各种微粒（溶解的、非溶解的、无机或有机的、各种微生物等）都是具 有一定粒径范围的微粒。目前，还没有一种水处理方法可以把各种粒径的微粒 一次性全部去除。不同的微粒需要用不同的方法去除。在去除水中微粒方面， 先经膜分离预脱盐，再经过离子交换除盐处理的水处理方法会有不同的效果。 表1-2 常用水处理方法去除水中微粒的效果 处理方法 一价金 属离子 多价金 属离子 有机物 分子量 300 有机物 分子量 5000 胶体粒径 0.1m 胶体粒径 0.2m 0.2m 粒径微粒 大部分 细菌 溶解 气体 蒸馏较好很好一般很好很好很好很好很好好 离子交换很好很好/一般/ 吸附/一般好/ 反渗透一般很好好很好很好很好很好很好/ 超滤/一般很好很好很好很好很好/ 微滤/好一般很好很好/ 以上所述的水处理方法均有其局限性。蒸溜法对去除各种微粒有较好的适 应性，但其去除电解质离子的彻底性远不如离子交换柱，经过 2-3 次重复蒸溜 的水，其电阻率只有 1-2 Mcm，而离子交换柱出水的电阻率可达 16-18 Mcm；再如反渗透对溶解性气体及一价无机金属离子的去除彻底性很差，但 是对各种微粒均有很好的去除效果。但和各种传统水处理工艺比较，膜分离方 法（如反渗透，电渗析等）有操作简单、运行费用小、出水水质优良、环保等 优点，是一种前沿的水处理技术。它把传统的电渗析技术和离子交换技术有机 地结合起来，克服了电渗析不能深度脱盐的缺点，弥补了离子交换不能连续工 作的不足；无需消耗酸碱再生，不排放酸碱废水，是“物理”的净化过程，不 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 4 污染环境；产水水质满足锅炉用水对电阻率、硬度和硅等要求；现场安装工作 量小，施工周期短，设备占地面积小，厂房投资较低，运行费用低，管理方便， 因此被大量应用6。 第二章 膜分离技术 高纯水制备的主要方法有蒸馏法、离子交换法、膜分离法。当今，随着科 学技术水平快速提高和自动化程度的迅猛发展，对高纯水的需求量和水质要求 越来越高。离子交换再生频繁、操作复杂、维护麻烦、运行费用高等缺陷就越 来越突出。蒸馏法、电渗析法由于成本高、运行操作复杂等原因应用很少，且 大部分用于高盐水的淡化。随着膜分离技术的发展，以超滤（UF）和微滤 （MF）为预处理手段，反渗透（RO）为脱盐技术核心，结合活性炭吸附等辅 助方法面市，此法不仅净化效果远远优于传统工艺，出水品质更优；而且设备 更紧凑、操作更简便。且膜分离方法具有运行稳定、占地少、操作维护简单、 可实现高度自控，处理水量越大，被大量的应用于高纯水制备的工程中（如电 厂等企业） 。 2.1 膜分离技术简介 2.1.1 膜分离法定义 膜分离工程是一门科学，是人类在生产和科学领域中的一大进步。用天然 或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学差为推动力，对双组份或者多组 分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法，统称为膜分离法。 早在西周时，人们在酿酒过程中，使用一种名为莞蒲的植物来提高酒的浓 度，它的主要成分是纤维素。其原理是利用纤维素膜的渗透作用。水透过纤维 素膜进入莞蒲的多孔结果，而乙醇不能通过，则酒的浓度就提高了。腌菜同样 也是这么制成的，它也是利用了渗透作用。腌菜的细胞壁就是一层半透膜，使 菜脱出部分水，不仅改变口感，也延长保质期。这是人们最早利用膜分离技术 的事例，只不过那是的人们不能解释这种原理。 1748 年法国学者阿贝诺莱特通过水自然扩散到装有酒精容易的膀胱中的实 验发现了渗透现象。1854 年格拉哈姆发现了渗析现象。1861 年，施密特首先提 出超滤的概念。1863 年迪布兰福制成了第一个膜渗析器，并且成功进行了蜜糖 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 5 和盐类的分离，开创了膜分离的历史纪元。