反渗透系统设计调试运行及维护手册

反渗透系统设计及运行控制
1.常见术语解释
（1）半透膜
广泛存在于自然界动植物体器官上的一种选择透过性膜。

严格地说，是只能透过溶剂（通常指水）而不能透过溶质的膜。

工业使用的半透膜多是高分子合成的聚合物产品。

（2）渗透、渗透压
当把溶剂和溶液（或把两种不同浓度的溶液）分别置于半透膜的两侧时，溶剂将自发地穿过半透膜向溶液（或从低浓度溶液向高浓度溶液）侧流动，这种现象叫渗透，如果上述过程中溶剂是纯水，溶质是盐份，当用理想半透膜将他们分隔开时，纯水侧会自发地通过半透膜流入盐水侧。

纯水侧的水流入盐水侧，盐水侧的液位上升，当上升到一定程度后，水通过膜的净流量等于零，此时该过程达到平衡，及该液位高度差对应的压力称为渗透压，它及溶液的种类、浓度和温度有关而及半透膜本身无关，通常可用下式计算渗透压：Δπ＝△CRT
式中：Δπ渗透压，R 气体常数，ΔC膜两侧浓度差，T 温度。

（3）反渗透
上述渗透过程中，当在半透膜的盐水侧施加一个大于渗透压的压力时，水的流动向就会逆转，此时盐水中的水将流入纯水侧，这种现象叫做反渗透
（4）脱盐率（Salt Rejection）
指给水总溶解固体物（TDS）中未透过膜部分的百分数，脱盐率=（1-产品水总溶解固形物/给水总溶解固形物）X100%。

（5）回收率（Recovery）
指产水流量及给水流量之比，以百分数表示，回收率=（产品水流量/给水流量）X100%，一般影响回收率的因素，主要有进水水质、浓水的渗透压、易结垢物质的浓度、污染膜物质等。

（6）流量衰减系数、膜通量保留系数
指反渗透装置在运行过程中产水量衰减的现象，即运行一年后产水流量及初始运行产水流量下降的比值（复合膜一般不超过3%）；膜通量保留系数指运行一段时间后产水流量及初始运行产水流量的比值（一般三年可达到0.85以上）。

（7）水通量（Flux）
指单位面积膜的产水流量，及进水类型及膜类型有关。

（8）浓差极化
反渗透过程中，水分子透过后，膜界面层中含盐量增大，形成浓度较高的浓水层，此层及给水水流的浓度形成很大的浓度梯度，这种现象称为膜的浓差极化。

（9）朗格利尔指数（LSI）
又称饱和指数，是水样实测的PH值减去水样中碳酸钙饱和时的PH值（PHs）所得的值。

碳酸钙在水中呈饱和状态时，重碳酸钙既不分解为碳酸钙，碳酸钙也不会继续溶解，此时的PH值称为饱和的PH值，以PHs表示。

若水样的PH值大于PHS，LSI为正值时，
碳酸钙会从水中析出，这种水属结垢型水；当LSI为负值时，原有水垢层会被溶解掉，使原材料裸露在水中受侵蚀，这种水称作侵蚀型水；当LSI等于零时，水处于饱和状态，这种水属于稳定性。

LSI用以判断碳酸钙水垢在水中是否会析出，并据此提出用加酸或用加碱处理方法来控制水垢的析出。

（10）离子积（Ipb）
（11）溶度积（Ksp）
难溶电解质尽管难溶，但还是有一部分阴阳离子进入溶液，同时进入溶液的阴阳离子又会在固体表面沉积下来，当这两个过程的速率相等时，难溶电解质的溶解就达到平衡状态，固体的量不再减少，这样的平衡状态叫溶解平衡，其平衡常数叫溶度积常数（沉淀平衡常数），简称溶度积。

