浅议反渗透系统运行参数标准化应用

段小冰

（北京首钢股份有限公司，河北迁安 064404）

前言

近年来，随着水资源的污染和逐渐枯竭，以反渗透技术为代表的水处理技术得到了快速发展，越来越多的企业都在建设反渗透系统，但因缺乏反渗透技术方面的人才，各反渗透系统的运行水平参差不齐。为了能够很好地发挥反渗透系统的作用，需要规范反渗透系统的运行管理。对反渗透系统运行参数进行标准化，是规范反渗透系统运行管理的关键。

在实际生产过程中，反渗透系统的运行条件在不断地发生变化，如进水的温度、电导率、压力和SDI（淤泥密度指数）值等，这些运行条件的变化会引起反渗透系统的产水量、回收率、跨膜压差和脱盐率等运行参数的变化。为了判断反渗透系统运行参数的变化是因运行条件发生变化而引起的正常变化，还是因水质发生恶化后导致反渗透系统发生污堵，造成反渗透膜元件性能衰减而引起的异常变化，则需要将反渗透系统的运行参数进行标准化，并将其与反渗透系统实际运行参数进行对比。如标准化运行参数与实际运行参数相比没有发生较大偏差，则说明反渗透系统运行正常；如发生了较大偏差，则说明反渗透系统出现了污堵或其他不正常现象，应及时排查原因，并采取相应措施，以避免反渗透系统发生污堵或反渗透膜元件发生性能衰减。

1 运行参数确定的条件

反渗透系统运行参数的确定对反渗透系统长期、安全和稳定的运行是至关重要的。反渗透系统运行参数的确定需要以下2个条件。

1）在设计反渗透系统时，应根据原水的水质情况确定反渗透系统合理的膜通量和回收率。当膜通量和回收率过高时，反渗透系统产水量大，此时，如果反渗透膜元件浓水侧溶液的浓度过高，浓水量减少，流速降低，会加剧反渗透膜的浓差极化现象发生[1]，导致反渗透系统发生污堵或结垢现象；当膜通量和回收率过低时，虽然反渗透系统污堵速度减缓了，但投资相对较高。通过中试确定钢铁企业废水脱盐反渗透系统的膜通量为17 L/（m2/h），回收率为65%。

2）确定反渗透系统的运行模式。反渗透系统的运行模式一般可分为恒流量运行模式、恒压运行模式和恒流量恒压双恒量运行模式3种。压力传感器与流量传感器相比具有成本低、精度高和安装方便的优势，且实现恒压控制更加容易。但是，国内大多数钢铁企业对排水（即水源）量和供水量的要求稳定不变，而且反渗透系统的恒流量运行模式也有利于前后系统工艺的设计和运行，因此，大部分反渗透系统以恒流量模式进行设计和运行。

反渗透系统的膜通量、回收率和运行模式等选定后，根据这些运行参数及其影响因素确定操作人员日常需监测和记录的数据，包括进水的温度和pH值，反渗透系统的进水、段间和浓水的压力，进水和产水的电导率，产水和浓水的流量，进水的SDI值以及反渗透系统的运行时间。

2 模型建立

反渗透系统的进水具有诸多参数，其中影响反渗透膜元件使用寿命及反渗透系统长期稳定运行的主要参数有温度、pH 值、余氯、浊度、污染指数和有机物等。这些参数在反渗透系统的实际运行过程中不是恒定不变的，而是动态的，在恒流量运行模式的反渗透系统中，这些参数最终体现的是产水量、脱盐率和跨膜压差等3项参数的变化，是日常运行管理过程中监测的重要指标。操作人员根据产水量的变化来调节反渗透系统的工作压力，使产水量始终保持一个恒定值，以保证反渗透系统的恒流量运行。对于特定的反渗透膜元件，这3 项参数代表其实时参数，也是其3项外部特性指标，它们虽不能准确地反映反渗透膜元件是否真的受到损坏或发生性能衰减，但通过这3 项参数却可以直接独立地反映其透水系数、脱盐系数和流道阻力系数[2]。要想判断这些参数变化对反渗透系统的影响是否为正常变化，则需每天及时记录该系统的日常运行数据，并建立标准模型，对参数进行标准化，以确定反渗透膜元件是否被损坏或发生性能衰减。

