淺議反滲透系統運行參數標準化應用

段小冰

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

前言

近年來，隨著水資源的污染和逐漸枯竭，以反滲透技術為代表的水處理技術得到了快速發展，越來越多的企業都在建設反滲透系統，但因缺乏反滲透技術方面的人才，各反滲透系統的運行水平參差不齊。為了能夠很好地發揮反滲透系統的作用，需要規范反滲透系統的運行管理。對反滲透系統運行參數進行標準化，是規范反滲透系統運行管理的關鍵。

在實際生產過程中，反滲透系統的運行條件在不斷地發生變化，如進水的溫度、電導率、壓力和SDI（淤泥密度指數）值等，這些運行條件的變化會引起反滲透系統的產水量、回收率、跨膜壓差和脫鹽率等運行參數的變化。為了判斷反滲透系統運行參數的變化是因運行條件發生變化而引起的正常變化，還是因水質發生惡化后導致反滲透系統發生污堵，造成反滲透膜元件性能衰減而引起的異常變化，則需要將反滲透系統的運行參數進行標準化，并將其與反滲透系統實際運行參數進行對比。如標準化運行參數與實際運行參數相比沒有發生較大偏差，則說明反滲透系統運行正常；如發生了較大偏差，則說明反滲透系統出現了污堵或其他不正常現象，應及時排查原因，并采取相應措施，以避免反滲透系統發生污堵或反滲透膜元件發生性能衰減。

1 運行參數確定的條件

反滲透系統運行參數的確定對反滲透系統長期、安全和穩定的運行是至關重要的。反滲透系統運行參數的確定需要以下2個條件。

1）在設計反滲透系統時，應根據原水的水質情況確定反滲透系統合理的膜通量和回收率。當膜通量和回收率過高時，反滲透系統產水量大，此時，如果反滲透膜元件濃水側溶液的濃度過高，濃水量減少，流速降低，會加劇反滲透膜的濃差極化現象發生[1]，導致反滲透系統發生污堵或結垢現象；當膜通量和回收率過低時，雖然反滲透系統污堵速度減緩了，但投資相對較高。通過中試確定鋼鐵企業廢水脫鹽反滲透系統的膜通量為17 L/（m2/h），回收率為65%。

2）確定反滲透系統的運行模式。反滲透系統的運行模式一般可分為恒流量運行模式、恒壓運行模式和恒流量恒壓雙恒量運行模式3種。壓力傳感器與流量傳感器相比具有成本低、精度高和安裝方便的優勢，且實現恒壓控制更加容易。但是，國內大多數鋼鐵企業對排水（即水源）量和供水量的要求穩定不變，而且反滲透系統的恒流量運行模式也有利于前后系統工藝的設計和運行，因此，大部分反滲透系統以恒流量模式進行設計和運行。

反滲透系統的膜通量、回收率和運行模式等選定后，根據這些運行參數及其影響因素確定操作人員日常需監測和記錄的數據，包括進水的溫度和pH值，反滲透系統的進水、段間和濃水的壓力，進水和產水的電導率，產水和濃水的流量，進水的SDI值以及反滲透系統的運行時間。

2 模型建立

反滲透系統的進水具有諸多參數，其中影響反滲透膜元件使用壽命及反滲透系統長期穩定運行的主要參數有溫度、pH 值、余氯、濁度、污染指數和有機物等。這些參數在反滲透系統的實際運行過程中不是恒定不變的，而是動態的，在恒流量運行模式的反滲透系統中，這些參數最終體現的是產水量、脫鹽率和跨膜壓差等3項參數的變化，是日常運行管理過程中監測的重要指標。操作人員根據產水量的變化來調節反滲透系統的工作壓力，使產水量始終保持一個恒定值，以保證反滲透系統的恒流量運行。對于特定的反滲透膜元件，這3 項參數代表其實時參數，也是其3項外部特性指標，它們雖不能準確地反映反滲透膜元件是否真的受到損壞或發生性能衰減，但通過這3 項參數卻可以直接獨立地反映其透水系數、脫鹽系數和流道阻力系數[2]。要想判斷這些參數變化對反滲透系統的影響是否為正常變化，則需每天及時記錄該系統的日常運行數據，并建立標準模型，對參數進行標準化，以確定反滲透膜元件是否被損壞或發生性能衰減。

反滲透系統運行參數標準化一般包括標準化產水量、標準化跨膜壓差和標準化脫鹽率等3項。

2.1 標準化產水量

產水量為反滲透系統的產能，即單位時間內透過反滲透膜的水量。標準化產水量Q的計算式為：

式中：Qp——反滲透系統的實際產水量；

Pav1——反滲透系統的初始有效壓力；

Pav2——反滲透系統的實際壓力；

TCF1——反滲透系統的實際溫度校正系數；

TCFr——反滲透系統的初始溫度校正系數。

反滲透系統的壓力Pav 的計算式為：

Pav=(P1+P2+P3)/3

式中：P1——反滲透系統的給水壓力；

P2——反滲透系統的段間壓力；

P3——反滲透系統的濃水壓力。

反滲透系統的溫度校正系數TCF的計算式為：

TCF=Exp{2 700×［1/（273+T）-1/298］}

式中：T——進水溫度。

2.2 標準化跨膜壓差

在生產過程中，不僅要關注反滲透系統的產水量，還需關注反滲透系統的跨膜壓差。跨膜壓差是指驅動水通過反滲透膜所需的壓力,即進水壓力和濃水壓力之間的差。標準化跨膜壓差Dp 的計算式為：