20 世纪 30 年代纤维素膜用于超滤 分离；40 年代有了离子交换膜的开发利用和电渗析分离法的研究和发展；50 年 代，加拿大学者索里拉金开始反渗透膜分离技术的实验和理论研究。70 年代开 始了液膜及其分离技术的研究7。 2.1.2 膜的分类 膜分离工程种类较多，主要有以下几类：反渗透、纳滤、超滤、微滤、渗 析、电渗析、渗透汽化、气体分离、液膜等。 以上方法除液膜外其他都要用到固体膜。膜是膜分离的心脏，不同的分离 方法用不同的膜。如表 2-1 所示。 表 2-1 膜的分类 来源材料物理状态形态结构制造方法 对称多孔 不对称 复合 有机 无孔不对称 转相 对称 固态 无机多孔不对称 乳状 合成膜 液态 有支撑层 生物膜原生质 细胞膜 2.1.3 膜分离应用 膜分离工程主要用于物质分离，如金属提炼、气体的分离、海水淡化、苦 咸水淡化、纯水及超纯水制备、中水回用、环境保护、污水处理等；控制释放， 如人工器官、药物胶囊等；生物制品的提纯；膜反应器以及医药、食品、农业、 化工等各个领域的生产和研制。表 2-2 列举了一些主要膜分离过程及种类。 表2-2 主要膜分离过程 膜的种类膜的功能分离驱动力透过物质被截留物质 反渗透 和纳滤 脱除盐类及 低分子物 压力差水、溶剂无机盐、糖类、氨基酸 超滤 脱除溶液中胶体、各类分 子 压力差离子、小分子蛋白质、细菌、病毒、乳胶 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 6 微滤 溶液的微滤、 拓微粒子 压力差 水、溶剂、溶解 物 悬浮物、细菌类、微粒子 透析 脱除溶液中盐类及 低分子物 浓度差 离子、低分子物、 酸、碱 无机盐、尿素、尿酸、糖类、 氨基酸 电渗析脱除溶液中离子电位差离子无机离子、有机离子 渗透汽化溶液中的低分子的分离压力差、浓度差蒸汽液体、无机盐、乙醇溶液 续表（2-2） 气体分离气体，气体与蒸汽分离浓度差易透过气体不易透过气体 对于膜分离工程而言，膜是主题，是心脏。但作为一项目工程仅有主题是 不够，还需要很多的辅助设备，如泵站、管道、阀门、压缩机、过滤器、精密 滤器、混床等等。以上这些结合才是完整的膜分离工程。 2.1.4 膜分离技术的优点 （1）膜分离过程是一部发生相变和无化学反应的过程； （2）与其他分离方法相比，能耗低，属于速率分离过程，分离效率高； （3）膜分离过程在常温下进行，特别适用于热敏性物质的分离； （4）适应性广，可按照要求设计，设备结构紧凑，容易扩大和缩小、操作 变 异、维护方便、费用低； （5）应用范围广、用于气-气分离、气固分离等； （6）对环境影响小，基本不造成污染。 2.2 膜分离技术在高纯水制备中的应用 2.2.1 以膜分离代替传统的预处理工艺 水中的杂质主要有大的颗粒、细小微粒、色素、异味、各种有机污染物、 细菌、病毒等微生物以及无机离子。预处理的主要任务之一是尽可能地去除这 些杂质，以满足下游装置的进水要求。传统的预处理方法是凝聚(絮凝、电凝聚) 多介质过滤活性炭吸附等过程，化学方法有加药杀菌等。这些方法大多沿用 了从浊度较高的河水、地表水。然而，高纯水的制造一般是以自来水来水源的。 以超滤和微滤为核心预处理手段，结合活性炭吸附等辅助方法不仅净化效果远 远优于传统工艺，而且设备更紧凑、操作更简便8。 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 7 2.2.2 以膜分离代替传统的脱盐工艺 对于深度脱盐（电阻率2 Mcm），传统的唯一方法是混合床离子交换。 其明显缺陷是再生分层困难，操作复杂，易产生阴阳树脂交叉污染及消耗大量 酸碱和清洗用水，污染环境等。田外在 80 年代中期推出了一种新型的电去离子 技术。EDI 是床离子交换树脂，从而集电渗析、混床离子交换和树脂电再生于 体，可单机连续深度除盐，树脂无需使用酸碱再生，在一定的工艺条件下出 水电阻率可达 15-18 Mcm。该技术的成熟使得在非电子级水的要求下将 EDI 代替 IEX 完全成为了现实。 