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反滲透系統設計步驟

2012-01-06

  反滲透系統設計一般步驟

  1)落實設計依據:原水水質和原水類型,產水的具體水質指標。在拿到原水水質資料時一定要確認水源的類型,可能的水質波動范圍,取水方式及受到二次污 染的可能性。在地表水處理和海水淡化工程中,取水方式也是設計整個系統設計中最為關鍵的。在污水回用處理工程中,需要反復落實排放水的水質資料,在必 要時要同時改造污水處理系統以保證反滲透工藝的可行性。

  2)確定預處理工藝及其效果,主要是對于經過預處理之后水質指標的確認。我們所講的反滲透給水或系統進水就是指經過預處理之后的水質。

  3)膜元件選型

  根據原水的含鹽量,進水水質的情況和產水水質的要求,選擇適當的膜元件。膜元件的選型請參考卷首的設計導則及膜元件選型指導地形圖。

  4)確定膜通量和系統回收率

  根據進水水質和處理水指要求的等級不同,決定RO膜元件的種類和單位面積的產水通量(gfd或L/m2h)和回收率。產水通量可以參照海德能設計導則;厥章实脑O定要考慮原水中含有的難溶解性鹽的析出極限值(飽和指數)、給水水質的種類和產水水質。通常,單位面積產水量J和回收率R設計的過高,發生膜污染的可能性大大增加,造成產水量下降,清洗膜系統的頻率會增多,維護系統正常運行的費用增加。所以,在進行設計系統時,在條件可能的條件下,希望寬余的設計產水通量和回收率。

  5)排列和級數

  當確定了設計產水通量 J(gfd)和產水量 Qp(gpd)值,所需理論膜元件數量 Ne 安 以下方程計算。(7-1)

  Qp 產水量 (gpd)

  J 單位面積產水通量(gfd)

  S 膜元件面積(ft2)

  f 污染指數

  Ne 理論膜元件數

  通常 RO 系統排列方式以 2:1 的近似比例排列的方式較多。

  [例題]

  產水水量 60000 gpd

  設計 Flux 14 gfd

  膜元件面積 400 ft2

  解答∶ 按公式(7-1)計算理論膜元件數量 理論膜元件數量

  

2.jpg

 

  (四舍五入)

  壓力容器數量

  (按標準 6 芯裝膜殼計算)

  

3.jpg

 

  (四舍五入)

  各段壓力容器的數的決定

  ● RO 系統以 2:1 方式排列時,

  24/(2+1)=8,膜元件以(16∶8)的方式排列。

  ● RO 系統以 4:2:1 方式排列時,

  24/(4+2+1)=3.42,膜元件以(13.76∶6.85 6∶3.43 6)的方式排列。 實際系統的壓力容器以整數出現,四舍五入后為系統為(14∶7∶3)方式排列。

  以上的初步計算結果代入 IMSdesign 進行評估。

  6)優設計

  根據設定的單位面積的產水通量 J,回收率,水溫變動范圍,研究討論膜組件的排列列方式,設計計算壓力,流量。這時使用海德能公司提供的 RO 設計元件 (IMSdesign)可以很方便的邦助客戶完成這個關鍵任務。

  根據根據要求的產水量Qp,考慮水源的種類和膜污染符合因素的基礎上計算為了滿足這個產水要求所需的膜元件數(Ne)。根據回收率,估計壓力容器數(Nv)和系統排列方式。以上的條件輸入到設計元件中,通過種種的排列計算,得到進水的操作壓力,產水水質,同時可以得到各個段的膜元件的性能,選擇最優組合。

  6.3 流程配置

  膜單元(RO 模塊)由標準支架和膜殼壓力容器、連接管道及進水、濃水和產水總管組成。膜元件安裝在壓力容器中。壓力容器兩端有產水出口,位于端板的中心,進水和濃水口分別位于容器相對兩端。每只膜殼壓力容器可串連 1-7 只膜元件。

  

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  如圖-1 所示,第一只膜元件的產水管和最后一支元件的產水管與膜殼端板相連 接。膜殼的產水管互相連接。每個膜元件的一端有一個濃水密封圈,將膜元件內 部流道與元件外層和膜殼之間的間隙隔開,防止進水的短路現象,迫使進水全部 通過膜元件的流道。在進水流經每只元件時,部分進水體積轉化為產水。剩余進 水的鹽濃度增加。產水經由產水管導出。收集起來的產水的鹽度延濃水走向增加, 在進水處最低,在濃水口最高。

