段小冰

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

前言

近年來(lái)，隨著水資源的污染和逐漸枯竭，以反滲透技術(shù)為代表的水處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)都在建設(shè)反滲透系統(tǒng)，但因缺乏反滲透技術(shù)方面的人才，各反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行水平參差不齊。為了能夠很好地發(fā)揮反滲透系統(tǒng)的作用，需要規(guī)范反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行管理。對(duì)反滲透系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，是規(guī)范反滲透系統(tǒng)運(yùn)行管理的關(guān)鍵。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行條件在不斷地發(fā)生變化，如進(jìn)水的溫度、電導(dǎo)率、壓力和SDI（淤泥密度指數(shù)）值等，這些運(yùn)行條件的變化會(huì)引起反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水量、回收率、跨膜壓差和脫鹽率等運(yùn)行參數(shù)的變化。為了判斷反滲透系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化是因運(yùn)行條件發(fā)生變化而引起的正常變化，還是因水質(zhì)發(fā)生惡化后導(dǎo)致反滲透系統(tǒng)發(fā)生污堵，造成反滲透膜元件性能衰減而引起的異常變化，則需要將反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并將其與反滲透系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。如標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)相比沒有發(fā)生較大偏差，則說(shuō)明反滲透系統(tǒng)運(yùn)行正常；如發(fā)生了較大偏差，則說(shuō)明反滲透系統(tǒng)出現(xiàn)了污堵或其他不正常現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)排查原因，并采取相應(yīng)措施，以避免反滲透系統(tǒng)發(fā)生污堵或反滲透膜元件發(fā)生性能衰減。

1 運(yùn)行參數(shù)確定的條件

反滲透系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的確定對(duì)反滲透系統(tǒng)長(zhǎng)期、安全和穩(wěn)定的運(yùn)行是至關(guān)重要的。反滲透系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的確定需要以下2個(gè)條件。

1）在設(shè)計(jì)反滲透系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)原水的水質(zhì)情況確定反滲透系統(tǒng)合理的膜通量和回收率。當(dāng)膜通量和回收率過高時(shí)，反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量大，此時(shí)，如果反滲透膜元件濃水側(cè)溶液的濃度過高，濃水量減少，流速降低，會(huì)加劇反滲透膜的濃差極化現(xiàn)象發(fā)生[1]，導(dǎo)致反滲透系統(tǒng)發(fā)生污堵或結(jié)垢現(xiàn)象；當(dāng)膜通量和回收率過低時(shí)，雖然反滲透系統(tǒng)污堵速度減緩了，但投資相對(duì)較高。通過中試確定鋼鐵企業(yè)廢水脫鹽反滲透系統(tǒng)的膜通量為17 L/（m2/h），回收率為65%。

2）確定反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行模式。反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行模式一般可分為恒流量運(yùn)行模式、恒壓運(yùn)行模式和恒流量恒壓雙恒量運(yùn)行模式3種。壓力傳感器與流量傳感器相比具有成本低、精度高和安裝方便的優(yōu)勢(shì)，且實(shí)現(xiàn)恒壓控制更加容易。但是，國(guó)內(nèi)大多數(shù)鋼鐵企業(yè)對(duì)排水（即水源）量和供水量的要求穩(wěn)定不變，而且反滲透系統(tǒng)的恒流量運(yùn)行模式也有利于前后系統(tǒng)工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，因此，大部分反滲透系統(tǒng)以恒流量模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

反滲透系統(tǒng)的膜通量、回收率和運(yùn)行模式等選定后，根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)及其影響因素確定操作人員日常需監(jiān)測(cè)和記錄的數(shù)據(jù)，包括進(jìn)水的溫度和pH值，反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水、段間和濃水的壓力，進(jìn)水和產(chǎn)水的電導(dǎo)率，產(chǎn)水和濃水的流量，進(jìn)水的SDI值以及反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。