2.2.3 膜分离是后处理的关键 对于医药行业生产注射用高纯水，膜技术虽然在电解质含量方面比蒸馏水远 远优越，但在生产系统及产水过程中具有生物污染的环境：活性炭床吸附富集 有机物，本身的多孔条件是细菌生产的温床；RO等膜的浓水则可以滋生微生物 等。在生产系统中采用适当的终端滤膜则是一项很有效的质控途径。一般用 0.22微米的微孔膜作医药用水使用点的终端过滤，可除去各种细菌；用UF膜或 荷电微孔滤膜或相当小孔径的MF膜既能除菌，又能有效去除细菌内毒素（热源） ，从而可安全地生产注射用水而彻底免去蒸馏机。由此可见，膜分离技术的发 展不仅在脱盐上逐步代替离子交换法，而且在微粒、细菌等指标要求方面起着 不可替代的作用。膜技术的发展必将决定纯水技术的未来。 从深度除盐的角度考虑，至今先后产生了以下四代纯水技术：离子交换 （IE）、电渗析离子交换（ED-IE）、反渗透离子交换（RO-IE）、反渗透电去 离子（RO-EDI），其中后三代纯水生产技术都属于集成膜过程。最新代的 RO- EDI般还用 UF、MF、NF 等前后处理手段，从而组成高效，高度集成的全膜 法处理工艺。不仅如此而且膜法工艺和传统的各种水处理工艺比较，有操作简 单、运行费用小、出水水质优良、环保等优点，是一种前沿的水处理技术。它 把传统的电渗析技术和离子交换技术有机地结合起来，克服了电渗析不能深度 脱盐的缺点，弥补了离子交换不能连续工作的不足；无需消耗酸碱再生，不排 放酸碱废水，是“物理”的净化过程，不污染环境；产水水质满足锅炉用水对电 阻率、硬度和硅等物质的要求；现场安装工作量小，施工周期短，设备占地面 积小，厂房投资较低，运行费用低，管理方便。 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 8 2.3 反渗透技术 2.3.1 反渗透脱盐原理 自然界有这样一种现象，当用一张半透膜将纯水与盐水隔开，纯水会向盐 水渗透并保持相应的渗透压；如果对盐水施加大于渗透压的压力，则盐水中的 水会向纯水方向渗透，此现象被称为反渗透现象，该半透膜即为反渗透膜。借 助压力强迫水分子透过对水分子有选择透过作用的反渗透膜，即是反渗透器的 脱盐9。 2.3.2 反渗透法脱盐应用现状 反渗透（Reverse Osmosis，RO） ，是花费数亿美元并经过多年的精心研制 而成的高科技水处理技术。这种薄膜分离技术，是依靠渗透膜在压力下使溶液 中的溶剂与溶质进行分离的过程。渗透是一种物理现象。反渗透就是在有盐份 的水中（如原水）施加比自然渗透压力更大的压力，使水由浓度高的一方渗透 到浓度低的一方，把原水中的水分子压到膜的另一边变成纯净水，而原水中的 细微杂质、胶体、有机物、重金属、细菌、病毒及其他有害物质都统统截留下 来并经污水出口排放掉。由于反渗透膜的孔径仅 0.0001 微米，一个细菌要缩小 4000 倍，过滤性病毒也要缩小 200 倍以上才能通过，所以其有效去除率高达 96以上。 反渗透是目前运用最广的脱盐技术，虽然在 1977 年久已经出现，但是直到最近 才广泛用于脱盐，它能用于去除有机物、无机盐、细菌、热源、病毒等等，能 有效去除水中杂质，且产水电阻率能比原水高近十倍，常用的反渗透膜有醋酸 纤维素膜、聚酰胺膜等。反渗透的动力以来于压力差，进出水比例一般控制在 10：6 到 10：7 之间，这样杂质去除率一般在 9599.7之间，市场上所出售 的纯净水就是用反渗透法所制造的。与其他水处理方法相比具有无相态变化、 常温操作、设备简单、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、适应范围广、 自动化程度高和出水质量好等优点。反渗透法产水纯净程度比电渗析法高。有 资料表明,反渗透法电耗、水耗均低于电渗析法,而且反渗透法设备结构紧凑、占 地面积小、运行效果稳定可靠、符合“清洁生产”要求,反渗透法是较其他方法更 为合理。而缺点也是存在的，那就是需要高压设备，原水利用率低大概只有 7580%，并且膜需要定期清洗10。 