通常把在100g水中的溶解度小于0.01g的物质称为难溶物，难溶电解质在水中溶解的部分是完全离解的，即溶解多少，就离解多少。

溶度积的大小反映了物质的溶解能力，它会受温度的变化以及其他电解质的溶解影响而改变，所以通常给出的数值为某一单一电解质在特定温度下测定的。

（12）离子积及溶度积的关系
在沉淀溶解平衡中，溶度积是达到沉淀溶解平衡时的离子积。

在一定温度下，溶度积是个常数，而离子积不是常数，可以根据离子积及溶度积的相对大小，判断溶液中是否有沉淀生成（即溶度积规则）。

如果及一般化学平衡中的概念作比较，离子积是反应商，而溶度积是
平衡常数，另外在酸碱电离平衡中，离子积指的是水的自偶电离平衡常数Kw，也称为离子积常数，这及沉淀溶解平衡中的离子积不是一回事。

（13）膜的分离特性指标和物、化稳定性指标
包括：膜材质；允许使用的最高压力；允许使用的温度范围；允许的最大给水量；适用的PH范围；耐O3和CL2等氧化性物质的能力；抗微生物、细菌的侵蚀能力；耐胶体颗粒及有机物的污染能力。

（14）膜的一般性能要求
对水的渗透性要大，脱盐率要高；具有一定的强度，不致因水的压力和拉力影响而变形、破裂，膜的被压实性尽可能最小，水通量衰减小，保证稳定的产水量；结构要均匀，能制成所需要的结构；能适应较大的压力、温度和水质变化；具有好的耐温、耐酸碱、耐氧化、耐水解和耐生物侵蚀性能；使用寿命要长；成本要低。

（15）膜的分类
按膜本身的结构形态--均质膜：同一种材质、厚度均一的膜，为了增加强度以便耐压，膜的厚度较厚，整个膜厚都起着屏蔽层的作用，因而透水性较差。

非对称膜：同一种材质，制作成致密的表皮层和多孔支持层，表皮层很薄，起盐分离作用，厚约0.1～0.2μm，因为阻力较小，膜的水通量较均质膜高。

复合膜：不同材质制成的几层膜的复合体，表层为致密屏蔽表皮（起阻止并分离盐分的作用），厚约为0.2μm，表皮敷在强度较高的多孔层上，多孔层厚约40μm，最底层为无纺织物支撑层，厚约120μm，起支持整个膜的作用。

按膜加工外形--平面膜：由平面膜作为中间原材料，可以加工成板式、管式或卷式反渗透膜。

中空纤维膜：以熔融纺丝经过中空纤维的纺丝、热处理等工艺制成的很细很细的非对称结构的中空纤维膜。

按膜的材质--醋酸纤维素膜：一般是用纤维素经脂化生成三醋酸纤维素，再经过两次水解，成1、2、3醋酸纤维素的混合物制成的膜。

芳香聚酰胺膜：一般是高交联芳香聚酰胺作为膜表皮的致密脱盐层。

（16）膜元件
由膜片及进水流道网格、产水流道材料、产水中心管和抗应力器等用胶粘剂组装成的分离核心，能实现进水及产水分开、没有耐压外壳、不能直接在装置上运行的反渗透或纳滤过程的最小单元称为膜元件。

