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二級反滲透系統(tǒng)的工藝結(jié)構(gòu)特征分析

在純水制備項目中,二級反滲透系統(tǒng)是重要的工藝環(huán)節(jié)。二級系統(tǒng)與一級系統(tǒng)的重要區(qū)別之一是給水含鹽量一般低于50 mg/l,給水中硬度與有機物等污染性物質(zhì)的濃度很低,不易形成系統(tǒng)污染。故反滲透系統(tǒng)設計導則規(guī)定:二級系統(tǒng)的膜平均通量約為35 l/(㎡·h),系統(tǒng)的濃差極化度(膜表面鹽濃度與給水鹽濃度之比)上限1.4(一級系統(tǒng)上限1.2),系統(tǒng)回收率可達85%。因此低給水含鹽量、低污染物濃度、高平均膜通量、高濃差極化度、高系統(tǒng)回收率的兩低三高特征構(gòu)成了二級系統(tǒng)設計的重要基礎。

 

二級系統(tǒng)的設計包括元件品種、元件數(shù)量、流程長度、膜堆結(jié)構(gòu)等多項內(nèi)容,且包括系統(tǒng)收率、系統(tǒng)功耗、產(chǎn)水鹽量、段通量比(兩段通量之比)與段濃水比(兩段膜殼濃水流量之比)等多項經(jīng)濟技術指標。筆者還就二級系統(tǒng)的流程長度與膜堆結(jié)構(gòu)進行了重點分析。

 

本研究僅以海德能公司的兩個型號元件代表高壓與低壓兩類膜品種,低壓膜espa2的測試參數(shù)為:給水壓強1.05 mpa、脫鹽率99.6%、產(chǎn)水量34.1 m3/d,高壓膜cpa3的測試參數(shù)為:給水壓強1.55 mpa、脫鹽率99.7%、產(chǎn)水量37.9 m3/d。

 

本研究所示數(shù)據(jù)均由海德能設計軟件計算得出。由于該軟件對于二級系統(tǒng)脫鹽率的計算結(jié)果偏高,故二級系統(tǒng)產(chǎn)水含鹽量偏低,相關數(shù)據(jù)僅供工藝效果的對比之用。

 

01 濃差極化與元件配置

 

反滲透膜的濃差極化度的定義為:膜表面的鹽濃度與湍流態(tài)給濃水徑流中鹽濃度之比。因卷式膜元件中濃差極化度無法測量,故該參數(shù)多轉(zhuǎn)換為元件收率的函數(shù)。

 

此外低壓膜的脫鹽率較低,高壓膜的脫鹽率較高;故兩級系統(tǒng)均采用高壓膜時的系統(tǒng)脫鹽率高但能耗也高,而均采用低壓膜時的系統(tǒng)脫鹽率低但能耗也低。表1給出了1個產(chǎn)水流量為85 m3/h的兩級系統(tǒng)中,一級與二級系統(tǒng)分別采用不同膜品種(低壓膜espa2、高壓膜cpa3)時的系統(tǒng)運行參數(shù)。其中運行條件為:給水含鹽量2 000 mg/l,給水溫度25 ℃;一級系統(tǒng)產(chǎn)水量100 m3/h,回收率75%,膜堆結(jié)構(gòu)14-7/6;二級系統(tǒng)產(chǎn)水量85 m3/h,回收率85%,膜堆結(jié)構(gòu)12-4/4。

 

 

二級系統(tǒng)給水的含鹽量及滲透壓不高,各種元件品種配置的段通量比均接近1.1;因一級系統(tǒng)的給水含鹽量較高,采用高壓膜品種的段通量比遠低于采用低壓膜品種;此外兩級系統(tǒng)不同元件品種配置的重要差異在于系統(tǒng)功耗。

 

