小型反滲透純水制備系統工藝設計

張 放，時 艷，郭 姣

(1.中鋁山東工程技術有限公司，山東 淄博 255052； 2.山東大學 機械工程學院，山東 濟南 250061)

反滲透是一種技術先進、效率高、相對節能的分離技術，利用反滲透膜分離溶質與溶劑已經成為一種技術成熟的水處理技術。根據水質的不同選取反滲透膜，使反滲透產水滿足《飲用凈水水質標準》(CJ94—2005)的標準。

目前反滲透技術已廣泛應用于水處理系統中，本文介紹了0.5 t/h小型反滲透水制備系統，該系統可應用于辦公樓飲水、實驗純水制備、制藥、食品、電子、生物和化纖等不同工業場景中[1-4]。

1 工藝流程設計

1.1 預處理流程

采用“預處理+反滲透”的水凈化工藝流程，其預處理[5]系統包括多介質過濾器和超濾過濾器，預處理過程能夠有效地延長反滲透膜的使用壽命，且反滲透系統的產水效果很大程度上依賴于預處理的情況。圖1描述了水處理凈化的工藝流程[6]，如圖1所示：自來水經過自來水閥門之后進入原水水箱，由此開始進行預處理過程；泵抽取原水進入多介質過濾器，其中包含石英砂和活性炭，石英砂去除水中的懸浮顆粒，活性炭去除水中的異物化學重金屬物質、并吸收余氯等，多介質過濾器需要進行反沖洗，反沖洗水進入濃水處理系統；多介質過濾器處理過后的水進入超濾過濾器，能夠有效去除水中微粒、膠體、細菌、熱源和有機物等，而尺寸比膜孔徑大的溶質分子被膜截留，超濾過濾器同樣需要反沖洗，反沖洗水和濃縮液進入濃水處理系統，預處理過程完成。

圖1 工藝流程圖

高壓泵抽取預處理之后的水進入反滲透系統，截留細菌、病毒、重金屬離子等污染物；經過反滲透系統之后的水分流一部分進入冷純水箱冷卻作為常溫水，另一部分經過電加熱得到熱水，儲存在熱純水箱中，反滲透產水后所有與水接觸的材質全部為衛生級[7]。

從理論層面上來看，反滲透膜能夠將自來水中的微生物完全去除，但由于是實際操作過程中一旦系統停止運行，系統內極有可能產生細菌，為了保證冷、熱純水箱的水質情況，內部需布置紫外線燈進行殺菌消毒，保證飲用水是無菌無毒的。

結合工藝流程圖畫出工藝流程設備運行圖，如圖2所示。

圖2 工藝流程運行設備圖

1.2 反沖洗系統

在反滲透系統正常運行時，給水、濃水流沿著反滲透膜表面以一定的流速流動，原水中污染物很難沉積下來，但是如果反滲透系統停止運行，這些污染物就會立即沉積在膜的表面，對膜元件造成污染。所以要在反滲透系統中設置反沖洗系統[8-9]，利用反滲透膜產水對膜元件表面進行停運沖洗，防止二次污染。

若四小時內不進行新一次的制水，進行定時自動沖洗，PLC腦控制系統便打開開關閥、自動沖洗閥門，依靠自來水的壓力，對反滲透膜自動沖洗30 s。

1.3 濃水處理

需要處理的濃水包括反滲透系統的濃水以及多介質過濾器、超濾過濾器和反滲透系統的反沖洗水。將其引入濃水多介質過濾器，加入絮凝劑，具體用量需要根據水質情況，進行預實驗確定。

本文設計系統中采用加入絮凝劑的方式處理濃水，并且處理之后的水回到原水箱，增加回收率[10]。

為了實現對水的充分利用，處理后的濃水也可以回用作生產用水，可用作過濾裝置的反沖洗水、除塵水、冷卻水；對于用水水質要求不高的可直接回用，比如沖灰、沖渣；也可作為中水雜用，如道路灑水降塵、綠化用水、沖廁、車輛沖洗、車間地面沖洗、建筑施工；符合相關要求且市政及城鎮污水處理廠同意接收的可排入市政污水管網送城鎮污水處理廠處理。

1.4 控制系統

當冷純水箱、熱純水箱中的水位計在低水位時，PLC控制系統[11-13]啟動進水開關閥、各輸送水泵，于是自來水經多介質過濾器、超濾過濾器進行預處理，由高壓泵抽取預處理后的水，進入反滲透膜管系統內。本控制系統采用PLC作為控制器，通過反饋控制的方式控制水位，如圖3所示。PLC連接傳感器輸入模塊和水泵輸出模塊，其中輸入模塊為數據采集處理模塊。傳感器輸入模塊一直采集冷、熱水箱的水位數據信息，采用水位傳感器收集數據。當冷、熱水箱內的水位計到達低水位時，輸入模塊觸發PLC控制水泵的控制信號，開始抽水提升水位；當冷、熱水箱內的水位超過規定高水位時，輸入模塊觸發PLC的控制信號，停止水泵抽水工作，穩定水位，從而實現水位穩定在規定范圍。

圖3 水位控制方案結構框架圖

根據檢測最終產水的電導率來檢驗純水生產的凈化程度。根據最終產水的電導率情況，控制各閥門、水泵調頻器，使各過濾器和反滲透系統處于最佳的運行狀態；根據最終產水的電導率情況，判斷是否需要更換膜。