2 模型建立

反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水具有諸多參數(shù)，其中影響反滲透膜元件使用壽命及反滲透系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的主要參數(shù)有溫度、pH 值、余氯、濁度、污染指數(shù)和有機(jī)物等。這些參數(shù)在反滲透系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中不是恒定不變的，而是動(dòng)態(tài)的，在恒流量運(yùn)行模式的反滲透系統(tǒng)中，這些參數(shù)最終體現(xiàn)的是產(chǎn)水量、脫鹽率和跨膜壓差等3項(xiàng)參數(shù)的變化，是日常運(yùn)行管理過程中監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)。操作人員根據(jù)產(chǎn)水量的變化來(lái)調(diào)節(jié)反滲透系統(tǒng)的工作壓力，使產(chǎn)水量始終保持一個(gè)恒定值，以保證反滲透系統(tǒng)的恒流量運(yùn)行。對(duì)于特定的反滲透膜元件，這3 項(xiàng)參數(shù)代表其實(shí)時(shí)參數(shù)，也是其3項(xiàng)外部特性指標(biāo)，它們雖不能準(zhǔn)確地反映反滲透膜元件是否真的受到損壞或發(fā)生性能衰減，但通過這3 項(xiàng)參數(shù)卻可以直接獨(dú)立地反映其透水系數(shù)、脫鹽系數(shù)和流道阻力系數(shù)[2]。要想判斷這些參數(shù)變化對(duì)反滲透系統(tǒng)的影響是否為正常變化，則需每天及時(shí)記錄該系統(tǒng)的日常運(yùn)行數(shù)據(jù)，并建立標(biāo)準(zhǔn)模型，對(duì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以確定反滲透膜元件是否被損壞或發(fā)生性能衰減。

反滲透系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化一般包括標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量、標(biāo)準(zhǔn)化跨膜壓差和標(biāo)準(zhǔn)化脫鹽率等3項(xiàng)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量

產(chǎn)水量為反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)能，即單位時(shí)間內(nèi)透過反滲透膜的水量。標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量Q的計(jì)算式為：

式中：Qp——反滲透系統(tǒng)的實(shí)際產(chǎn)水量；

Pav1——反滲透系統(tǒng)的初始有效壓力；

Pav2——反滲透系統(tǒng)的實(shí)際壓力；

TCF1——反滲透系統(tǒng)的實(shí)際溫度校正系數(shù)；

TCFr——反滲透系統(tǒng)的初始溫度校正系數(shù)。

反滲透系統(tǒng)的壓力Pav 的計(jì)算式為：

Pav=(P1+P2+P3)/3

式中：P1——反滲透系統(tǒng)的給水壓力；

P2——反滲透系統(tǒng)的段間壓力；

P3——反滲透系統(tǒng)的濃水壓力。

反滲透系統(tǒng)的溫度校正系數(shù)TCF的計(jì)算式為：

TCF=Exp{2 700×［1/（273+T）-1/298］}

式中：T——進(jìn)水溫度。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化跨膜壓差

在生產(chǎn)過程中，不僅要關(guān)注反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水量，還需關(guān)注反滲透系統(tǒng)的跨膜壓差?？缒翰钍侵蛤?qū)動(dòng)水通過反滲透膜所需的壓力,即進(jìn)水壓力和濃水壓力之間的差。標(biāo)準(zhǔn)化跨膜壓差Dp 的計(jì)算式為：

式中：Dp0——反滲透系統(tǒng)的實(shí)際壓降；

Qfcr——反滲透系統(tǒng)的初始進(jìn)水和濃水的平均水量;

Qfc——反滲透系統(tǒng)的實(shí)際進(jìn)水和濃水的平均水量;

Qcr——反滲透系統(tǒng)的初始濃水量;

Qpr——反滲透系統(tǒng)的初始產(chǎn)水量;

Qc——反滲透系統(tǒng)的實(shí)際濃水量;

Qp——反滲透系統(tǒng)的實(shí)際產(chǎn)水量。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化脫鹽率

脫鹽率是衡量反滲透膜元件性能指標(biāo)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，脫鹽率決定了反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水的水質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)化脫鹽率Rej 的計(jì)算式為：

式中：Rej1——反滲透系統(tǒng)的實(shí)際脫鹽率；

Qr——反滲透系統(tǒng)的初始產(chǎn)水量；

ECp——反滲透系統(tǒng)的實(shí)際產(chǎn)水電導(dǎo)率；

ECp0——反滲透系統(tǒng)的實(shí)際進(jìn)水電導(dǎo)率。

3 實(shí)際應(yīng)用

在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，由于原水溫度和電導(dǎo)率的變化，反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量和運(yùn)行壓力也隨之變化。為了能夠準(zhǔn)確把握反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對(duì)其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分析，消除反滲透系統(tǒng)運(yùn)行溫度對(duì)產(chǎn)水量、跨膜壓差和脫鹽率的影響，以反映反滲透系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀況。