表1所示數(shù)據(jù)揭示了兩級系統(tǒng)的另一特征,即當兩級系統(tǒng)中選擇不同脫鹽率膜品種時,一級系統(tǒng)產(chǎn)水電導率差異較大,但兩級系統(tǒng)產(chǎn)水電導率相差不大。換言之,當一級系統(tǒng)脫鹽率較低時,則二級系統(tǒng)脫鹽率將上升,當一級系統(tǒng)脫鹽率較高時,則二級系統(tǒng)脫鹽率將下降。

 

為降低一級系統(tǒng)的段通量比與兩級系統(tǒng)功耗,一級系統(tǒng)應采用高壓膜而二級系統(tǒng)應采用低壓膜。換言之,一級系統(tǒng)應采用高壓膜品種,以小幅增大的系統(tǒng)能耗為代價,換取前后段通量趨于平衡;二級系統(tǒng)應采用低壓膜品種,以小幅增大的段通量比換取系統(tǒng)能耗的大幅降低。當然,對于脫鹽率要求較高的兩級系統(tǒng),二級系統(tǒng)中也應采用高壓膜品種。

 

02 收率85%的二級系統(tǒng)

 

在相同回收率下,反滲透系統(tǒng)的一般規(guī)律為:長流程系統(tǒng)的濃差極化度較小,短流程系統(tǒng)的濃差極化度較大,但長流程系統(tǒng)也存在著系統(tǒng)功耗高與段通量比大等弊端。受到濃差極化度1.2限制,對于75%收率的一級系統(tǒng)一般采用6支裝膜殼即兩段流程全長12 m。因二級系統(tǒng)的濃差極化度限值放寬至1.4,采用短流程結(jié)構(gòu),可有效降低系統(tǒng)功耗與段通量比。

 

對于一般收率85%的二級系統(tǒng),膜堆如采用整倍于2-1/5結(jié)構(gòu)或整倍于2-1/4結(jié)構(gòu),則系統(tǒng)運行參數(shù)幾乎均優(yōu)于整倍于2-1/6結(jié)構(gòu),即應采用5支甚至4支裝膜殼,其流程長度可縮短至10 m甚至8 m。相關數(shù)據(jù)見表 2,其中運行條件為:給水含鹽量30 mg/l,給水溫度25 ℃,產(chǎn)水流量200 m3/h,元件通量30 l/(m2·h),系統(tǒng)收率85%,元件品種espa2。

 

 

反滲透系統(tǒng)設計領域中,還要求各段膜殼的濃水流量(也稱段殼濃水流量)不得過低,即殼內(nèi)末端膜元件的濃水流量不得過低,以使其元件的給濃水徑流維持湍流狀態(tài)。根據(jù)后面表 3數(shù)據(jù)分析,當系統(tǒng)收率為85%時,如仍采用2:1的兩段膜殼數(shù)量比結(jié)構(gòu),常出現(xiàn)首段的膜殼濃水流量大于末段的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)末段濃水中的污染物濃度更高,為使末段錯流比更大以降低污染,則末段的段殼濃水流量應大于首段。

 

 

因此針對85%的二級高收率系統(tǒng),無論流程為10 m或8 m,為使末段膜殼濃水流量大于首段,其兩段膜殼數(shù)量比應接近或等于3:1。如果兩段膜殼數(shù)量比接近或等于4:1時,則前后段膜殼濃水流量比過大,且使前段系統(tǒng)的濃差極化度過高。關于5種膜堆結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)的比較見表 3。其中運行條件為:給水含鹽量30 mg/l,給水溫度25 ℃,產(chǎn)水流量300 m3/h,平均通量33.6 l/(m2·h),回收率85%,元件品種espa2。

 

對于元件數(shù)量一致而不同流程長度的系統(tǒng),由于膜殼長度不同會導致價格不等,故其投資成本有所差異。以膜元件數(shù)量相等但采用27-9/4與16-8/6不同膜堆結(jié)構(gòu)為例進行系統(tǒng)投資成本的分析,結(jié)果見表4。其中運行條件為:給水含鹽量50 mg/l,給水溫度25 ℃,產(chǎn)水流量160 m3/h,平均通量30 l/(m2·h),回收率85%,元件品種espa2。

 

 