（17）膜元件的分类
工业上使用的膜元件主要有四种基本形式：管式、平板式、中空纤维式和涡卷式。

管式和平板式两种是反渗透最初始的产品形式，中空纤维式元件和涡卷式元件是管式和平板式膜元件的改进和发展。

（18）不同膜元件的对比
管式膜元件：将管状膜衬在耐压微孔管上，并把许多单管以串联或并联方式连接装配成管束。

有内压式或外压式两种，一般用内压式，其优点是水流流态好，易安装、清洗、拆换，缺点是单位面积小。

平板式膜元件：是由一定数量的承压板组成，承压板两侧覆盖微孔支撑板，其表面覆以平面成为最基本的反渗透单元。

迭和一定数量
的基本单元并装入压力容器中，构成反渗透器。

此种形式能承受高的压力，缺点是占地面极大，水流分布均匀差，扰动差，易产生浓差极化。

中空纤维膜元件：将中空纤维丝成束地以U形弯的形式把中空纤维开口端铸于管板上，类似于列管式热交换器的管束和管板间的连接。

由于纤维间是相互接触的，故纤维开口端及管板的密封是以环氧树脂用离心浇铸的方式进行的，其后，管板外侧用激光切割以保证很细纤维也能是开口的。

在给水压力作用下，淡水透过每根纤维管壁进入管内，由开口端汇集流出压力容器成为产品水。

该种形式的优点是单位面积的填充密度最大，结构紧凑；缺点是要求给水水质处理最严，污染堵塞时清洗困难。

卷式膜元件：类似一个长信封状的膜口袋，开口的一边粘接在含有开孔的产品水中心管上。

将多个膜口袋卷绕到同一个产品中心管上，使给水水流从膜的外侧流过，在给水压力下，使淡水通过膜进入膜口袋后汇流人产品水中心管内。

为了便于产品水在膜袋内流动，在信封状的膜袋内夹有一层产品水导流的织物支撑层；为了使给水均匀流过膜袋表面并给水流以扰动，在膜袋及膜袋之间的给水通道中夹有隔网层，膜口袋的三面是用粘结剂粘接在一起的。

给水从膜元件端部引入，沿着膜表面平行的方向流动，被分离的产品水垂直及膜表面，透过膜进入产品水膜袋。

如此，形成了一个垂直、横向相互交叉的流向。

给水中被膜截留下的盐分和胶体颗粒物质仍留在给水（逐步的成为浓水）中，并被横向水流带走。

如果膜元件的水通量过大，或回收
率过高（指超过制造厂导则规定），盐分和胶体滞留在膜表面上的可能性就越大，浓度过高会形成浓差极化，胶体颗粒会污染膜表面。

如上所述，管式、平板是膜元件的填充密度很低，但可应用于高污染给水或粘度高的液体的处理；中空纤维膜元件易污染，影响其在一般水处理情况下使用。

（19）压力容器
指盛装反渗透膜元件的‘膜壳，用以组成反渗透装置以便使用。

常用的压力容器的进出水结构构形式有两种：端联式和侧联式。

端联式为进出水连接均在压力容器两端端板上；侧联式为原水从压力容器的侧面进入，浓缩水从另一端的侧面排出，而透过水则从压力容器两端收集。

侧联式安装方便。

原水进水口及浓缩水排出口可直接及管线外连，不影响端板的拆卸。

端板有挡环槽、O形圈、保安螺拴等构成，保证其密封性。

压力容器分为低压压力容器、常压压力容器及高压压力容器，依设计需要选用，其需要有可靠的抗疲劳性能、卫生性能、密封性能以及耐腐蚀性能，以保证其密封、无毒、无污染，并达到长期使用无腐蚀的要求。

（20）产水背压
背压指的是产品水侧的压力大于给水侧的压力的情况，如果产品水侧的压力大于给水侧的压力，膜口袋三面的粘接线就会破裂而导致膜元件脱盐率的丧失或者明显降低，因此从安全的角度考虑，反渗透系统不能够存在背压。

由于反渗透膜过滤是通过压力驱动的，在正常运行时是不会存在
背压的，但是如果系统正常或者故障停机，阀门设置或者开闭不当，那么就有可能存在背压，因此必须妥善处理解决背压的问题。

（21）膜元件的标准测试回收率、实际回收率及系统回收率膜元件标准测试回收率为膜元件生产厂家在标准测试条件所采用的回收率，海德能公司苦咸水膜元件的标准回收率为15%，海水膜元件的标准回收率为10%；膜元件实际回收率是膜元件实际使用时的回收率，膜元件生产厂家对单支膜元件的实际回收率作了明确规定，要求每支l米长的膜元件实际回收率不要超过18％，但当膜元件用于第二级反渗透系统水处理时，则实际回收率不受此限制，允许超过18％；系统回收率是指反渗透装置在实际使用时总的回收率，系统回收率受给水水质、膜元件的数量及排列方式等多种因素的影响，小型反渗透装置由于膜元件的数量少、给水流程短，因而系统回收率普遍偏低，而工业用大型反渗透装置由于膜元件的数量多、给水流程长，所以实际系统回收率一般均在75％以上，有时甚至可以达到90％。

