小型反渗透纯水制备系统工艺设计

张 放，时 艳，郭 姣

(1.中铝山东工程技术有限公司，山东 淄博 255052； 2.山东大学 机械工程学院，山东 济南 250061)

反渗透是一种技术先进、效率高、相对节能的分离技术，利用反渗透膜分离溶质与溶剂已经成为一种技术成熟的水处理技术。根据水质的不同选取反渗透膜，使反渗透产水满足《饮用净水水质标准》(CJ94—2005)的标准。

目前反渗透技术已广泛应用于水处理系统中，本文介绍了0.5 t/h小型反渗透水制备系统，该系统可应用于办公楼饮水、实验纯水制备、制药、食品、电子、生物和化纤等不同工业场景中[1-4]。

1 工艺流程设计

1.1 预处理流程

采用“预处理+反渗透”的水净化工艺流程，其预处理[5]系统包括多介质过滤器和超滤过滤器，预处理过程能够有效地延长反渗透膜的使用寿命，且反渗透系统的产水效果很大程度上依赖于预处理的情况。图1描述了水处理净化的工艺流程[6]，如图1所示：自来水经过自来水阀门之后进入原水水箱，由此开始进行预处理过程；泵抽取原水进入多介质过滤器，其中包含石英砂和活性炭，石英砂去除水中的悬浮颗粒，活性炭去除水中的异物化学重金属物质、并吸收余氯等，多介质过滤器需要进行反冲洗，反冲洗水进入浓水处理系统；多介质过滤器处理过后的水进入超滤过滤器，能够有效去除水中微粒、胶体、细菌、热源和有机物等，而尺寸比膜孔径大的溶质分子被膜截留，超滤过滤器同样需要反冲洗，反冲洗水和浓缩液进入浓水处理系统，预处理过程完成。

图1 工艺流程图

高压泵抽取预处理之后的水进入反渗透系统，截留细菌、病毒、重金属离子等污染物；经过反渗透系统之后的水分流一部分进入冷纯水箱冷却作为常温水，另一部分经过电加热得到热水，储存在热纯水箱中，反渗透产水后所有与水接触的材质全部为卫生级[7]。

从理论层面上来看，反渗透膜能够将自来水中的微生物完全去除，但由于是实际操作过程中一旦系统停止运行，系统内极有可能产生细菌，为了保证冷、热纯水箱的水质情况，内部需布置紫外线灯进行杀菌消毒，保证饮用水是无菌无毒的。

结合工艺流程图画出工艺流程设备运行图，如图2所示。

图2 工艺流程运行设备图

1.2 反冲洗系统

在反渗透系统正常运行时，给水、浓水流沿着反渗透膜表面以一定的流速流动，原水中污染物很难沉积下来，但是如果反渗透系统停止运行，这些污染物就会立即沉积在膜的表面，对膜元件造成污染。所以要在反渗透系统中设置反冲洗系统[8-9]，利用反渗透膜产水对膜元件表面进行停运冲洗，防止二次污染。

若四小时内不进行新一次的制水，进行定时自动冲洗，PLC脑控制系统便打开开关阀、自动冲洗阀门，依靠自来水的压力，对反渗透膜自动冲洗30 s。

1.3 浓水处理

需要处理的浓水包括反渗透系统的浓水以及多介质过滤器、超滤过滤器和反渗透系统的反冲洗水。将其引入浓水多介质过滤器，加入絮凝剂，具体用量需要根据水质情况，进行预实验确定。

本文设计系统中采用加入絮凝剂的方式处理浓水，并且处理之后的水回到原水箱，增加回收率[10]。

为了实现对水的充分利用，处理后的浓水也可以回用作生产用水，可用作过滤装置的反冲洗水、除尘水、冷却水；对于用水水质要求不高的可直接回用，比如冲灰、冲渣；也可作为中水杂用，如道路洒水降尘、绿化用水、冲厕、车辆冲洗、车间地面冲洗、建筑施工；符合相关要求且市政及城镇污水处理厂同意接收的可排入市政污水管网送城镇污水处理厂处理。

1.4 控制系统

当冷纯水箱、热纯水箱中的水位计在低水位时，PLC控制系统[11-13]启动进水开关阀、各输送水泵，于是自来水经多介质过滤器、超滤过滤器进行预处理，由高压泵抽取预处理后的水，进入反渗透膜管系统内。本控制系统采用PLC作为控制器，通过反馈控制的方式控制水位，如图3所示。PLC连接传感器输入模块和水泵输出模块，其中输入模块为数据采集处理模块。传感器输入模块一直采集冷、热水箱的水位数据信息，采用水位传感器收集数据。当冷、热水箱内的水位计到达低水位时，输入模块触发PLC控制水泵的控制信号，开始抽水提升水位；当冷、热水箱内的水位超过规定高水位时，输入模块触发PLC的控制信号，停止水泵抽水工作，稳定水位，从而实现水位稳定在规定范围。

图3 水位控制方案结构框架图

根据检测最终产水的电导率来检验纯水生产的净化程度。根据最终产水的电导率情况，控制各阀门、水泵调频器，使各过滤器和反渗透系统处于最佳的运行状态；根据最终产水的电导率情况，判断是否需要更换膜。