設6芯膜殼的價格為2 000~2 800元,而4芯膜殼的價格為1 600~2 500元,并設系統(tǒng)年運行8 000 h且電價為0.8元/(kw·h)。

 

由表 4可知,27-9/4(9倍3-1/4)的短流程結(jié)構(gòu)比16-8/6(8倍2-1/6)的長流程結(jié)構(gòu)的膜殼總價僅增加9.00-6.72=2.28萬元,而年運行電費可節(jié)省48.1-43.3=4.8萬元,因此可知短流程結(jié)構(gòu)較長流程結(jié)構(gòu)具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。9倍3-1/4結(jié)構(gòu)與8倍2-1/6結(jié)構(gòu)的唯一缺點是:二級系統(tǒng)的4支裝膜殼與一級系統(tǒng)的6支裝膜殼在膜堆架構(gòu)上存在長短差異。但該缺點與其經(jīng)濟技術優(yōu)勢相比,不足為慮。

 

03 二級濃水的回流方式

 

由于二級系統(tǒng)的產(chǎn)水含鹽量遠低于一級系統(tǒng)的進水含鹽量,故二級系統(tǒng)濃水總是回流至一級系統(tǒng)前,與一級系統(tǒng)進水混合為一級系統(tǒng)給水。該工藝結(jié)構(gòu)不僅提高了兩級系統(tǒng)的回收率,也在一定程度上提高了兩級系統(tǒng)的脫鹽率。

 

 

對于兩級元件配置分別為cap3的espa2的兩級系統(tǒng),如無二級系統(tǒng)濃水回流工藝,系統(tǒng)給水流量為118.3+15=133.3m3/h,則系統(tǒng)回收率為85/133.3=0.638,系統(tǒng)產(chǎn)水含鹽量為0.81 mg/l,電導率1.61 μs/cm;有二級系統(tǒng)濃水回流工藝時,根據(jù)(1)式關系,系統(tǒng)回收率為85/118.3=0.718,系統(tǒng)產(chǎn)水含鹽量為0.77 mg/l,電導率1.55 μs/cm。

 

二級系統(tǒng)濃水的回流工藝,具有圖 1給出的a與b兩個不同模式。實線所示模式a為目前普遍采用的模式,其二級濃水經(jīng)濃水閥降壓并回流到一級給水泵前端,二級濃水的能量幾乎全部被濃水閥所消耗,并需要一級給水泵對其再次加壓。筆者建議采用虛線所示模式b,其二級濃水經(jīng)增壓泵加壓并注入一級給水泵后端,二級濃水具有的能量可被充分利用,而只需對其小幅增壓至一級給水壓強,從而達到降低系統(tǒng)能耗之目的。

 

 

理論計算表明,模式b工藝需增設1臺15 m3/h流量、30 m揚程的16-4型增壓泵,需要約4 000元投資,該增壓泵新增功耗15×300/3 600=1.25 kw,但一級給水泵功率可降低15×1 020/3 600=4.25 kw。給水泵與增壓泵與兩項功率相抵后系統(tǒng)可節(jié)省功耗3 kw,按照0.8元/(kw·h)及運行時間8 000 h/a計算,每年可節(jié)省電費約3×8 000×0.8=19 200元。因此二級系統(tǒng)濃水回流時,增壓并回流至一級給水泵后端工藝可有效節(jié)能。

 

04 結(jié) 論

 

(1)二級系統(tǒng)具有低給水鹽量、低給水污染物、高通量、高收率、高濃差極化度特點。

 

(2)一級與二級系統(tǒng)分別用高壓與低壓膜品種的組合形式時的能耗較低且脫鹽率較高。

 

(3)回收率85%的二級系統(tǒng)應該采用8 m的短系統(tǒng)流程與3-1/4或其整倍的膜堆結(jié)構(gòu)。

 

(4)采用二級濃水回流至一級給水泵后端工藝,可有效降低兩級系統(tǒng)能耗與水泵投資。

 

來源:北極星水處理網(wǎng)

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