在众多高纯水制备的方法之中，其中蒸馏法、离子交换法、电渗析法由于 成本高、运行操作复杂等原因应用很少，且大部分用于高盐水的淡化。目前， 预脱盐处理常常采用的主要是离子交换工艺和反渗透工艺。离子交换已被广泛 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 9 使用许多年，我国八、九十年代初的纯水制备工艺基本上都采用离子交换法， 该工艺技术成熟，工艺可靠，而且可根据目标水质的要求进行多种离子交换方 式的组合。随着科技和自动化技术的发展，离子交换再生频繁、操作复杂、维 护麻烦、运行费用高等缺陷就越来越突出，九十年代逐渐被新的反渗透技术代 替，特别是预脱盐目前基本上都采用反渗透技术。和离子交换相比，反渗透具 有运行稳定、占地少、操作维护简单、可实现高度自控，处理水量越大，其优 势就越明显。 预脱盐后续的精脱盐处理工艺则根据目标水质的要求而有所不同，对超高纯水 （电阻率大于 16 Mcm） ，目前一般采用更先进的 EDI 技术；对电阻率低于 16Mcm 的纯水,目前仍采用经济可靠的混合床技术。因为对纯水的精脱盐， 混床又显示出其独有的优势：脱盐稳定，效率高，再生周期长，操作维护少。 近年来，由于膜分离技术的发展，纯水制备工艺流程多采用膜分离（电渗 析或反渗透）预脱盐的方式，以减轻离子交换装置的负荷，节省酸碱耗量，延 长再生周期并提高水质等；电渗析是利用交换膜的选择透过性，在外电场的作 用下强制去除电解质离子；反渗透是利用膜的单向透过性，靠渗透压原理去除 电解质离子。运行经验表明，先经膜分离预脱盐。再经过离子交换除盐处理的 水，最后经混床、精床处理能达到深度除盐的目的，水的电阻率及微量离子的 含量都能达到高纯水指标要求。 膜分离技术主要有电渗析和反渗透。反渗透适合处理含盐量较高且水质相 对稳定的源水，当源水的含盐量较高时，其浓度差增大，渗透压增大。由于膜 特殊的单向透过性，能比较彻底地除去盐分；而电渗析在处理这一类水时由于 极室出水必须不断地排出，才能保证电渗析的正常工作，浓室和淡室的水即使 达不到指标也必须及时排出，造成除盐不彻底，脱盐率低。所以，反渗透的脱 盐率高于电渗析，更能减轻交换柱的负荷，节约工业酸碱的用量，并且能大幅 度提高水的利用率，使水的利用率提高到 75。 反渗透技术已广泛应用于井水、地表水除盐, 饮用水净化。尽管全膜法处 理高纯水目前具有较大优势。但本文结合项目的实际情况，在综合技术因素、 经济因素的前提下，采用反渗透法和离子交换法相结合的方法可以用来制备高 纯水。 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 10 第三章 任务背景及说明 3.1 项目设计及依据 3.1.1 设计要求 按照设计任务书提出的要求：处理系统回收率 Y75%；原水水质指标： Ca2+=38.9mg/L；Mg2+=1.6mg/L； Na+，K+=128.9mg/L； HCO3- =66.2mg/L； SO42-=32.2mg/L； Cl-=16.2mg/L；含盐量：285 mg/L； pH=7.2； 浊度：1.2/NTU； 余氯=0；产水设计要求：产水量50m3/h（25） ；产水电阻：15M；见表 3-1。. 表 3-1 进水水质表 项目含量（mg/L）项目含量(mg/L) Na+,K+128.9Cl-16.2 Ca2+38.9SO42-32.2 Mg2+1.6HCO3-66.2 TDS285余氯0.0 SS35pH7.2 CODMn4.8TOC1.2 系统以地表水作为原水，显然原水水质达不到反渗透膜进水要求，如直接 进水，则反渗透膜在运行过程中易受水中悬浮物、胶体、微生物、结垢物及有 机物的影响，造成膜性能下降，进水压力上升、产水量下降、脱盐率下降，直 至发生膜污染和堵塞，毁坏整套反渗透装置。因此原水在进行反渗透之前首先 要进行预处理，严格控制进水的水质。