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2.3 膜系统工艺设计
苦咸水的淡化的核心是脱盐段。由于反渗透技术的迅速发展，化学处理、离子交换、蒸馏等脱盐工艺逐渐退出苦咸水淡化领域，因此不作为比选的内容，课题组重点对EDR、NF、RO工艺进行对比，见表2-2。
表2-2 脱盐段水处理工艺对比
以脱盐为主要目的的膜系统工艺设计中，存在着典型与非典型两类工艺设计问题。典型工艺设计针对较为普遍的设计依据参数及系统结构，系统设计主要内容包括：膜元件与膜容器的品种、规格、数量及排列方式的选择，加压泵的品种、规格及数量的选择，以及系统最高回收率参数等典型问题。膜系统非典型设计针对较为特殊的设计依据及较为特殊的系统结构，系统设计主要内容包括：浓水回流、淡水背压、段间加压、品种配置、规格配置、分质供水、半级系统、无级间泵两级系统等特殊工艺及运行参数。膜系统不同工艺间既存在形式上的差异，也存在特定功能上的重叠，在系统工艺设计时存在工艺的取舍及功能的最佳配合问题。
膜厂商为标定膜产品而提供膜元件测试参数的同时，还为反渗透膜系统的设计提供了系统设计软件。海德能、陶氏、东丽、世韩等膜厂商的系统设计软件分别称为IMSDesign、ROSA、TotrayRO、CSM-Pro。尽管各厂家的软件对应的产品、界面风格和具体参数不一样，但主要计算过程和输出结果的形式是比较接近的，本研究基于IMSDesign进行工艺模拟。
由于膜对被分离两组分的非理想半透性，特定的膜分离过程存在透速比、透速率、分辨率3个主要参数表征其性能水平。根据处理精度，膜分离工艺可以分为精滤、微滤、超滤、纳滤、电渗析、反渗透、树脂床电渗析（EDI）。其中精滤、微滤、超滤、纳滤、反渗透等膜过程均以膜两侧压力差为推动力，电渗析及树脂床电渗析等膜过程以电势差为推动力。
不同膜分离工艺的参数对比见表2-3，主要特征参数见表2-4。
表2-3 不同膜分离工艺参数对比
注：Da（Dalton，道尔顿）是用来衡量原子或分子质量的单位，它被定义为碳12原子质量的1/12。
表2-4 各种除盐膜分离工艺的特征参数
选择反渗透膜时应考虑以下因素。
工业用反渗透膜的材料主要分为醋酸纤维素（CA）和芳香聚酰胺两类，前者亲水性好、抗氧化性能强、表面光滑，主要用于中水或者污水处理项目；后者的工作压力低、耐酸碱性强、耐生物污染、产水流量高、具有更强的化学稳定性，得到了快速的发展并广泛应用于水处理及其他料液处理领域。早期的纳滤膜
沿用聚酰胺材料，其脱盐率长期居高不下，近年来开始使用磺化聚醚砜等材料，有效降低了脱盐率，扩展了其应用领域。
在反渗透膜的结构形式中，板式、折叠式、中空及管式结构的市场相对狭窄，卷式膜技术的高速发展以及巨大的市场占有率使其几乎成为反渗透膜的代名词。
降低膜的工作压力可以降低给水泵的设计压力，减少设备投资；更可以直接降低膜系统的电耗，尽显膜技术的低能耗优势。但是低压膜在高系统回收率、高给水温度、高给水含盐量及长系统流程工况下，将造成系统流程中膜元件通量的严重失衡。因此超低压膜的优势主要体现在商用及民用小型系统，或体现在低含盐量或低给水温度的特定环境。
反渗透工艺的主要目的是脱除给水中的盐分，高脱盐率的反渗透膜可以提高产水水质，提高系统工作效率，降低后处理负担，简化系统结构。
膜污染是膜过程的伴生现象，在改善反渗透膜抗污染能力方面目前主要致力于改善膜的粗糙度、电荷及亲水性。通过在膜表面复合一层抗污染材料，增大其表面平整度，或者增大膜元件进水隔网层厚度，加大膜表面流速及紊流可以有效提高膜的抗污染能力。膜表面的电荷容易导致异电极性胶体堆积，产生胶体污染，因此各膜厂家相继推出电中性膜。聚酰胺等有机膜材料的原始性能是疏水的，而疏水膜的水透过性能及抗有机物污染能力较差，通过提高其亲水性，即降低膜亲水角可以有效提高膜抗污染能力。
