摘要：論述了反滲透系統(tǒng)中膜通量分布失衡的反滲主要原因，探討了均衡通量的透系統(tǒng)均三種工藝，分析了三種工藝的衡通特征、功用及對(duì)系統(tǒng)性能的量工影響，為反滲透系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供了依據(jù)。反滲
關(guān)鍵詞：反滲透系統(tǒng) 膜通量分布 膜品種配置 段間加壓 淡水背壓
近10年來反滲透技術(shù)以其低成本、透系統(tǒng)均低能耗、衡通易操作、量工少占地等諸多優(yōu)勢(shì)，反滲在工業(yè)及市政水處理領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用與迅速地普及，透系統(tǒng)均在水處理技術(shù)市場中占有很大的衡通份額
．隨著反滲透技術(shù)應(yīng)用范圍與系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，系統(tǒng)的量工節(jié)能、節(jié)水等多項(xiàng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行問題日顯突出，反滲其中膜系統(tǒng)通量均衡分布即為系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行領(lǐng)域中的透系統(tǒng)均典型問題之一．
反滲透系統(tǒng)中膜元件的排列一般為錐形分段串并聯(lián)方式，且各段等長．在沿系統(tǒng)流程方向上，衡通由于產(chǎn)水的分流作用，膜兩側(cè)壓力差(delP)逐步下降；由于水中鹽分的濃縮，膜兩側(cè)滲透壓差(delPosm)逐步增大；膜兩側(cè)的凈驅(qū)動(dòng)壓力(NDP)及膜產(chǎn)水通量(Q)不斷下降，從而產(chǎn)生膜通量分布不均衡現(xiàn)象．如以A表示膜的水透過系數(shù)，則系統(tǒng)流程中第i支膜元件的產(chǎn)水通量可表示為
系統(tǒng)的膜通量分布除遵循上述必然規(guī)律外，還與系統(tǒng)運(yùn)行工況密切相關(guān)．膜元件平均水產(chǎn)量、膜性能衰減情況等諸多因素均對(duì)系統(tǒng)膜通量的分布造成不同程度的影響，其中系統(tǒng)給水溫度、給水含鹽量、系統(tǒng)流程長度及膜元件品種構(gòu)成影響膜通量分布的主要因素．圖1示出反滲透系統(tǒng)中不同流程位置上膜通量分布曲線及各主要影響因素對(duì)通量分布的作用．
膜通量沿流程方向的不斷下降，對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行同時(shí)存在著利和弊兩個(gè)方面的情況．一方面給／濃水被逐步濃縮，污染物濃度逐步升高，系統(tǒng)后端膜通量的降低有利于系統(tǒng)中膜污染程度的均衡；另一方面系統(tǒng)首末端通量差異過大，前端膜元件在高驅(qū)動(dòng)壓力、高通量條件下運(yùn)行，膜元件污堵速度快，后端膜元件在低驅(qū)動(dòng)壓力、低通量條件下運(yùn)行，膜元件不能充分發(fā)揮其作用．故對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行來說，有必要使系統(tǒng)中膜通量保持一定的梯度，使系統(tǒng)運(yùn)行處于優(yōu)化狀態(tài)．
不同的給水條件存在著不同的最佳通量分布．對(duì)于二級(jí)系統(tǒng)而言，給水水質(zhì)上佳，流程中膜通量應(yīng)盡量均衡；以井水為水源的系統(tǒng)，給水水質(zhì)略差，流程中膜通量應(yīng)保持一定梯度；以地表水為水源的系統(tǒng)，給水水質(zhì)更差，流程中膜通量梯度則應(yīng)保持更高水平．
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行領(lǐng)域中，克服通量分布極端不均衡現(xiàn)象可以采取一系列措施，其中主要包括膜品種配置、段間加壓、淡水背壓三大工藝．筆者將逐一分析此三大工藝的特征、功用與適用范圍，從而為反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供有力的參考．由于量化最佳膜通量梯度存在相當(dāng)難度，因此在分析過程中僅以均衡通量為目標(biāo)，該目標(biāo)下得到的結(jié)論可作為不同通量梯度工況的參考依據(jù)．