2 主要設備選型

2.1 反滲透膜

反滲透膜的選擇至關重要，根據各種因素的綜合平衡，一般認為產水量5 t/h以上的反滲透系統采用8040膜元件比較合適，3 t/h以下的反滲透系統采用4040膜元件比較合適，3～5 t/h的反滲透系統采用8040膜元件或者4040膜元件均可。

選膜依據[14]為原水水質和用戶設計要求，反滲透膜的脫鹽率、反滲透膜的產水量和反滲透膜的回收率[15]是三個參考依據，其在反滲透膜元件制造成形時就已確定。

根據以上因素的平衡，選擇的反滲透膜[16]是由美國Dow Filmtec(陶氏)公司生產的2支FILMTECTMBW30-LCLE 4040，配內徑是101 mm的膜組容器。

2.2 高壓泵

膜元件的實際使用壓力則受到環境溫度、平均水通量、進水含鹽量、系統回收率、膜元件種類等各種因素的影響，膜元件的使用壓力隨工況而改變。

反滲透膜的工作壓力選取為0.6 MPa，但是由于反滲透膜組的水通量每年會衰減，為了保證三年后的工作壓力，選取稍大揚程高壓泵，保證泵壓力富裕[17]。

由表1可知，取地表水通量的最大衰減值每年為9.9%，工作壓力為0.6 MPa，在一定范圍內工作壓力與水通量正相關，按照每年衰減值為10%計算，為了保證3年后達到設計產水量的泵，高壓泵的選用揚程不小于78 m高壓泵。

表1 平均水通量及允許每年水通量衰減百分數

2.3 多介質過濾器

多介質過濾器可以減少反滲透原水中懸浮固體物和膠狀固體物，其中對于濾料的選擇十分重要，濾料種類繁多，且功能不同[18-19]。

結合原水水質選取雙層濾料過濾，石英砂和活性炭組合的成套多介質過濾器。上層采用粒徑大、相對密度小的石英砂，增加容污能力，水頭損失增加較慢；下層采用小粒徑、大相對密度的活性炭，增加吸附作用，具體參數見表2。

表2 多介質過濾器參數表

2.4 超濾過濾器

超濾器對去除溶液中的微粒、膠體、細菌、熱源和各種有機物有較好的效果，在水處理系統工程和物質分離領域中的必備設備[20]，超濾膜的參數見表3。

表3 超濾膜參數表

3 工藝選型計算

3.1 反滲透膜的選型

反滲透膜的型號為FILMTECTMBW30-LCLE 4040，產水量為0.25 t/h，即2支膜可滿足產水要求。

由表4可知，系統回收率為29%，單支膜的回收率為16%。

表4 40"系統中膜組件的最大回收率 %

兩支膜的兩種排列方式如下：

并聯-一級一段式(見圖4)系統計算實際回收率為16%。

圖4 并聯-一級一段式

串聯-一級兩段式(見圖5)系統計算實際回收率為29.4%。

圖5 串聯-一級兩段式

為了保證0.5 t/h的產水量，膜組并聯的進水為3.125 t/h，膜組串聯的進水量為1.7 t/h，經對比選擇反滲透膜組串聯排布方式。因此，當設計產水量要求比較小時，通過串聯的方式排布反滲透組件可以提高回收率。

3.2 反滲透管路系統的阻力計算

原則上，為確定最優管徑，可選擇不同的流速作為方案計算，從中找出經濟、合理的最佳流速或管徑。對于車間內部的管路，可根據經濟流速范圍，經驗性地選用流速，然后由質量守恒式計算管徑，再根據管道標準進行圓整。

流動阻力主要由兩部分組成：一種是直管，另一種是彎頭、閥門等各種管件。直管造成的機械能損失稱作流動阻力損失；管件造成的機械能損失稱為局部阻力損失。流動阻力損失相對于局部阻力損失，可忽略不計。

本設計系統中產水量為0.5 t/h，反滲透系統入口流量為1.7 t/h，水處理系統進水流量為2.0 t/h，工作條件為室溫25 ℃，一個標準大氣壓下，水的黏度為0.894 9 mPa·s，密度為997.13 kg/m3。

經驗選擇水的流速為1 m/s，管徑d=0.023 04 m，圓整內徑為20 mm，則流速為

(1)

(2)

因此，Re大于2 300，系統流動狀態為湍流。

根據Blasius式，則摩擦因數λ為

λ=0.316 4/Re0.25=0.022 5

(3)

根據本設計系統的工藝流程運行設備圖及管路的長度，預計管路為10 m，則湍流時直管阻力損失為

(4)

根據系統設置，各設備的壓力降見表5。

表5 各設備的阻力損失匯總 MPa

綜上所述，直管阻力損失和局部阻力損失總和所導致的水頭損失為Hf=6.760 9 m，即整個設計系統中所選擇的泵的揚程必須大于水頭損失，選擇輸送水泵型號為25GP-30，揚程為30 m，即檢驗、驗證了泵選擇的正確性。

4 結 論

(1)“預處理+反滲透”的工藝流程能夠很好地保護和延長反滲透系統的壽命，使其運行更長的時間。

(2)當設計產水量比較小時，反滲透模組的串聯能夠增加回收率。

(3)處理后的濃水回流也能夠增加反滲透系統的回收率。

(4)反滲透系統的設計流程主要是根據原水水質選取膜元件的類型，根據產水量、產水水質選取膜元件的數量和膜組件的排列方式，由此可計算出反滲透的回收率,通過選擇的膜的設計守則計算膜元件所需要的推動力進行高壓泵的選型，并且選擇配置儀表以及閥門的選型。