  系統的壓力容器背分為幾組,叫做濃水分段,在每一段中的壓力容器平行并聯。 每段所含的壓力容器數目延進水走向減少,一般為 2 : 1,如圖-2 所示。

  可以看出進水通過壓力容器的流量分布呈金字塔形:在塔底的進水流量高,在塔 頂的濃水流量相對低。隨著進水流量的減小,平行壓力容器數目逐段遞減。所有 組件的產水最后匯集到一個共同總管中。

  這種錐形排列使整個系統的每個容器保持相近的進水/濃水比例,這個比例要符合膜元件的技術規格要求。流量過高會引起壓力損失過大或可能的膜元件損害。

  流量過低則不能形成紊流,膜表面鹽的濃度會過高。對于一個給定的 RO 系統, 濃縮段數取決于產水回收率和每只膜殼中的膜元件數。為了避免在膜表面形成過 渡的濃差極化,每只膜元件的回收率不能超過 18%。在苦咸水淡化 RO 系統設計 中,通常在工程設計中采用 9%左右的單個元件回收率。這樣由 6 芯組件構成的 RO 單元,有 2 根組件時并聯回收率為 60%,有 3 根組件時(2 :1 排列)回收率 為 75%。如果采用 7 芯組件,2 段的配制可使回收率達到 85%。

  

5.jpg

 

  濃水循環

  最簡單的膜單元是只裝一只膜元件的一根膜殼壓力容器。最小的系統采用這種配 制,產水回收率通常限制在 15%。為了增加系統的回收率,將部分濃水返回到 進水泵吸入口。濃水循環配制如圖-3 所示,主要用在非常小的反滲透系統中。 這種設計的優點在于 RO 單元非常緊湊。濃水循環的缺點在于,為了保持高進水 流速,需要用較大的泵。這樣能耗就比多段設計要高。由于在進水中摻合了濃水, 平均進水鹽度會增加,進水壓力和產水鹽度都會增加。

  

6.jpg

 

  濃水分段(多段系統)

  商業化 RO 單元通常由一臺泵和一個多段組件排列組成,圖-4 中是一個簡化的兩段式RO元件。

  第一段的濃水作為第二段的進水,這就是所謂“濃水分段”。多段單元中的流量 和壓力用進水及濃水閥門控制。高壓泵出口的調節閥門控制進入系統的流量。濃 水閥位于 RO 模塊的濃水排放口,用于控制進水壓力和回收率。

  產水流量分配

  在一些情況下,需要平衡段間產水流量,比如增加后段的產水流量,減少前段的產水流量。為了達到這樣的目的,可參照下面介紹的兩種設計配置方案來實現。

  產水背壓

  一種方案是在首段的產水管上安裝一個閥門,如圖-5 所示:

  

7.jpg

 

  通過這個閥門的限制,增加了產水背壓,降低了凈驅動壓力,降低了首段產水通 量。差出的通量由二段在系統壓力升高之后產生。

  段間增壓

  第二種方案是在濃水管線上安裝一個段間增壓泵,如圖-6 所示。增壓泵將增加 二段的進水壓力,從而增加產水流量。

  采用產水限制閥門的設計簡化了 RO 系統,投資成本低,但這種方案由于產水限制閥門增加了額外的動力損失,系統的能耗增加了。段間泵設計需要對段間總管進行改造,并增加一個泵單元。投資成本高于第一種方案,但能耗較低。

  二級反滲透

  在一些應用中,單級反滲透系統的產水無法能夠滿足對鹽度的要求。比如: 海水淡化 RO 系統,進水鹽度太高或產水回收率或水溫太高。

  苦咸水 RO 系統,但產水需要供給高壓鍋爐或電子工業。

  為了進一步降低產水鹽度,一級 RO 產水要進行二級 RO 脫鹽。這種配置叫做二級 設計,或產水分段。取決于是否將全部一級產水進行二級 RO 處理,叫做完全或 部分二級系統。

  一級產水是非常潔凈的水,懸浮物和溶解性物質含量很低,不需要任何預處理。

  二級系統的平均通量可以相對較高。二級 RO 單元的平均通量一般設置為 20GFD,回收率為 85%-90%。在二級系統中,一級產水進入一個儲槽,或供給二級RO單元的高壓泵。二級 RO 系統有許多配置形式。圖-7 是一種部分二級系統。

  

8.jpg

 

  部分二級

  部分一級產水經過二級處理后與未經處理的部分進行混合。如果部分二級處理就 能達到產水要求,結合二級系統的高通量設計,這種部分二級配置會比完全二級 配制的投資和運行成本要低的多。