在某些情况下采用浓水部分循环，即反渗透装置的浓水只排放一部分，其余部分循环进入给水泵入口，此时既可保证膜元件表面维持一定的横向流速，又可以达到用户所需要的系统回收率，但切不可通过直接调整给水／浓水进出口阀门来提高系统回收率，如果这样操作，就会造成膜元件的污染速度加快，导致严重后果。

系统回收率越高则消耗的水量越少，但回收率过高会发生以下问题：
①产品水的脱盐率下降；②可能发生微溶盐的沉淀；③浓水的渗透压过高，元件的产水量降低。

一般苦咸水脱盐系统回收率多控制在75％，即浓水浓缩了4倍，当原水含盐量较低时，有时也可采用80％，如原水中某种微溶盐含量高，有时也采用较低的系统回收率以防止结垢。

（22）系统回收率的确定
主要根据以下两点来确定系统的回收率：①根据膜元件串联的长度；②根据是否有浓水循环以及循环流量的大小。

在系统没有浓水循环时，一般按照以下规定决定膜元件和系统回收率：
膜元件串联数量/支 1 2 4 6 8 12 18
最大系统回收率/% <18 <32 <50 <58 <68 <80
<90
（23）膜元件标准测试压力及实际使用压力
膜元件标准测试压力为膜元件生产厂家在标准测试条件下所使用的压力，以海德能公司CPA系列产品为例，其标准测试压力为1.55MPa(225psi或者15.5bar)；膜元件使用压力为膜元件实际工作时所需要的压力。

实际上膜元件的标准压力及膜元件的使用压力有着本质的不同，膜元件标准压力是膜元件生产厂家为了检验其膜元件质量而人为设定的压力，而实际使用压力则受到温度、平均水通量选取值、进水含盐量、系统回收率、膜元件种类等各种因素的影响，膜元件的使用压力应根据各种因素的不同而不同，最简单的办法就是通
过膜元件生产厂家提供的计算软件进行实际计算。

（20）膜元件的标准脱盐率、实际脱盐率及系统脱盐率
膜元件标准脱盐率为膜元件生产厂家在标准条件下所测得的脱盐率，以海德能公司的低压系列产品为例，CPA2在标准条件下的最低脱盐率为99.2％(平均脱盐率为99.5％)，CPA3在标准条件下的最低脱盐率为99.6％(平均脱盐率为99.7％)；膜元件实际脱盐率为膜元件在实际使用时所表现出来的脱盐率，实际脱盐率有时会比标准脱盐率高，但更多情况下要比标准脱盐率低，这是由于标准测试条件及实际使用条件完全不同。

在标准测试条件下，其标准测试溶液为氯化钠溶液，膜元件标准脱盐率表现为对氯化钠的脱除率，在实际使用条件下，由于水中各种离子成分不同，温度、平均水通量选取值、系统回收率等均不同于标准测试条件，而这些因素均会影响到膜元件的脱盐率。

系统脱盐率为整套反渗透装置所表现出来的脱盐率，同样由于使用条件及标准条件不同，系统脱盐率有别于标准脱盐率，同时由于反渗透装置一般均串联多根膜元件，而装置中每根膜元件的实际使用条件均不同，故系统脱盐率也有别于膜元件实际脱盐率，对于只有1支膜元件的装置，系统脱盐率才等于膜元件实际脱盐率。

要预测系统脱盐率的最简单的办法就是通过膜元件生产厂家的计算软件进行实际计算。

了解了膜元件标准脱盐率、实际脱盐率及系统脱盐率之间的关系之后，在设计反渗透装置、给用户提供系统性能担保、验收反渗透装
置或者评定膜元件性能时，一定要根据系统实际脱盐率来进行，而不能以膜元件标准脱盐率来进行。