氧化剂含量是水处理工艺流程中的一个重要指标，它是工艺流程中管路或设备中染菌或生藻的有效抑制物。反渗透系统各流程中最佳的氧化剂含量分布是：在流程首端投放氧化剂，以对水体杀菌灭藻；在流程中对各工艺水体进行处理的同时保持氧化剂浓度，维持无菌、藻状态；在流程末端由反渗透膜截留氧化剂，同时防止膜元件的微生物污染。实现这一理想抑制过程的重要一环是反渗透膜的高抗氧化性。由于聚酰胺膜的抗氧化性很差，目前其抗余氯能力尚无明显进展，对给水中游离氯含量存在0.1mg/L的上限要求。为满足此低氯浓度要求，需要在预处理系统末端增加除氯工艺，并尽量缩短除氯工艺至膜系统入口的无杀菌剂保护的管道长度。
在5℃及8000mg/L的高给水含盐量条件下，回收率为80%时浓水渗透压已达3.0MPa，工作压力约为3.9MPa，这几乎是苦咸水淡化膜的承压极限。
一般而言，膜元件的规格越大，则单位体积内的有效膜面积越大，单位体积元件成本越低、占用空间越少、配套管件越少、膜系统总成本越低。
增加膜元件的给水/浓水流道有效宽度，会减少膜的有效面积，但可减少给水/浓水压力损失。由于增加面积与减小压力损失是两项相互矛盾的计算指标，在保持标准规格元件膜面积的基础上降低过膜压力损失即为膜制造企业的追求目标之一。这种目标相对的好处有：一是降低了系统的工作压力及能耗；二是减小了系统流程中给/浓水压力梯度与膜通量不均衡现象，有效地缓解了系统中各元件的污染失衡现象。
当多支膜并联运行时，因每支膜元件的浓、淡水比例均不得低于5∶1，则每支膜元件的回收率均不得高于18%。因并联结构中的各元件径流关系完全一致，系统最高回收率等于元件最高回收率，也为18%。
多支膜元件串联运行时，前支膜元件的浓水成为后支膜元件的给水，全系统仅弃掉最后一支膜元件的5倍的浓水流量，从而使系统回收率较高。只要最后一支膜元件的浓、淡水比满足5∶1即浓差极化度保持在1.2之内，则前面各支膜元件的浓淡水之比与浓差极化度可自然得到满足。
基于上述原因，一般应优先采用串联结构，在此基础上配置串并联结合的多段结构。为保持系统流程各位置上浓差极化度的平衡即浓、淡水比的平衡，流程前端膜串数量必须大于后端膜串数量，从而形成锥形多段结构。由于实际工程的限制，膜系统多为两端结构，最多不超过三段。
对于大型系统，高给水含盐量与高给水温度条件下的最佳膜元件排列结构的后段长度应为7支甚至8支。为了达到冬季的低温运行条件，系统设计还应向6支段饱和结构靠拢。对于高给水含盐量及全年给水温度较高的系统，最优的原件排列结构应使后段长度多余6支元件。
膜系统中给水含盐量、给水温度与膜元件品种的变化将会使流程中产水通量的均衡程度发生变化，影响系统流程中不同位置膜元件的浓、淡水比，进而影响前、后段浓差极化度。小型系统只能通过调整流程长度、淡水背压、段间加压等工艺措施调整通量比。大型系统中各段膜串数量多，具有较大的变化与调整空间，可以在给定流程长度下通过改变前、后段膜串比例而改变通量比与浓差极化度。
水温升高会使膜的透水率升高，含盐量升高会使后段膜渗透压增大，这均会使前段膜通量上升而后段膜通量下降，进而导致前段膜浓差极化度上升。为平衡通量，应减少前端膜串数量，使膜堆的锥度减小。
以工程经验为基础，各膜厂商提出了膜通量的设计导则。所谓设计导则就是针对不同水源类型，建议预处理工艺产水应达到的（即膜系统给水应具有的）污染指数指标，及建议的膜系统平均通量、膜元件的最高通量、系统的最高浓差极化度，并给出在上述建议设计参数条件下的与其膜通量年衰减率及透盐率年增长率，如表2-5所示。
表2-5 海德能公司的RO膜系统设计导则
膜系统的相关设计参数为：三项设计依据（产水流量、产水水质、进水水质）、膜均通量、四项独立参数（回收率、膜品种、膜数量、膜排列）、难溶盐等极限参数、多项附属参数及评价指标。膜系统的理想设计过程可以描述为：根据三项设计依据，综合考虑各项评价指标与极限参数，确定系统独立设计参数，进而确定系统附属设计参数，如图2-3所示。
