張 放，時 艷，郭 姣

(1.中鋁山東工程技術(shù)有限公司，山東 淄博 255052； 2.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

反滲透是一種技術(shù)先進(jìn)、效率高、相對節(jié)能的分離技術(shù)，利用反滲透膜分離溶質(zhì)與溶劑已經(jīng)成為一種技術(shù)成熟的水處理技術(shù)。根據(jù)水質(zhì)的不同選取反滲透膜，使反滲透產(chǎn)水滿足《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ94—2005)的標(biāo)準(zhǔn)。

目前反滲透技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水處理系統(tǒng)中，本文介紹了0.5 t/h小型反滲透水制備系統(tǒng)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于辦公樓飲水、實(shí)驗(yàn)純水制備、制藥、食品、電子、生物和化纖等不同工業(yè)場景中[1-4]。

1 工藝流程設(shè)計(jì)

1.1 預(yù)處理流程

采用“預(yù)處理+反滲透”的水凈化工藝流程，其預(yù)處理[5]系統(tǒng)包括多介質(zhì)過濾器和超濾過濾器，預(yù)處理過程能夠有效地延長反滲透膜的使用壽命，且反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水效果很大程度上依賴于預(yù)處理的情況。圖1描述了水處理凈化的工藝流程[6]，如圖1所示：自來水經(jīng)過自來水閥門之后進(jìn)入原水水箱，由此開始進(jìn)行預(yù)處理過程；泵抽取原水進(jìn)入多介質(zhì)過濾器，其中包含石英砂和活性炭，石英砂去除水中的懸浮顆粒，活性炭去除水中的異物化學(xué)重金屬物質(zhì)、并吸收余氯等，多介質(zhì)過濾器需要進(jìn)行反沖洗，反沖洗水進(jìn)入濃水處理系統(tǒng)；多介質(zhì)過濾器處理過后的水進(jìn)入超濾過濾器，能夠有效去除水中微粒、膠體、細(xì)菌、熱源和有機(jī)物等，而尺寸比膜孔徑大的溶質(zhì)分子被膜截留，超濾過濾器同樣需要反沖洗，反沖洗水和濃縮液進(jìn)入濃水處理系統(tǒng)，預(yù)處理過程完成。

圖1 工藝流程圖

高壓泵抽取預(yù)處理之后的水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)，截留細(xì)菌、病毒、重金屬離子等污染物；經(jīng)過反滲透系統(tǒng)之后的水分流一部分進(jìn)入冷純水箱冷卻作為常溫水，另一部分經(jīng)過電加熱得到熱水，儲存在熱純水箱中，反滲透產(chǎn)水后所有與水接觸的材質(zhì)全部為衛(wèi)生級[7]。

從理論層面上來看，反滲透膜能夠?qū)⒆詠硭械奈⑸锿耆コ?，但由于是?shí)際操作過程中一旦系統(tǒng)停止運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)極有可能產(chǎn)生細(xì)菌，為了保證冷、熱純水箱的水質(zhì)情況，內(nèi)部需布置紫外線燈進(jìn)行殺菌消毒，保證飲用水是無菌無毒的。

結(jié)合工藝流程圖畫出工藝流程設(shè)備運(yùn)行圖，如圖2所示。

圖2 工藝流程運(yùn)行設(shè)備圖

1.2 反沖洗系統(tǒng)

在反滲透系統(tǒng)正常運(yùn)行時，給水、濃水流沿著反滲透膜表面以一定的流速流動，原水中污染物很難沉積下來，但是如果反滲透系統(tǒng)停止運(yùn)行，這些污染物就會立即沉積在膜的表面，對膜元件造成污染。所以要在反滲透系統(tǒng)中設(shè)置反沖洗系統(tǒng)[8-9]，利用反滲透膜產(chǎn)水對膜元件表面進(jìn)行停運(yùn)沖洗，防止二次污染。

若四小時內(nèi)不進(jìn)行新一次的制水，進(jìn)行定時自動沖洗，PLC腦控制系統(tǒng)便打開開關(guān)閥、自動沖洗閥門，依靠自來水的壓力，對反滲透膜自動沖洗30 s。

1.3 濃水處理

需要處理的濃水包括反滲透系統(tǒng)的濃水以及多介質(zhì)過濾器、超濾過濾器和反滲透系統(tǒng)的反沖洗水。將其引入濃水多介質(zhì)過濾器，加入絮凝劑，具體用量需要根據(jù)水質(zhì)情況，進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)確定。

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用加入絮凝劑的方式處理濃水，并且處理之后的水回到原水箱，增加回收率[10]。