3.1 產(chǎn)水量

反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行條件及實(shí)際產(chǎn)水量和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量見表1。

表1 反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行條件及實(shí)際產(chǎn)水量和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量

反滲透系統(tǒng)的實(shí)際產(chǎn)水量和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量的變化情況如圖1所示。

圖1 反滲透系統(tǒng)實(shí)際產(chǎn)水量和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量的變化情況

由圖1可見，隨著反滲透系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)際產(chǎn)水量基本保持不變，而標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量逐漸下降。實(shí)際產(chǎn)水量基本保持不變是由于反滲透系統(tǒng)采取恒流量運(yùn)行模式，在反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量下降的情況下，通過調(diào)整變頻泵的頻率，提高反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水壓力，保證產(chǎn)水流量和濃水流量恒定不變。標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量逐漸下降表明，反滲透系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生污堵，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量下降嚴(yán)重時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)反滲透系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)清洗，以防止反滲透膜元件的性能進(jìn)一步惡化。

3.2 跨膜壓差

反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行條件及實(shí)際跨膜壓差和標(biāo)準(zhǔn)化跨膜壓差見表2。

表2 反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行條件及實(shí)際跨膜壓差和標(biāo)準(zhǔn)化跨膜壓差

反滲透系統(tǒng)的實(shí)際跨膜壓差和標(biāo)準(zhǔn)化跨膜壓差的變化情況如圖2所示。

圖2 反滲透系統(tǒng)的實(shí)際跨膜和標(biāo)準(zhǔn)化跨膜壓差變化情況

由圖2可見，隨著反滲透系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)際跨膜壓差和標(biāo)準(zhǔn)化跨膜壓差都在不斷升高，說(shuō)明反滲透系統(tǒng)發(fā)生了污堵情況，其反滲透膜元件的性能在不斷下降，因此，需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化壓差增長(zhǎng)情況，及時(shí)對(duì)反滲透系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)清洗，以恢復(fù)反滲透膜元件的性能，保證反滲透系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 脫鹽率

生產(chǎn)廠商提供的反滲透膜元件性能標(biāo)準(zhǔn)為，當(dāng)使用年限小于3 年時(shí)，其脫鹽率不小于97%；當(dāng)使用年限為3～5 年時(shí)，其脫鹽率不小于95%。生產(chǎn)過程中反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行條件及實(shí)際脫鹽率和標(biāo)準(zhǔn)化脫鹽率見表3。

表3 反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行條件及實(shí)際脫鹽率和標(biāo)準(zhǔn)化脫鹽率

反滲透系統(tǒng)的實(shí)際脫鹽率和標(biāo)準(zhǔn)化脫鹽率的變化情況如圖3所示。

由圖3可見，隨著反滲透系統(tǒng)運(yùn)行周期的延長(zhǎng)，反滲透膜的實(shí)際脫鹽率逐年降低，但具有一定的規(guī)律性，而且符合廠商提供的反滲透膜元件性能標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明反滲透膜元件沒有產(chǎn)生異常損傷，屬于正常的性能衰減。在生產(chǎn)過程中需做好反滲透系統(tǒng)日常運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄，并定期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，才能判斷反滲透膜元件性能衰減的趨勢(shì)以及損壞情況，并有計(jì)劃地更換反滲透膜元件，以保證反滲透系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖3 反滲透系統(tǒng)的實(shí)際和標(biāo)準(zhǔn)化脫鹽率的變化情況

4 結(jié)語(yǔ)

由于受多種因素的影響，反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)會(huì)產(chǎn)生實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的變化，需通過對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)判斷該系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀況。掌握反滲透系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，有助于反滲透系統(tǒng)的故障排除。反滲透系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的目的是為了監(jiān)測(cè)反滲透系統(tǒng)膜元件性能的變化趨勢(shì)，有效評(píng)價(jià)反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，保證反滲透系統(tǒng)的正常運(yùn)行。