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、功用及對系統(tǒng)性能的量工影響，為反滲透系統(tǒng)優(yōu)化設計及運行提供了依據(jù)。反滲
關鍵詞：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，反滲在工業(yè)及市政水處理領域得到了廣泛地應用與迅速地普及，透系統(tǒng)均在水處理技術市場中占有很大的衡通份額
．隨著反滲透技術應用范圍與系統(tǒng)規(guī)模的日益擴大，系統(tǒng)的量工節(jié)能、節(jié)水等多項系統(tǒng)設計與運行問題日顯突出，反滲其中膜系統(tǒng)通量均衡分布即為系統(tǒng)設計與運行領域中的透系統(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，膜兩側壓力差(delP)逐步下降；由于水中鹽分的濃縮，膜兩側滲透壓差(delPosm)逐步增大；膜兩側的凈驅動壓力(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)運行工況密切相關．膜元件平均水產(chǎn)量、膜性能衰減情況等諸多因素均對系統(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通量分布的作用．
膜通量沿流程方向的不斷下降，對于系統(tǒng)運行同時存在著利和弊兩個方面的情況．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，前端膜元件在高驅動壓力、高通量條件下運行，膜元件污堵速度快，后端膜元件在低驅動壓力、低通量條件下運行，膜元件不能充分發(fā)揮其作用．故對系統(tǒng)運行來說，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．對于二級系統(tǒng)而言，給水水質上佳，流程中膜通量應盡量均衡；以井水為水源的系統(tǒng)，給水水質略差，流程中膜通量應保持一定梯度；以地表水為水源的系統(tǒng)，給水水質更差，流程中膜通量梯度則應保持更高水平．
在系統(tǒng)設計與運行領域中，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)的設計與運行提供有力的參考．由于量化最佳膜通量梯度存在相當難度，因此在分析過程中僅以均衡通量為目標，該目標下得到的結論可作為不同通量梯度工況的參考依據(jù)．
如圖l所示，高壓膜構成的系統(tǒng)(見圖l中的基本工況曲線)與低壓膜構成的系統(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)省了設備投資，極大地促進了反滲透技術的推廣應用．與此同時，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此現(xiàn)象尚未給予足夠的重視，未能采取相應措施予以克服．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)進行均衡通量的相應分析．ESPA膜是一種節(jié)能型聚酰胺復合膜，與高壓的CPA2聚酰胺復合膜相比，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、ESPA4四個品種，各品種工作壓力又有不同．
膜產(chǎn)品技術手冊中，給出了不同給水含鹽量及不同測試壓力下的膜的測試參數(shù)．不同測試條件盡管暗示了不同膜品種元件的工作條件，同時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水壓力、進水溫度與回收率計算條件下的計算參數(shù)指標．
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)的純驅動壓力產(chǎn)生很大的梯度，即進水端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(以ESPA2-4040、ESPAl-4040膜品種為例)，分別對單段、兩段反滲透系統(tǒng)采用3種通量均衡工藝進行討論．
2 單段系統(tǒng)膜通量均衡工藝
系統(tǒng)采用同一膜品種時，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)流程的適當位置處更換膜品種，使其在進水壓力不變情況下，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，以達到整個系統(tǒng)通量均衡的目的．以系統(tǒng)膜品種更換所對應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給出了一級一段6支膜6 m長系統(tǒng)的不同運行工況對膜品種配置的斷點位置的影響．
如圖2所示，圖中橫坐標中“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)運行工況變化時，膜品種配置的斷點位置也隨之變化．不同的運行工況，對應不同的膜品種配置方式．進水含鹽量、進水溫度的變化，對系統(tǒng)膜品種配置斷點位置的影響較大．相比較而言，運行年數(shù)、單支膜產(chǎn)量的變化，對系統(tǒng)膜品種配置斷點位置的影響較小，且隨著進水含鹽量的升高，或者進水溫度的上升，系統(tǒng)膜品種配置斷點位置前移，即低壓膜品種所占比率增加．隨著運行年數(shù)或單支膜產(chǎn)量的增加，系統(tǒng)膜品種配置斷點位置后移，即低壓膜品種所占比率減少．