反渗透膜分离过程是所有膜分离过程中 对进水水质要求较高的分离过程，完善的预处理过程是保证反渗透长期顺利运 行的关键。反渗透膜对进水水质的要求如下表 3-2。 表3-2 反渗透膜对进水水质的要求 项目卷式醋酸纤维素膜卷式复合膜中空纤维聚酰胺膜 SDI15443 浊度（NTU）0.20.20.2 铁（mg/L）0.10.10.1 游离氯（mg/L）0.2100 水温（）252525 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 11 操作压力 （MPa） 2.53.01.31.62.42.8 pH值56211411 3.1.2 设计参数 产水量：Q50m3/h（25） ； 产水电阻：15M；列出高纯水的水质指标见表 3-3。 装置回收率：75%； 操作压力：1.5MPa； 每支膜元件的回收率：15%； 水温：25； 表3-3 产水水质表 项目含量（mg/l） pH值范围（25）6.67.4 电导率0.1s/cm 比电阻 10M.cm 总有机碳20g/l 1M微粒数0.1个/ml Ca2+,Mg2+0.01mg/l 可溶性硅以(SiO2)计0.01mg/l 细菌个数0.1个/ml 3.2 项目设计原则 （1）认真贯彻国家的产业政策、技术政策、能源政策和环保政策。 （2）充分考虑资源的有效利用。根据技术上的可能性和经济上的合理性，对能 源、水资源、土地资源等进行综合利用。 （3）选用的技术要先进适用，尽量采用先进的、成熟的、适用的技术，要积极 吸收和引进国外的先进技术和经验。 （4）本设计主要依照膜分离工程及典型设计实例规范进行，以保证设计过 程和结果的规范有效11。 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 12 3.3 本设计工艺 水的净化是一个多级分离的纯化过程，每一级分离都去除一定量的杂质并 为后一级做准备。高纯水的制备过程即各种水处理单元过程的合理组合，本设 计工艺流程划分为三部分，即：预处理系统、反渗透系统和后处理系统。 预处理过程：按提供条件以地表水作为原水，其水质达不到反渗透膜进水 水质要求，因此在进行反渗透之前要进行一定程度的预处理，严格控制进水的 水质。系统的处理规模为50m3/h，RO回收率为75%，则原水的预处理量即为 66.67m3/h。选用离心泵将原水由河流提升，经过管道输送到原水箱里。原水箱 后向中投加NaClO,杀灭水的微生物。考虑到增压泵到保安滤器之间管道及设备 的水头损失，原水箱后设置增压泵。为了去除水中悬浮物、机械杂质，降低出 水浊度，在预处理中设置双层滤器。双层滤器后面投加NaHSO3，用来消除余氯。 为了较彻底的消除水中的余氯，保护后面的反渗透膜，双层滤器后再设置活性 炭器。为防止Ca2+, Mg2+离子浓缩后在膜组件流道内析出，造成膜污染和堵塞， 在预处理中也必须要以重点考虑。但如果经计算获得其LSI=1，因此可选择不 设置软化器，而选用投加抑垢剂的方法来达到这一目的，从而降低投资成本。 反渗透系统：设置保安滤器的作用主要是去除悬浮物质等杂质，保护高压 泵和以后的反渗透膜组件，使生产能够顺利进行。高压泵设置于反渗透系统之 前满足后面反渗透系统对压力的要求，但要考虑到季节气候温差的变化直接而 导致反渗透产水量的变化，这就需要用增压和减压的方式来调控稳定产水量， 因此选用的高压泵在保证流量的前提下，选择最高压力大于常温（25）操作 压力的20-30%左右。反渗透是整个系统的核心部分，它将去除水中绝大部分的 无机离子和几乎所有的细菌、病毒、有机物及胶体等杂质。 后处理系统：高纯水制备中的进一步脱盐及水中二氧化碳的除去，反渗透 无法实现，还需要IE或EDI、除碳器等其他方法组合来完成，因此反渗透系统 之后还需要后处理系统处理。即反渗透的产水再经增压泵进脱碳器，同时用鼓 风机向脱碳器进气鼓风，除去水中溶解的CO2，进行除碳处理。设置脱碳器， 能满足出水CO2含量的要求。