二级反渗透系统的工艺结构特征分析

韩嘉玮，苑宏英，石雪莉，靖大为

（1.天津城建大学环境与市政工程学院，天津300384；2.天津市水质科学与技术重点实验室，天津300384；3.基础设施防护和环境绿色生物科技国际联合研究中心，天津300384；4.中国膜工业协会，北京100029）

在纯水制备项目中，二级反渗透系统是重要的工艺环节〔1〕。二级系统与一级系统的重要区别之一是给水含盐量一般低于50 mg/L，给水中硬度与有机物等污染性物质的浓度很低，不易形成系统污染。故反渗透系统设计导则规定：二级系统的膜平均通量约为35 L/（m2·h），系统的浓差极化度（膜表面盐浓度与给水盐浓度之比）上限1.4（一级系统上限1.2），系统回收率可达85%。因此低给水含盐量、低污染物浓度、高平均膜通量、高浓差极化度、高系统回收率的两低三高特征构成了二级系统设计的重要基础〔2〕。

二级系统的设计包括元件品种、元件数量、流程长度、膜堆结构等多项内容，且包括系统收率、系统功耗、产水盐量、段通量比（两段通量之比）与段浓水比（两段膜壳浓水流量之比）等多项经济技术指标。笔者还就二级系统的流程长度与膜堆结构进行了重点分析。

本研究仅以海德能公司的两个型号元件代表高压与低压两类膜品种，低压膜ESPA2的测试参数为：给水压强1.05 MPa、脱盐率99.6%、产水量34.1 m3/d，高压膜CPA3的测试参数为：给水压强1.55 MPa、脱盐率99.7%、产水量37.9 m3/d〔3〕。

本研究所示数据均由海德能设计软件计算得出。由于该软件对于二级系统脱盐率的计算结果偏高，故二级系统产水含盐量偏低，相关数据仅供工艺效果的对比之用〔3〕。

1 浓差极化与元件配置

反渗透膜的浓差极化度的定义为：膜表面的盐浓度与湍流态给浓水径流中盐浓度之比。因卷式膜元件中浓差极化度无法测量，故该参数多转换为元件收率的函数。

此外低压膜的脱盐率较低，高压膜的脱盐率较高；故两级系统均采用高压膜时的系统脱盐率高但能耗也高，而均采用低压膜时的系统脱盐率低但能耗也低。表1给出了1个产水流量为85 m3/h的两级系统中，一级与二级系统分别采用不同膜品种（低压膜ESPA2、高压膜CPA3）时的系统运行参数。其中运行条件为：给水含盐量2 000 mg/L，给水温度25℃；一级系统产水量100 m3/h，回收率75%，膜堆结构14-7/6；二级系统产水量85 m3/h，回收率85%，膜堆结构12-4/4。

表1 某两级系统中不同膜元件品种配置的系统运行参数

二级系统给水的含盐量及渗透压不高，各种元件品种配置的段通量比均接近1.1；因一级系统的给水含盐量较高，采用高压膜品种的段通量比远低于采用低压膜品种；此外两级系统不同元件品种配置的重要差异在于系统功耗。

表1所示数据揭示了两级系统的另一特征，即当两级系统中选择不同脱盐率膜品种时，一级系统产水电导率差异较大，但两级系统产水电导率相差不大。换言之，当一级系统脱盐率较低时，则二级系统脱盐率将上升，当一级系统脱盐率较高时，则二级系统脱盐率将下降。

为降低一级系统的段通量比与两级系统功耗，一级系统应采用高压膜而二级系统应采用低压膜。换言之，一级系统应采用高压膜品种，以小幅增大的系统能耗为代价，换取前后段通量趋于平衡；二级系统应采用低压膜品种，以小幅增大的段通量比换取系统能耗的大幅降低。当然，对于脱盐率要求较高的两级系统，二级系统中也应采用高压膜品种。

2 收率85%的二级系统

在相同回收率下，反渗透系统的一般规律为：长流程系统的浓差极化度较小，短流程系统的浓差极化度较大，但长流程系统也存在着系统功耗高与段通量比大等弊端。受到浓差极化度1.2限制，对于75%收率的一级系统一般采用6支装膜壳即两段流程全长12 m。因二级系统的浓差极化度限值放宽至1.4，采用短流程结构，可有效降低系统功耗与段通量比。

对于一般收率85%的二级系统，膜堆如采用整倍于2-1/5结构或整倍于2-1/4结构，则系统运行参数几乎均优于整倍于2-1/6结构，即应采用5支甚至4支装膜壳，其流程长度可缩短至10 m甚至8 m。相关数据见表2，其中运行条件为：给水含盐量30 mg/L，给水温度25℃，产水流量200 m3/h，元件通量30 L/（m2·h），系统收率85%，元件品种ESPA2。