如圖l所示，高壓膜構(gòu)成的系統(tǒng)(見圖l中的基本工況曲線)與低壓膜構(gòu)成的系統(tǒng)(見圖l中的低壓膜品種曲線)相比，膜通量曲線較為平滑．直至20世紀(jì)90年代初，以醋酸纖維素或高工作壓力的聚酰胺膜為主，系統(tǒng)工作壓力約為1．5～2．5 MPa，膜通量失衡問題并不明顯．1995年前后國際上各大膜廠商分別推出工作壓力約為l MPa的節(jié)能型低壓膜，特別是近年來如海德能等公司推出了工作壓力約為0．7MPa的超低壓膜，使膜通量失衡問題越加突出．
膜工作壓力的降低，大大降低了反滲透系統(tǒng)的操作壓力，明顯地降低了能耗，節(jié)省了設(shè)備投資，極大地促進(jìn)了反滲透技術(shù)的推廣應(yīng)用．與此同時(shí)，膜系統(tǒng)中膜通量失衡問題也越發(fā)明顯，而且水處理工程界對(duì)此現(xiàn)象尚未給予足夠的重視，未能采取相應(yīng)措施予以克服．以數(shù)據(jù)形式明確超低壓膜系統(tǒng)通量失衡的嚴(yán)重性也是本研究的目的之一．
1 元件性能比較
筆者以海德能公司的ESPA膜(Energy Saving PolyAmide)作為依據(jù)進(jìn)行均衡通量的相應(yīng)分析．ESPA膜是一種節(jié)能型聚酰胺復(fù)合膜，與高壓的CPA2聚酰胺復(fù)合膜相比，在獲得同等產(chǎn)水通量條件下，需要的工作壓力更低．ESPA膜系列又可分為ESPAl、ESPA2、ES、PA3、ESPA4四個(gè)品種，各品種工作壓力又有不同．
膜產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)中，給出了不同給水含鹽量及不同測(cè)試壓力下的膜的測(cè)試參數(shù)．不同測(cè)試條件盡管暗示了不同膜品種元件的工作條件，同時(shí)也淡化了各膜品種間的參數(shù)差異．表l給出海德能ESPA-4040系列膜品種在相同的進(jìn)水壓力、進(jìn)水溫度與回收率計(jì)算條件下的計(jì)算參數(shù)指標(biāo)．
如表l所示，在同一壓力下，產(chǎn)水通量各不相同．反過來說，若相同的產(chǎn)水量，膜品種不同所需壓力也各不相同，所需壓力從高到低排列為ESPA2、ESPAl、ESPA3、ESPA4．
ESPA膜品種所需系統(tǒng)給水壓力低，在某些運(yùn)行條件下，系統(tǒng)濃水壓力值接近濃水滲透壓力值，使得系統(tǒng)的純驅(qū)動(dòng)壓力產(chǎn)生很大的梯度，即進(jìn)水端NDP很高，出水端NDP很低．膜通量分布不均衡問題更突出．筆者固定了膜型號(hào)(以ESPA2-4040、ESPAl-4040膜品種為例)，分別對(duì)單段、兩段反滲透系統(tǒng)采用3種通量均衡工藝進(jìn)行討論．
2 單段系統(tǒng)膜通量均衡工藝
系統(tǒng)采用同一膜品種時(shí)，隨著流程增長，膜通量下降．由于在同一壓力下，膜品種不同，通量不同，故可以在沿系統(tǒng)流程的適當(dāng)位置處更換膜品種，使其在進(jìn)水壓力不變情況下，提高或降低該流程處的膜通量，使系統(tǒng)前端通量降低或是使系統(tǒng)后端膜通量提高，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)通量均衡的目的．以系統(tǒng)膜品種更換所對(duì)應(yīng)的首支膜元件的通量的偏離度((系統(tǒng)首端第一支膜元件通量-膜品種更換后的第一支膜元件通量)／系統(tǒng)首端第一支膜元件通量)接近于0％，作為系統(tǒng)優(yōu)選的膜品種配置方式．圖2給出了一級(jí)一段6支膜6 m長系統(tǒng)的不同運(yùn)行工況對(duì)膜品種配置的斷點(diǎn)位置的影響．
如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)中“2222ll”表示系統(tǒng)前4支膜采用ESPA2-4040，后兩支膜采用ESPAl-4040，這種膜品種配置方式比同一品種的膜排列方式可以均衡系統(tǒng)通量．隨著系統(tǒng)中各膜品種所占比率不同，系統(tǒng)通量的偏離度也不同．系統(tǒng)運(yùn)行工況變化時(shí)，膜品種配置的斷點(diǎn)位置也隨之變化．不同的運(yùn)行工況，對(duì)應(yīng)不同的膜品種配置方式．進(jìn)水含鹽量、進(jìn)水溫度的變化，對(duì)系統(tǒng)膜品種配置斷點(diǎn)位置的影響較大．相比較而言，運(yùn)行年數(shù)、單支膜產(chǎn)量的變化，對(duì)系統(tǒng)膜品種配置斷點(diǎn)位置的影響較小，且隨著進(jìn)水含鹽量的升高，或者進(jìn)水溫度的上升，系統(tǒng)膜品種配置斷點(diǎn)位置前移，即低壓膜品種所占比率增加．隨著運(yùn)行年數(shù)或單支膜產(chǎn)量的增加，系統(tǒng)膜品種配置斷點(diǎn)位置后移，即低壓膜品種所占比率減少．