脱碳器出水再用增压泵将水提升到IE混合床的上 端进口（或EDI器的进水口） ，进行进一步脱盐，深度除去水中的残留痕量离子， 水的电导率进一步降低，设置混床设备，由于混床出水中可能含有一些杂质， 故在最后设置精密滤器，去除这些物质，提高水的纯度。 本工艺的流程示意图如图3-1所示： 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 13 图 3-1 流程示意图 离心泵 原水箱增压泵 双层滤器（多介质过滤器） 絮凝剂加药装置 活性炭吸附器保安过滤器高压泵反渗透系统 中间产水水箱 水箱 增压泵鼓风机 脱碳器 增压泵 混床紫外杀菌器精密滤器 阻垢剂加药装置 产水水箱 进水 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 14 第四章 计算说明 4.1 预处理系统 系统采用地表水作为原水，其水质达不到反渗透膜进水水质要求，因此反 渗透膜在运行过程中易受水中悬浮物、胶体、微生物、结垢物及有机物的影响， 使膜受到污染、堵塞；造成膜性能下降，进水压力上升、产水量下降、脱盐率 下降。因此在进行反渗透之前要进行一定程度的预处理，严格控制进水的水质。 反渗透膜分离过程是所有膜分离过程中对进水水质要求较高的分离过程，完善 的预处理过程是保证反渗透长期顺利运行的关键，预处理的好坏不仅决定着反 渗透装置的清洗次数，而且决定着反渗透膜元件的使用寿命。预处理部分主要 解决以下问题： （1）胶体物质及悬浮物固体颗粒、泥沙等产生污堵； （2）原水中的钙、镁、钠、锶、钡、铝、锰、铁、钾等金属离子、原水中 的磷酸根、碳酸根、碳酸氢根、硫酸根、硝酸根等离子与金属离子作用、大分 子有机物质、微生物产生污堵； （3）原水中的游离氯等对膜造成氧化等污染，影响膜的寿命。 （4）保持反渗透系统长期稳定运行和装置产水量稳定12。 本系统预处理部分主要包括：离心泵、原水箱、加氯杀菌装置、增压泵、 絮凝剂投加装置、双层滤器、NaHSO3投加装置、活性炭滤器、阻垢剂投加装 置、保安滤器等装置。 系统的处理规模为 50 m3/h，回收率为 75%； 原水的进水流量 50 m3/h75%=66.67 m3/h。 4.1.1 离心泵 利用离心泵将原水由河流提升，经过管道输送到原水箱里，并仔细检测原 水的各项指标的变化情况，以采取有效的措施。最好做到在线监测。离心泵房 内应该至少有备用设备，以防止出现故障而断水。单套设备的最大扬程为 30 m, 最大供水量为 70 m3。选择广州市第一泵厂生产的 XA50/16A 压力泵两台（一用 一备） 。 4.1.2 原水箱 为了保证有稳定充足的原水，考虑 4 小时的缓冲时间。计算原水箱的容积， 各部尺寸为： 底面半径：r=4.2 m； 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 15 水箱有效高度：h=5 m； 有效容积：V =4.24.253.14=277 m； 保护超标：取 0.3 m； 材质：不锈钢，箱内配置浮球阀 1 个，到达预定液位时自动停止进水。为 尽量避免细菌污染，水箱采用封闭形式，并在通空气处设有呼吸器，过滤净化 空气。 因为有效容积 277 m466.67=266.68 m，所以满足 4 小时的缓冲时间， 所以需要 1 个这样的水箱能够满足要求。 4.1.3 计量泵和加药量 原水箱后在线投加 NaClO 药剂,以杀灭水中的微生物细菌、病原体等。投加 量按原水的 3 mg/L 计算； 投药量：3 mg/L66.67 m/h=66.67 m/h3 g/m=0.2 kg/h 将药品按要求稀释成 15%的水溶液，其质量为：0.2 kg/h15%=1.33 kg/h； 取药品溶液的密度近似为 1 kg/L，则每小时的加入体积为： V=1.33 kg/h1 kg/h1 h=1.33 L； 计量泵的流量：1.33 L/h1000/3600=0.369 ml/s； 计量泵泵型：根据所需要提供流量大小（0.369ml/s） ，通过查阅选择重庆水 泵厂的 J1W1.3/2.0 型号泵。 