图2-3 反渗透膜系统的理论设计模式及数据流程
当前进行反渗透膜系统设计的基本工具是各膜厂商提供的设计软件。各膜厂商的设计软件在用户界面、输入参数、数据模型、结论形式等诸多方面存在很大的差异，但计算模式基本是一致的。通常的计算模式如下。
① 求取平均膜通量。依据进水类型及污染指数，对照膜系统设计导则，人为确定系统平均膜通量范围。
② 输入数据并计算。输入进水水质与产水流量两项设计依据，输入系统设计方案中的四项独立参数，通过对系统的运行模拟，求取全部附属设计参数，并检验计算产水水质是否满足设计依据指标。其中输入的系统产水流量与膜元件面积、膜元件数量应符合已确定的平均膜通量。
③ 可行方案的寻求。当输入的设计方案未能使设计产水水质数值满足设计依据要求的产水水质指标，或浓差极化度、难溶盐饱和度、元件给水及浓水流量、段通量比等评价指标超限时，输入的设计方案为不可行方案。需要另行输入一套设计方案参数进行计算，直至产水指标及各项评价指标均满足相应限值，从而得到一套可行的设计方案。这里的可行设计方案应能适应元件寿命期末性能的衰减终值以及冬夏两季的给水水质参数变化。
④ 最终方案的寻求。通过上述设计计算可得到各可行的设计方案，再用评价指标进行综合评价分析，从而得到各项评价指标较为优秀的设计方案，即最终的设计方案。
上述过程如图2-4所示（图中黑体字为设计依据，标准字为设计结论），它并非经典意义上的系统设计，应属于系统运行模拟或设计方案校核范畴，目前广泛采用。
图2-4 运用设计软件的膜系统设计模式
膜系统优化设计过程涉及优化目标、系统约束、限值约束、依据约束、优化变量等概念。用文字表述的优化数学模型如表2-6所示。
表2-6 膜系统优化设计的原始数学模型
由于优化系统回收率可以自然降低水泵等设备投资，并减少运行费用及消耗品，进行必要的简化后原始数学模型可用表2-7所示的经典数学模型表示。
表2-7 膜系统优化设计的经典数学模型
通常采用各膜厂家提供的软件进行反渗透系统的仿真计算。
在特定的设计依据条件下，欲得到一个可行的系统设计方案，应根据设计导则及系统透盐率要求计算出膜元件数量并选择出膜元件品种。对以下论述中提到的难溶盐、浓差极化、通量平衡极限回收率的详细论述见2.7节。在使用设计软件求取膜排列、回收率、段间加压的过程中，应将膜数量、膜品种及某种膜排列方式与系统回收率数值作为给定设计方案的参数输入软件，并做如下计算操作。
① 当输入的系统回收率未使任何难溶盐饱和度越界时，说明该回收率低于难溶盐饱和极限回收率。继而应加大系统回收率，直至某一类难溶盐饱和度开始进入临界状态，这时的系统回收率即为难溶盐饱和极限回收率。反之亦然。系统回收率应等于或略低于系统难溶盐饱和极限回收率。
② 对于特定的设计回收率，如系统各段浓差极化度均未越界，则说明系统浓差极化极限回收率高于难溶盐饱和极限回收率。这时的系统能耗率及透盐率必然偏高，应缩短系统流程，以降低浓差极化极限回收率，直至某段浓差极化度开始进入临界状态。反之，如系统某段浓差极化度越界，则说明系统浓差极化极限回收率低于难溶盐极限回收率。这时应加长系统流程甚至采用浓水回流工艺，直至某段浓差极化度开始脱离临界状态，此时浓差极化极限回收率与难溶盐极限回收率相等。
③ 在保持系统设计回收率取为相等的浓差极化极限回收率与难溶盐极限回收率的条件下，如段均通量比尚未越界，则无需段间加压工艺（或淡水背压工艺），届时的系统能耗率自然较低。如段均通量比越界，则需增加段间加压工艺并调高加压值，直至段均通量比达到临界数值，调高段间加压值的过程必然导致能耗的提高。
不同参数相互组合，可以获得多个方案，为了方便进行方案优选，可以采用表2-8的表头内容，根据具体情况可进行参数增减。
表2-8 反渗透膜系统优化设计列表