  在二級系統中,二級濃水返回到一級進水口是非常普遍的。二級濃水中的含鹽量 通常比一級進水的含鹽量要低。所以將二級濃水返回到一級進水中會有助于降低 進水鹽度,增加整體的水利用率。

  RO 系統估算

  可按以下步驟確定生產一定量的產水的系統的近似大小(膜元件數的膜殼數): a. 選擇膜元件類型和組件

  b. 根據進水水質選擇通量范圍

  c. 將期望的裝置生產能力除以設計通量和單個膜元件膜面積數(在元件說明上 有膜面積數)。

  d. 將總膜元件數除以單根膜殼裝填膜元件數。取計算結果的整數。

  e. 選擇適當的排列以獲得期望的回收率。必要時增加組件數。

  海德能設計程序 IMSdesign 計算結果顯示推薦高壓泵壓力以及計算進水壓力,推 薦的泵壓力高于進水壓力 10%總驅動壓力再加 3psi(0.2bar),因為還要考慮 進口壓力損失。這個安全富余量一般就足夠了;蛘哌@樣計算,無論系統的污染 率如何,考慮 10%的安全富余量。設計元件數應該包括高于程序計算數的 10%。 或者將進水壓力設定為程序計算元件數所需產水流量的 90%。

  RO 設計導則

  在使用膜元件設計反滲透系統時,一般應遵循以下所建議的通用導則,如需 要在超過本導則的情況下使用,請與公司協商以便提供特殊的建議。

  表-1 濃水中難溶鹽的飽和極限

  

10.jpg

 

  表-2 飽和指數極限值

  

11.jpg

 

  反滲透系統設計概述

  反滲透系統基本組成部分

  1)原水供水單元:原水可能是自來水、地下水、水庫水或其它水源,但一般反 滲透系統都有一個儲水槽。在系統設計時要考慮避免二次污染,防止沙土、灰塵 等機械雜質污染和發酵、水藻等生物污染的發生。

  2)預處理系統:針對原水得水質指標和水源特點,設置合理的預處理系統,保證經過預處理的水質能夠達到反滲透系統對于 COD、SDI、余氯和 LSI 等的要求。對于一定的原水,不同的預處理工藝和污染因子去除效果會影響到反滲透膜元件類型、數量和系統參數的選擇。在目前越來越多的反滲透系統被用于地表水和回用污水的情況下,為了保證系統性能和和效率,推薦優先選用膜法預處理(超濾/微濾)。請參考本書卷首較為詳細的“美國海德能公司反滲透納濾設計導則”。

  3)高壓泵系統:高壓泵系統的壓力(揚程)和流量的選擇主要依據運行海德能設計軟件 IMSdesign 的模擬計算結果。為了保證系統的安全可靠,在實際選型時,可以在計算結果推薦選型的基礎上提高 10%揚程和流量規格。反滲透高壓泵要求使用性能高度穩定的耐腐蝕泵。泵系統一般由給水泵和高壓泵組成,給水泵加在保安過濾器之前,用于高壓泵供水和低壓沖洗。在高壓泵出口一般要安裝手動調壓閥和慢開電動閥。手動調壓閥用于調節泵的出力,電動閥可以防止高壓泵啟動時發生水錘現象。

  4)RO 膜單元:RO 膜單元由壓力容器、膜元件、管道和濃水閥門等組成,是反滲 透系統的核心。本章內容主要針對 RO 膜單元的設計,包括參數選擇、流程配置、 膜元件選型、膜元件數量和排列的選擇以及設計方案的評價和優化等。

  5)儀表和控制系統:為了裝置能夠安全可靠地運行、便于過程監控,一般要配 備溫度表、pH 計、壓力表、流量計、電導率表、氧化還原電位計等儀表。反滲 透系統的運行和監控由 PLC、儀表、計算機系統和工藝模擬流程模擬屏執行,同 時設有手動操作按鈕和控制室操作按鈕,系統具有聯鎖保護功能及報警指示功 能。請參考本書第七章及第十三章相關內容。

  6)產水儲存單元:產水儲槽(罐)主要考慮防止二次污染,容積和配置取決于后續工藝要求及用水量調節需要,在產水儲存單元的設計中要考慮防止發生背壓。

  7)清洗單元:用于膜的化學清洗和消毒滅菌處理,具體設計參考第八章“污染 與清洗”。

經典工程案例

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