4.1.4 增压泵 考虑到离心泵到保安滤器之间管道及设备的水头损失，原水箱后设置增压 泵。 保安滤器的操作压力范围为：0.1Mp0.2 Mp，这部分压力由增压泵提供， 考虑到增压泵到保安滤器之间管道及设备的水头损失，选取扬程在 2530 m， 流量在 70 m3/h 的增压泵 XA50/16A 两台（一用一备，同上） 。 4.1.5 絮凝剂投加 絮凝剂是使液体中分散的细粒固体形成絮凝物的高分子聚合物。在此加入 絮凝剂的目的是为了使水中分散的颗粒絮凝成高分子聚合物，再利用下阶段的 保安滤器去除。 增压泵后加入 ST 絮凝剂，按每升水加入 2 毫克计算，则絮凝剂的投加量 为：Q絮=210-310-310366.67=0.14 kg/h 根据水处理设备产品选型手册选取由中美海德威水处理技术公司制造 的 Encore100 44 系列隔膜计量泵两台（一用一备） 。 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 16 4.1.6 双层滤器 双层滤器的结构为：上层滤料为无烟煤，下层为石英砂。 按照水处理设备产品选型手册数据，选取产品标记LQJ-20J的双层滤器 2个： 该滤器的主要参数为： 设计滤速：v=68 m/h； 直径：D=2 m； 设备重量：m=2893 kg； 上层滤料高度：h1=700 mm； 下层滤料高度：h2=700 mm； 滤器总高度：h=4128 mm； 4.1.7 投加 NaHSO3 双层滤器后设 NaHSO3投加装置，用来消除余氯。按 NaClO 投加后其水中 NaClO 药剂残留量为 1.5 mg/L；折算成水中残留余氯量为 0.1 mg/L。则： 余氯量为：0.110-610366.67=6.6710-3 kg/h； 按照经验，向水中投加 NaHSO3的量为 5 mg/L，则投量为：510- 610366.67=0.34 kg/h； 将药品配制成 10%的溶液，溶液质量为：0.34/10%=3.4 kg/h； 取溶液的密度为 1 mg/L，体积是 3.4 L/h； 则计量泵的流量为：3.4 L/h1000/3600=0.93 ml/s； 选泵：根据查表可选择重庆水泵厂的 J1W4/0.63 的计量泵。 4.1.8 活性炭器 为了较彻底的消除水中的余氯，保护后面的反渗透膜，设置此活性炭器： 按照水处理设备产品选型手册数据，选取产品标记 QC-HXT1500 的 活性 炭器 2 个（一备一用）： 该活性炭器的主要参数为： 设计流速：v=10 m/h； 直径：D=1.5 m； 设备重量：m=2.5 t； 高度：h=1595 mm； 活性炭层高度为：2 m； 过滤进水、反洗出水：100 mm； 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 17 过滤出水、反洗出水：100 mm； 排气口：20 mm； 4.1.9 软化器或阻垢剂： 软化器即降低水硬度的设备，主要除祛水中的钙、镁离子，软化水设备在 软化水的过程中，不能降低水中的总含盐量。 软化器运用原理：由于水的硬度主要由钙、镁形成及表示，故一般采用阳 离子交换树脂(软水器)，将水中的 Ca2+、Mg2+（形成水垢的主要成份）置换出 来，随着树脂内 Ca2+、Mg2+的增加，树脂去除 Ca2+、Mg2+的效能逐渐降低。 当树脂吸收一定量的钙镁离子之后，就必须进行再生，再生过程就是用盐 箱中的食盐水冲洗树脂层，把树脂上的硬度离子在置换出来，随再生废液排出 罐外，树脂就又恢复了软化交换功能。 由于水的硬度主要由钙、镁形成及表示由于水的硬度主要由钙、镁形成及 表示钠离子交换软化处理的原理是将原水通过钠型阳离子交换树脂，使水中的 硬度成分 Ca2+、Mg2+与树脂中的 Na+相交换，从而吸附水中的 Ca2+、Mg2+，使 水得到软化。 阻垢剂是指具有能分散水中的难溶性无机盐、阻止或干扰难溶性无机盐在 金属表面的沉淀、结垢功能,并维持金属设备有良好的传热效果的一类药剂。