2 主要设备选型

2.1 反渗透膜

反渗透膜的选择至关重要，根据各种因素的综合平衡，一般认为产水量5 t/h以上的反渗透系统采用8040膜元件比较合适，3 t/h以下的反渗透系统采用4040膜元件比较合适，3～5 t/h的反渗透系统采用8040膜元件或者4040膜元件均可。

选膜依据[14]为原水水质和用户设计要求，反渗透膜的脱盐率、反渗透膜的产水量和反渗透膜的回收率[15]是三个参考依据，其在反渗透膜元件制造成形时就已确定。

根据以上因素的平衡，选择的反渗透膜[16]是由美国Dow Filmtec(陶氏)公司生产的2支FILMTECTMBW30-LCLE 4040，配内径是101 mm的膜组容器。

2.2 高压泵

膜元件的实际使用压力则受到环境温度、平均水通量、进水含盐量、系统回收率、膜元件种类等各种因素的影响，膜元件的使用压力随工况而改变。

反渗透膜的工作压力选取为0.6 MPa，但是由于反渗透膜组的水通量每年会衰减，为了保证三年后的工作压力，选取稍大扬程高压泵，保证泵压力富裕[17]。

由表1可知，取地表水通量的最大衰减值每年为9.9%，工作压力为0.6 MPa，在一定范围内工作压力与水通量正相关，按照每年衰减值为10%计算，为了保证3年后达到设计产水量的泵，高压泵的选用扬程不小于78 m高压泵。

表1 平均水通量及允许每年水通量衰减百分数

2.3 多介质过滤器

多介质过滤器可以减少反渗透原水中悬浮固体物和胶状固体物，其中对于滤料的选择十分重要，滤料种类繁多，且功能不同[18-19]。

结合原水水质选取双层滤料过滤，石英砂和活性炭组合的成套多介质过滤器。上层采用粒径大、相对密度小的石英砂，增加容污能力，水头损失增加较慢；下层采用小粒径、大相对密度的活性炭，增加吸附作用，具体参数见表2。

表2 多介质过滤器参数表

2.4 超滤过滤器

超滤器对去除溶液中的微粒、胶体、细菌、热源和各种有机物有较好的效果，在水处理系统工程和物质分离领域中的必备设备[20]，超滤膜的参数见表3。

表3 超滤膜参数表

3 工艺选型计算

3.1 反渗透膜的选型

反渗透膜的型号为FILMTECTMBW30-LCLE 4040，产水量为0.25 t/h，即2支膜可满足产水要求。

由表4可知，系统回收率为29%，单支膜的回收率为16%。

表4 40"系统中膜组件的最大回收率 %

两支膜的两种排列方式如下：

并联-一级一段式(见图4)系统计算实际回收率为16%。

图4 并联-一级一段式

串联-一级两段式(见图5)系统计算实际回收率为29.4%。

图5 串联-一级两段式

为了保证0.5 t/h的产水量，膜组并联的进水为3.125 t/h，膜组串联的进水量为1.7 t/h，经对比选择反渗透膜组串联排布方式。因此，当设计产水量要求比较小时，通过串联的方式排布反渗透组件可以提高回收率。

3.2 反渗透管路系统的阻力计算

原则上，为确定最优管径，可选择不同的流速作为方案计算，从中找出经济、合理的最佳流速或管径。对于车间内部的管路，可根据经济流速范围，经验性地选用流速，然后由质量守恒式计算管径，再根据管道标准进行圆整。

流动阻力主要由两部分组成：一种是直管，另一种是弯头、阀门等各种管件。直管造成的机械能损失称作流动阻力损失；管件造成的机械能损失称为局部阻力损失。流动阻力损失相对于局部阻力损失，可忽略不计。

本设计系统中产水量为0.5 t/h，反渗透系统入口流量为1.7 t/h，水处理系统进水流量为2.0 t/h，工作条件为室温25 ℃，一个标准大气压下，水的黏度为0.894 9 mPa·s，密度为997.13 kg/m3。

经验选择水的流速为1 m/s，管径d=0.023 04 m，圆整内径为20 mm，则流速为

(1)

(2)

因此，Re大于2 300，系统流动状态为湍流。

根据Blasius式，则摩擦因数λ为

λ=0.316 4/Re0.25=0.022 5

(3)

根据本设计系统的工艺流程运行设备图及管路的长度，预计管路为10 m，则湍流时直管阻力损失为

(4)

根据系统设置，各设备的压力降见表5。

表5 各设备的阻力损失汇总 MPa

综上所述，直管阻力损失和局部阻力损失总和所导致的水头损失为Hf=6.760 9 m，即整个设计系统中所选择的泵的扬程必须大于水头损失，选择输送水泵型号为25GP-30，扬程为30 m，即检验、验证了泵选择的正确性。

4 结 论

(1)“预处理+反渗透”的工艺流程能够很好地保护和延长反渗透系统的寿命，使其运行更长的时间。

(2)当设计产水量比较小时，反渗透模组的串联能够增加回收率。

(3)处理后的浓水回流也能够增加反渗透系统的回收率。

(4)反渗透系统的设计流程主要是根据原水水质选取膜元件的类型，根据产水量、产水水质选取膜元件的数量和膜组件的排列方式，由此可计算出反渗透的回收率,通过选择的膜的设计守则计算膜元件所需要的推动力进行高压泵的选型，并且选择配置仪表以及阀门的选型。