反渗透系统运行参数标准化一般包括标准化产水量、标准化跨膜压差和标准化脱盐率等3项。

2.1 标准化产水量

产水量为反渗透系统的产能，即单位时间内透过反渗透膜的水量。标准化产水量Q的计算式为：

式中：Qp——反渗透系统的实际产水量；

Pav1——反渗透系统的初始有效压力；

Pav2——反渗透系统的实际压力；

TCF1——反渗透系统的实际温度校正系数；

TCFr——反渗透系统的初始温度校正系数。

反渗透系统的压力Pav 的计算式为：

Pav=(P1+P2+P3)/3

式中：P1——反渗透系统的给水压力；

P2——反渗透系统的段间压力；

P3——反渗透系统的浓水压力。

反渗透系统的温度校正系数TCF的计算式为：

TCF=Exp{2 700×［1/（273+T）-1/298］}

式中：T——进水温度。

2.2 标准化跨膜压差

在生产过程中，不仅要关注反渗透系统的产水量，还需关注反渗透系统的跨膜压差。跨膜压差是指驱动水通过反渗透膜所需的压力,即进水压力和浓水压力之间的差。标准化跨膜压差Dp 的计算式为：

式中：Dp0——反渗透系统的实际压降；

Qfcr——反渗透系统的初始进水和浓水的平均水量;

Qfc——反渗透系统的实际进水和浓水的平均水量;

Qcr——反渗透系统的初始浓水量;

Qpr——反渗透系统的初始产水量;

Qc——反渗透系统的实际浓水量;

Qp——反渗透系统的实际产水量。

2.3 标准化脱盐率

脱盐率是衡量反渗透膜元件性能指标的一项重要指标，脱盐率决定了反渗透系统产水的水质。标准化脱盐率Rej 的计算式为：

式中：Rej1——反渗透系统的实际脱盐率；

Qr——反渗透系统的初始产水量；

ECp——反渗透系统的实际产水电导率；

ECp0——反渗透系统的实际进水电导率。

3 实际应用

在一个运行周期内，由于原水温度和电导率的变化，反渗透系统产水量和运行压力也随之变化。为了能够准确把握反渗透系统的运行状况，对其运行参数进行标准化分析，消除反渗透系统运行温度对产水量、跨膜压差和脱盐率的影响，以反映反渗透系统的真实运行状况。

3.1 产水量

反渗透系统的运行条件及实际产水量和标准化产水量见表1。

表1 反渗透系统的运行条件及实际产水量和标准化产水量

反渗透系统的实际产水量和标准化产水量的变化情况如图1所示。

图1 反渗透系统实际产水量和标准化产水量的变化情况

由图1可见，随着反渗透系统运行时间的延长，实际产水量基本保持不变，而标准化产水量逐渐下降。实际产水量基本保持不变是由于反渗透系统采取恒流量运行模式，在反渗透系统产水量下降的情况下，通过调整变频泵的频率，提高反渗透系统的进水压力，保证产水流量和浓水流量恒定不变。标准化产水量逐渐下降表明，反渗透系统已经发生污堵，当标准化产水量下降严重时应及时对反渗透系统进行化学清洗，以防止反渗透膜元件的性能进一步恶化。

3.2 跨膜压差

反渗透系统的运行条件及实际跨膜压差和标准化跨膜压差见表2。

表2 反渗透系统的运行条件及实际跨膜压差和标准化跨膜压差

反渗透系统的实际跨膜压差和标准化跨膜压差的变化情况如图2所示。

图2 反渗透系统的实际跨膜和标准化跨膜压差变化情况

由图2可见，随着反渗透系统运行时间的延长，实际跨膜压差和标准化跨膜压差都在不断升高，说明反渗透系统发生了污堵情况，其反渗透膜元件的性能在不断下降，因此，需根据标准化压差增长情况，及时对反渗透系统进行化学清洗，以恢复反渗透膜元件的性能，保证反渗透系统稳定运行。

3.3 脱盐率

生产厂商提供的反渗透膜元件性能标准为，当使用年限小于3 年时，其脱盐率不小于97%；当使用年限为3～5 年时，其脱盐率不小于95%。生产过程中反渗透系统的运行条件及实际脱盐率和标准化脱盐率见表3。

表3 反渗透系统的运行条件及实际脱盐率和标准化脱盐率

反渗透系统的实际脱盐率和标准化脱盐率的变化情况如图3所示。

由图3可见，随着反渗透系统运行周期的延长，反渗透膜的实际脱盐率逐年降低，但具有一定的规律性，而且符合厂商提供的反渗透膜元件性能标准，说明反渗透膜元件没有产生异常损伤，属于正常的性能衰减。在生产过程中需做好反渗透系统日常运行数据的记录，并定期进行数据分析，才能判断反渗透膜元件性能衰减的趋势以及损坏情况，并有计划地更换反渗透膜元件，以保证反渗透系统的正常运行。

图3 反渗透系统的实际和标准化脱盐率的变化情况

4 结语

由于受多种因素的影响，反渗透系统的运行参数会产生实时、动态的变化，需通过对运行参数进行标准化来判断该系统的真实运行状况。掌握反渗透系统是否运行正常，有助于反渗透系统的故障排除。反渗透系统运行参数标准化的目的是为了监测反渗透系统膜元件性能的变化趋势，有效评价反渗透系统的运行状况，保证反渗透系统的正常运行。