表2 85%收率二级系统中不同流程长度膜堆结构的运行参数

反渗透系统设计领域中，还要求各段膜壳的浓水流量（也称段壳浓水流量）不得过低，即壳内末端膜元件的浓水流量不得过低，以使其元件的给浓水径流维持湍流状态。根据后面表3数据分析，当系统收率为85%时，如仍采用2∶1的两段膜壳数量比结构，常出现首段的膜壳浓水流量大于末段的现象。由于系统末段浓水中的污染物浓度更高，为使末段错流比更大以降低污染，则末段的段壳浓水流量应大于首段。

因此针对85%的二级高收率系统，无论流程为10 m或8 m，为使末段膜壳浓水流量大于首段，其两段膜壳数量比应接近或等于3∶1。如果两段膜壳数量比接近或等于4∶1时，则前后段膜壳浓水流量比过大，且使前段系统的浓差极化度过高。关于5种膜堆结构及运行参数的比较见表3。其中运行条件为：给水含盐量30 mg/L，给水温度25℃，产水流量300 m3/h，平均通量33.6 L/（m2·h），回 收率85%，元件品种ESPA2。

表3 85%收率二级系统中不同段壳数量比膜堆结构的运行参数

对于元件数量一致而不同流程长度的系统，由于膜壳长度不同会导致价格不等，故其投资成本有所差异。以膜元件数量相等但采用27-9/4与16-8/6不同膜堆结构为例进行系统投资成本的分析，结果见表4。其中运行条件为：给水含盐量50 mg/L，给水温度25℃，产水流量160 m3/h，平均通量30 L/（m2·h），回收率85%，元件品种ESPA2。

设6芯膜壳的价格为2 000～2 800元，而4芯膜壳的价格为1 600～2 500元，并设系统年运行8 000 h且电价为0.8元/（kW·h）。

表4 两类二级系统膜堆结构的膜壳成本与电费成本

由表4可知，27-9/4（9倍3-1/4）的短流程结构比16-8/6（8倍2-1/6）的长流程结构的膜壳总价仅增加9.00-6.72=2.28万元，而年运行电费可节省48.1-43.3=4.8万元，因此可知短流程结构较长流程结构具有明显的经济优势。9倍3-1/4结构与8倍2-1/6结构的唯一缺点是：二级系统的4支装膜壳与一级系统的6支装膜壳在膜堆架构上存在长短差异。但该缺点与其经济技术优势相比，不足为虑。

3 二级浓水的回流方式

由于二级系统的产水含盐量远低于一级系统的进水含盐量，故二级系统浓水总是回流至一级系统前，与一级系统进水混合为一级系统给水。该工艺结构不仅提高了两级系统的回收率，也在一定程度上提高了两级系统的脱盐率〔4〕。

设两级全系统进水流量为Qr、两级系统给水流量分别为Qf1与Qf2，两级系统产水流量分别为Qp1与Qp2，两级系统浓水水流量分别为Qc1与Qc2，两级系统收率分别为R1=Qp1/Qf1与R2=Qp2/Qf2=Qp2/Qp1，则具有二级系统浓水回流工艺的两级全系统收率Rsys为：

对于两级元件配置分别为CAP3的ESPA2的两级系统，如无二级系统浓水回流工艺，系统给水流量为118.3+15=133.3 m3/h，则系统回收率为85/133.3=0.638，系统产水含盐量为0.81 mg/L，电导率1.61μS/cm；有二级系统浓水回流工艺时，根据（1）式关系，系统回收率为85/118.3=0.718，系统产水含盐量为0.77 mg/L，电导率1.55μS/cm。

图1 某两级系统的工艺流程与运行参数

二级系统浓水的回流工艺，具有图1给出的A与B两个不同模式。实线所示模式A为目前普遍采用的模式，其二级浓水经浓水阀降压并回流到一级给水泵前端，二级浓水的能量几乎全部被浓水阀所消耗，并需要一级给水泵对其再次加压。笔者建议采用虚线所示模式B，其二级浓水经增压泵加压并注入一级给水泵后端，二级浓水具有的能量可被充分利用，而只需对其小幅增压至一级给水压强，从而达到降低系统能耗之目的。

理论计算表明，模式B工艺需增设1台15 m3/h流量、30 m扬程的16-4型增压泵，需要约4 000元投资，该增压泵新增功耗15×300/3 600=1.25 kW，但一级给水泵功率可降低15×1 020/3 600=4.25 kW。给水泵与增压泵与两项功率相抵后系统可节省功耗3 kW，按照0.8元/（kW·h）及运行时间8 000 h/a计算，每年可节省电费约3×8 000×0.8=19 200元。 因此二级系统浓水回流时，增压并回流至一级给水泵后端工艺可有效节能。

4 结论

（1）二级系统具有低给水盐量、低给水污染物、高通量、高收率、高浓差极化度特点。

（2）一级与二级系统分别用高压与低压膜品种的组合形式时的能耗较低且脱盐率较高。

（3）回收率85%的二级系统应该采用8 m的短系统流程与3-1/4或其整倍的膜堆结构。

（4）采用二级浓水回流至一级给水泵后端工艺，可有效降低两级系统能耗与水泵投资。