（24）系统脱盐率的确定
系统脱盐率是反渗透系统对盐的整体脱除率，它受到温度、离子种类、回收率、膜种类以及其他各种设计因素的影响，因而不同的反渗透系统的系统脱盐率是不一样的，其计算公式为
系统脱盐率=
×100%
有时出于方便的原因，也可以用下列公式来近似估算系统脱盐率
系统脱盐率= ×100%
以此近似估算得到的系统脱盐率往往低于实际系统脱盐率，因而经常在反渗透系统验收时引起争议。

（25）高压泵后面设手动调节门和电动慢开门的意义
膜元件设计产水量应该小于标准产水量，如按标准产水量作为设计产水量，则反渗透膜元件很快就会受到污染，造成膜元件损坏。

膜元件生产厂家提供的设计导则建议应根据不同的进水水源来选取不同的设计产水量，应该选用能够保证3年后达到设计产水量的给水泵，即需要设计更高压力的给水泵，但系统初始投运时不需要很高的压力就可以达到设计产水量，所以系统在初始运行时给水泵压力富
裕，随着时间的推移，压力富裕逐渐减少，因此高压泵后面应设手动调节门来调节给水压力。

有些时候可以对给水泵设置变频调节装置，此时可以用变频的方法来实现给水压力的调节。

高压泵后面的手动调节门在设置后一般不需要经常调节，在一段时间内基本上是保持在恒定的位置，在系统每次启动时也不需要开闭此阀门。

如果高压泵后面没有其他阀门，此时每次启动系统时，高压泵的高压水源会直接冲击膜元件，特别是在系统中存在空气时就会产生“水锤”的现象，这样容易造成膜元件的破裂。

为了防止上述现象的发生，应该在高压泵后面设电动慢开门，在启动高压泵后慢慢打开电动慢开门，也即慢慢向系统的反渗透膜上加载压力，电动慢开门应该是全开全闭阀门，其全开全闭时间是可以调节的，一般设定为45～60s，所以从反渗透膜元件的安全角度考虑应该设置电动慢开门。

（26）自动冲洗功能
给水进入反渗透系统后分成两路，一路透过反渗透膜表面变成产水，另一路沿反渗透膜表面平行移动并逐渐浓缩，在这些浓缩的水流中包含了大量的盐分，甚至还有有机物、胶体、微生物和细菌、病毒等。

在反渗透系统正常运行时，给水／浓水流沿着反渗透膜表面以一定的流速流动，这些污染物很难沉积下来，但是如果反渗透系统停止运行，这些污染物就会立即沉积在膜的表面，对膜元件造成污染。

所以要在反渗透系统中设置自动冲洗系统，利用干净的水源对膜元件表面进行停运冲洗，以防止这些污染物的沉积。

(27) 开机时系统不带压冲洗
对于已经采取添加停用保护药剂的系统，应该将这些保护药剂排放出来，然后再通过不带压冲洗把这些保护药剂冲洗干净，最后再启动系统。

对于没有采取添加停用保护药剂的系统，此时系统中一般是充满水的状态，但这些水可能已经在系统中存了一定的时间，此时也最好用不带压冲洗的方法把这些水排出后再开机为好。

有时，系统中的水不是在充满状态，此时必须通过不带压冲洗的方法排净空气，如果不排净空气，就容易产生“水锤”的现象而损坏膜元件。

（28）初始运行数据的记录
在运行过程当中，由于系统的运行条件，如压力、温度、系统回收率和给水浓度的变化会引起产品水流量和质量的改变，为了有效地评价系统的性能，需要在相同的条件下比较产品水流量和质量数据，因为不可能总是在相同条件下获得这些数据，因此需要将实际运行状况下的RO性能数据按照恒定的运行条件进行“标准化”，以便评价RO膜的性能。

标准化的参考点是以初投运时(稳定运行或经过24h)的运行数据，或者由反渗透膜元件制造厂商的标准参数做参考，标准化包括产品水流量的“标准化”和盐透过率的“标准化”。