式中：Dp0——反滲透系統的實際壓降；

Qfcr——反滲透系統的初始進水和濃水的平均水量;

Qfc——反滲透系統的實際進水和濃水的平均水量;

Qcr——反滲透系統的初始濃水量;

Qpr——反滲透系統的初始產水量;

Qc——反滲透系統的實際濃水量;

Qp——反滲透系統的實際產水量。

2.3 標準化脫鹽率

脫鹽率是衡量反滲透膜元件性能指標的一項重要指標，脫鹽率決定了反滲透系統產水的水質。標準化脫鹽率Rej 的計算式為：

式中：Rej1——反滲透系統的實際脫鹽率；

Qr——反滲透系統的初始產水量；

ECp——反滲透系統的實際產水電導率；

ECp0——反滲透系統的實際進水電導率。

3 實際應用

在一個運行周期內，由于原水溫度和電導率的變化，反滲透系統產水量和運行壓力也隨之變化。為了能夠準確把握反滲透系統的運行狀況，對其運行參數進行標準化分析，消除反滲透系統運行溫度對產水量、跨膜壓差和脫鹽率的影響，以反映反滲透系統的真實運行狀況。

3.1 產水量

反滲透系統的運行條件及實際產水量和標準化產水量見表1。

表1 反滲透系統的運行條件及實際產水量和標準化產水量

反滲透系統的實際產水量和標準化產水量的變化情況如圖1所示。

圖1 反滲透系統實際產水量和標準化產水量的變化情況

由圖1可見，隨著反滲透系統運行時間的延長，實際產水量基本保持不變，而標準化產水量逐漸下降。實際產水量基本保持不變是由于反滲透系統采取恒流量運行模式，在反滲透系統產水量下降的情況下，通過調整變頻泵的頻率，提高反滲透系統的進水壓力，保證產水流量和濃水流量恒定不變。標準化產水量逐漸下降表明，反滲透系統已經發生污堵，當標準化產水量下降嚴重時應及時對反滲透系統進行化學清洗，以防止反滲透膜元件的性能進一步惡化。

3.2 跨膜壓差

反滲透系統的運行條件及實際跨膜壓差和標準化跨膜壓差見表2。

表2 反滲透系統的運行條件及實際跨膜壓差和標準化跨膜壓差

反滲透系統的實際跨膜壓差和標準化跨膜壓差的變化情況如圖2所示。

圖2 反滲透系統的實際跨膜和標準化跨膜壓差變化情況

由圖2可見，隨著反滲透系統運行時間的延長，實際跨膜壓差和標準化跨膜壓差都在不斷升高，說明反滲透系統發生了污堵情況，其反滲透膜元件的性能在不斷下降，因此，需根據標準化壓差增長情況，及時對反滲透系統進行化學清洗，以恢復反滲透膜元件的性能，保證反滲透系統穩定運行。

3.3 脫鹽率

生產廠商提供的反滲透膜元件性能標準為，當使用年限小于3 年時，其脫鹽率不小于97%；當使用年限為3～5 年時，其脫鹽率不小于95%。生產過程中反滲透系統的運行條件及實際脫鹽率和標準化脫鹽率見表3。

表3 反滲透系統的運行條件及實際脫鹽率和標準化脫鹽率

反滲透系統的實際脫鹽率和標準化脫鹽率的變化情況如圖3所示。

由圖3可見，隨著反滲透系統運行周期的延長，反滲透膜的實際脫鹽率逐年降低，但具有一定的規律性，而且符合廠商提供的反滲透膜元件性能標準，說明反滲透膜元件沒有產生異常損傷，屬于正常的性能衰減。在生產過程中需做好反滲透系統日常運行數據的記錄，并定期進行數據分析，才能判斷反滲透膜元件性能衰減的趨勢以及損壞情況，并有計劃地更換反滲透膜元件，以保證反滲透系統的正常運行。

圖3 反滲透系統的實際和標準化脫鹽率的變化情況

4 結語

由于受多種因素的影響，反滲透系統的運行參數會產生實時、動態的變化，需通過對運行參數進行標準化來判斷該系統的真實運行狀況。掌握反滲透系統是否運行正常，有助于反滲透系統的故障排除。反滲透系統運行參數標準化的目的是為了監測反滲透系統膜元件性能的變化趨勢，有效評價反滲透系統的運行狀況，保證反滲透系統的正常運行。