為了實(shí)現(xiàn)對水的充分利用，處理后的濃水也可以回用作生產(chǎn)用水，可用作過濾裝置的反沖洗水、除塵水、冷卻水；對于用水水質(zhì)要求不高的可直接回用，比如沖灰、沖渣；也可作為中水雜用，如道路灑水降塵、綠化用水、沖廁、車輛沖洗、車間地面沖洗、建筑施工；符合相關(guān)要求且市政及城鎮(zhèn)污水處理廠同意接收的可排入市政污水管網(wǎng)送城鎮(zhèn)污水處理廠處理。

1.4 控制系統(tǒng)

當(dāng)冷純水箱、熱純水箱中的水位計(jì)在低水位時，PLC控制系統(tǒng)[11-13]啟動進(jìn)水開關(guān)閥、各輸送水泵，于是自來水經(jīng)多介質(zhì)過濾器、超濾過濾器進(jìn)行預(yù)處理，由高壓泵抽取預(yù)處理后的水，進(jìn)入反滲透膜管系統(tǒng)內(nèi)。本控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器，通過反饋控制的方式控制水位，如圖3所示。PLC連接傳感器輸入模塊和水泵輸出模塊，其中輸入模塊為數(shù)據(jù)采集處理模塊。傳感器輸入模塊一直采集冷、熱水箱的水位數(shù)據(jù)信息，采用水位傳感器收集數(shù)據(jù)。當(dāng)冷、熱水箱內(nèi)的水位計(jì)到達(dá)低水位時，輸入模塊觸發(fā)PLC控制水泵的控制信號，開始抽水提升水位；當(dāng)冷、熱水箱內(nèi)的水位超過規(guī)定高水位時，輸入模塊觸發(fā)PLC的控制信號，停止水泵抽水工作，穩(wěn)定水位，從而實(shí)現(xiàn)水位穩(wěn)定在規(guī)定范圍。

圖3 水位控制方案結(jié)構(gòu)框架圖

根據(jù)檢測最終產(chǎn)水的電導(dǎo)率來檢驗(yàn)純水生產(chǎn)的凈化程度。根據(jù)最終產(chǎn)水的電導(dǎo)率情況，控制各閥門、水泵調(diào)頻器，使各過濾器和反滲透系統(tǒng)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)；根據(jù)最終產(chǎn)水的電導(dǎo)率情況，判斷是否需要更換膜。

2 主要設(shè)備選型

2.1 反滲透膜

反滲透膜的選擇至關(guān)重要，根據(jù)各種因素的綜合平衡，一般認(rèn)為產(chǎn)水量5 t/h以上的反滲透系統(tǒng)采用8040膜元件比較合適，3 t/h以下的反滲透系統(tǒng)采用4040膜元件比較合適，3～5 t/h的反滲透系統(tǒng)采用8040膜元件或者4040膜元件均可。

選膜依據(jù)[14]為原水水質(zhì)和用戶設(shè)計(jì)要求，反滲透膜的脫鹽率、反滲透膜的產(chǎn)水量和反滲透膜的回收率[15]是三個參考依據(jù)，其在反滲透膜元件制造成形時就已確定。

根據(jù)以上因素的平衡，選擇的反滲透膜[16]是由美國Dow Filmtec(陶氏)公司生產(chǎn)的2支FILMTECTMBW30-LCLE 4040，配內(nèi)徑是101 mm的膜組容器。

2.2 高壓泵

膜元件的實(shí)際使用壓力則受到環(huán)境溫度、平均水通量、進(jìn)水含鹽量、系統(tǒng)回收率、膜元件種類等各種因素的影響，膜元件的使用壓力隨工況而改變。

反滲透膜的工作壓力選取為0.6 MPa，但是由于反滲透膜組的水通量每年會衰減，為了保證三年后的工作壓力，選取稍大揚(yáng)程高壓泵，保證泵壓力富裕[17]。

由表1可知，取地表水通量的最大衰減值每年為9.9%，工作壓力為0.6 MPa，在一定范圍內(nèi)工作壓力與水通量正相關(guān)，按照每年衰減值為10%計(jì)算，為了保證3年后達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)水量的泵，高壓泵的選用揚(yáng)程不小于78 m高壓泵。

表1 平均水通量及允許每年水通量衰減百分?jǐn)?shù)

2.3 多介質(zhì)過濾器

多介質(zhì)過濾器可以減少反滲透原水中懸浮固體物和膠狀固體物，其中對于濾料的選擇十分重要，濾料種類繁多，且功能不同[18-19]。

結(jié)合原水水質(zhì)選取雙層濾料過濾，石英砂和活性炭組合的成套多介質(zhì)過濾器。上層采用粒徑大、相對密度小的石英砂，增加容污能力，水頭損失增加較慢；下層采用小粒徑、大相對密度的活性炭，增加吸附作用，具體參數(shù)見表2。