阻 垢剂以环氧树脂和特定氨基树脂为基料，加入适量的各种防锈、防腐等各种助 剂配制而成，为单组分。它具有优异的屏蔽、抗渗、防锈性能、良好的阻垢、 导热性，优良的耐弱酸、强碱、有机溶剂等性能，它的附着力强，且膜层光亮、 柔韧、致密、坚硬。 朗格利尔饱和指数(Langelier saturation index，简称LSI）朗格利尔指数又称 饱和指数，是水样实测的PH值减去饱和PH值（PHs）所得的值。碳酸钙在水中 呈饱和状态时，重碳酸钙既不分解为碳酸钙，碳酸钙也不会继续溶解，此时的 PH值称为饱和的PH值，以PHs表示。若水样的PH值大于PHS，LSI为正值时，碳 酸钙会从水中析出，这种水属结垢型水；当LSI为负值时，原有水垢层会被溶解 掉，使原材料裸露在水中受侵蚀，这种水称作侵蚀型水；当LSI等于零时，水处 于饱和状态，这种水属于稳定性。饱和PH与饱和指数的概念有朗格利 （Langelier）提出，用以判断碳酸钙水垢在水中是否会析出。并据此提出用加 酸或用加碱处理方法来控制水垢的析出13。 计算朗格里尔指数，用来判断是否要加软化器。 LSI=pHru-pHB； （式9- 1） 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 18 其中：pHru-运行温度下测得的pH值； pHB-水被CaCO3饱和时的pH值； 水温：25； 查表可得温度函数： f1（T）=2.00； Ca2+, Mg2+的总浓度为：40.5 mg/L 查表得f2(Ca2+)=1.6； 水的碱度：7.2 mmol/L 查表得f3（A）=1.86； 含盐量：285mg/L 查表得 f4(S)=8.80； 本系统pHru=7.2； pHB=f1（T）-f2（Ca2+）-f3（A）+f4（S） =2.0-1.6- 1.86 +8.8 =7.34； 则：LSI=pHru-pHB= 7.34-7.2=0.141.0； 根据有关资料和运行的实际经验，不用设置软化器，但是要加阻垢剂， 防止Ca2+, Mg2+对膜组件造成污染，延长膜的使用寿命。 阻垢剂的种类及投加量： 阻垢剂采用聚丙烯酸（PAA） ，投加量为1.0mg/L； 总的投加量为：1.010-610366.67=0.067kg/h； 4.1.10 保安滤器： 保安滤器的作用主要是去除悬浮物质等杂质，保护高压泵和以后的反渗透 膜组件，使生产能够顺利进行。 按照水处理设备产品选型手册数据，选取产品标记 YS50-30； 该保安滤器的主要参数为： 直径：d=700mm； 总高：h=1950mm； 设备重量：m=350kg； 处理量：75m3/h； 工作温度：20-120； 设计压力：10kgf/cm2； 经过比较，此保安滤器可以满足工作需要。 4.2 反渗透系统 反渗透简称 RO，主要由高压泵与反渗透膜组成。 天津大学仁爱学院 2011 届本科生毕业设计（论文） 19 4.2.1 高压泵 为了满足后面反渗透系统对压力的要求，而高压泵的工作压力又不能过高， 防止对后面的膜元件产生冲击作用。根据高压泵的出水压力在1.5Mpa左右，故 选择高压泵的扬程在130m左右。流量应该满足生产的需要，额定流量 Q70m3/h。选用IS10065315型号泵两台（一用一备） 。 4.2.2 反渗透膜组件 由生产水量及回收率的要求，而每个膜元件的回收率应15%，每个膜组 件里面是串联 6 个膜元件，可以看成是 6 个膜元件分段排列。计算每个膜组件 的最大回收率： Y=15%+(1-15%)15%+(1-15%)215%+(1-15%)315%+(1-15%) 415%+(1-15%)515% =15%+12.75%+10.84%+9.21%+7.83%+6.66%=62.32%75% a：Y1= Y2，则第二段膜的回收率过高，不利于膜的长时间稳定运行，此方 案不理想。 b：Y1=55%，可以计算出 Y2=45%；Y1不是太高，而 Y2也不太高，而且它 们的回收率也不是太低，比