（29）预处理PH值偏高，系统脱盐率整体过低
pH值是水的酸碱度的衡量指标，pH值变化，会影响到水中各种离子的平衡，尤其是碳酸系统离子的平衡，同时也会影响到氢离子和氢氧根离子的含量，而反渗透膜对各种离子的脱除率是不一样的，同时其脱除率会受到pH值的明显干扰，只有在pH值介于6～8之间时，其脱除率最高，当pH值过高或者过低时，其脱除率均会大大
降低，而石灰软化预处理工艺pH值往往都超过10，因而会导致系统脱盐率的大大降低。

（30）膜元件产水管的破裂
用户在安装时使用了不恰当的润滑剂，该润滑剂及由高分子材料制成的膜元件中心管发生了反应，同时由于安装时的应力作用，造成了膜元件中心管的破裂。

根据膜元件厂家的建议，任何时候不允许使用石油类(如化学溶剂、凡士林、润滑油及润滑脂等)的润滑剂用于润滑O形密封圈、连接管、接头密封圈及浓水密封圈，允许使用的润滑剂只有硅基胶、水或丙三醇(甘油)。

（31）膜元件玻璃钢外皮的破损
安装时并没有按照厂家的要求在膜元件及压力容器的连接处安装相应的垫片，同时系统中反渗透入口处也没有安装电动慢开门，在系统启动时，也没有进行低压冲洗排气，因而造成高压力的给水瞬间加载到膜元件上，造成了“水锤”现象，同时由于在系统启动时，没有进行低压冲洗排气，残留的空气无法排出，被压缩在压力容器的出口端，因而在系统停运时，膜元件又被反推回来，造成了膜元件在系统内来回窜动。

2.反渗透系统的设计原则
2.1反渗透系统设计前必须提供完整准确的原水分析报告，水质分析报告包括水质类型和主要成分指标，所需指标包括溶解离子、硅、胶体、有机物(TOC)。

2.1.1 典型溶解阴离子
碳酸氢根(HCO3-), 碳酸根(CO32-), 氢氧根(OH-), 硫酸根(SO42-), 氯离子(Cl-), 氟离子(F-), 硝酸根离子(NO3-), 硫离子(S2-)，磷酸根(PO44-)
2.1.2 典型溶解阳离子
钙离子(Ca2+), 镁离子(Mg2+), 钠离子(Na+),钾离子(K+), 铁离子(Fe2+或Fe3+), 锰离子(Mn2+), 铝离子(Al3+), 钡离子(Ba2+), 锶离子(Sr2+), 铜离子(Cu2+)和锌离子(Zn2+).
2.1.3反渗透系统中经常遇到的难溶盐是CaSO4、CaCO3和硅。

其他不常遇到的结垢有CaF2、BaSO4和SrSO4，其他导致问题的离子下面会讲到。

硫酸盐在大多数原水中大量存在，它们的浓度有时因人工加硫酸调节PH值而增加。

这种情况下，Ba++和Sr++离子应该被分析并精确到ppb和ppm级别，因为BaSO4和SrSO4的溶解度比CaSO4低，并且它们结垢后很难再溶解。

碱度：包括负离子中的碳酸根、碳酸氢根、氢氧根，自然水体中的碱度主要由HCO3-.形成。

pH在8.3以下的水中, 碳酸氢根和二氧化碳平衡存在。

当pH高于8.3时, HCO3-将转变为CO32-存在。

如果原水PH达到11.3以上, 将存在OH- 形式。

空气中的二氧化碳会溶解在水中形成H2CO3，酸性水将溶解CaCO3，而CaCO3可能是流经含CaCO3岩石时带来的。

许多自然水体中由PH决定的CaCO3和Ca(HCO3)2的化学动平衡已接近饱和浓度。

Ca(HCO3)2的溶解度大于CaCO3。

如果原水在RO系统中被浓缩, CaCO3容易沉淀在系。