表2 多介質(zhì)過濾器參數(shù)表

2.4 超濾過濾器

超濾器對去除溶液中的微粒、膠體、細(xì)菌、熱源和各種有機(jī)物有較好的效果，在水處理系統(tǒng)工程和物質(zhì)分離領(lǐng)域中的必備設(shè)備[20]，超濾膜的參數(shù)見表3。

表3 超濾膜參數(shù)表

3 工藝選型計(jì)算

3.1 反滲透膜的選型

反滲透膜的型號為FILMTECTMBW30-LCLE 4040，產(chǎn)水量為0.25 t/h，即2支膜可滿足產(chǎn)水要求。

由表4可知，系統(tǒng)回收率為29%，單支膜的回收率為16%。

表4 40"系統(tǒng)中膜組件的最大回收率 %

兩支膜的兩種排列方式如下：

并聯(lián)-一級一段式(見圖4)系統(tǒng)計(jì)算實(shí)際回收率為16%。

圖4 并聯(lián)-一級一段式

串聯(lián)-一級兩段式(見圖5)系統(tǒng)計(jì)算實(shí)際回收率為29.4%。

圖5 串聯(lián)-一級兩段式

為了保證0.5 t/h的產(chǎn)水量，膜組并聯(lián)的進(jìn)水為3.125 t/h，膜組串聯(lián)的進(jìn)水量為1.7 t/h，經(jīng)對比選擇反滲透膜組串聯(lián)排布方式。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)產(chǎn)水量要求比較小時，通過串聯(lián)的方式排布反滲透組件可以提高回收率。

3.2 反滲透管路系統(tǒng)的阻力計(jì)算

原則上，為確定最優(yōu)管徑，可選擇不同的流速作為方案計(jì)算，從中找出經(jīng)濟(jì)、合理的最佳流速或管徑。對于車間內(nèi)部的管路，可根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速范圍，經(jīng)驗(yàn)性地選用流速，然后由質(zhì)量守恒式計(jì)算管徑，再根據(jù)管道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。

流動阻力主要由兩部分組成：一種是直管，另一種是彎頭、閥門等各種管件。直管造成的機(jī)械能損失稱作流動阻力損失；管件造成的機(jī)械能損失稱為局部阻力損失。流動阻力損失相對于局部阻力損失，可忽略不計(jì)。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中產(chǎn)水量為0.5 t/h，反滲透系統(tǒng)入口流量為1.7 t/h，水處理系統(tǒng)進(jìn)水流量為2.0 t/h，工作條件為室溫25 ℃，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的黏度為0.894 9 mPa·s，密度為997.13 kg/m3。

經(jīng)驗(yàn)選擇水的流速為1 m/s，管徑d=0.023 04 m，圓整內(nèi)徑為20 mm，則流速為

(1)

(2)

因此，Re大于2 300，系統(tǒng)流動狀態(tài)為湍流。

根據(jù)Blasius式，則摩擦因數(shù)λ為

λ=0.316 4/Re0.25=0.022 5

(3)

根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工藝流程運(yùn)行設(shè)備圖及管路的長度，預(yù)計(jì)管路為10 m，則湍流時直管阻力損失為

(4)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，各設(shè)備的壓力降見表5。

表5 各設(shè)備的阻力損失匯總 MPa

綜上所述，直管阻力損失和局部阻力損失總和所導(dǎo)致的水頭損失為Hf=6.760 9 m，即整個設(shè)計(jì)系統(tǒng)中所選擇的泵的揚(yáng)程必須大于水頭損失，選擇輸送水泵型號為25GP-30，揚(yáng)程為30 m，即檢驗(yàn)、驗(yàn)證了泵選擇的正確性。

4 結(jié) 論

(1)“預(yù)處理+反滲透”的工藝流程能夠很好地保護(hù)和延長反滲透系統(tǒng)的壽命，使其運(yùn)行更長的時間。

(2)當(dāng)設(shè)計(jì)產(chǎn)水量比較小時，反滲透模組的串聯(lián)能夠增加回收率。

(3)處理后的濃水回流也能夠增加反滲透系統(tǒng)的回收率。

(4)反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程主要是根據(jù)原水水質(zhì)選取膜元件的類型，根據(jù)產(chǎn)水量、產(chǎn)水水質(zhì)選取膜元件的數(shù)量和膜組件的排列方式，由此可計(jì)算出反滲透的回收率,通過選擇的膜的設(shè)計(jì)守則計(jì)算膜元件所需要的推動力進(jìn)行高壓泵的選型，并且選擇配置儀表以及閥門的選型。