反渗透处理技术

1、 渗透基本原理

　　当纯水和盐水被理想半透膜隔开，理想半透膜只允许水通过而阻止盐通过，此时膜纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水一侧，这种现象称为渗透，若在膜的盐水侧施加压力，那么水的自发流动将受到抑制而减慢，当施加的压力达到某一数值时，水通过膜的净流量等于零，这个压力称为渗透压力，当施加在膜盐水侧的压力大于渗透压力时，水的流向就会逆转，此时，盐水中的水将流入纯水侧，上述现象就是水的反渗透（RO）处理的基本原理。

2、反渗透简介

     RO（Reverse Osmosis）反渗透技术是利用压力表差为动力的膜分离过滤技术，源于美国二十世纪六十年代宇航科技的研究，后逐渐转化为民用，目前已广泛运用于科研、医药、食品、饮料、海水淡化等领域。
　　RO反渗透膜孔径小至纳米级（1纳米=10-9米），在一定的压力下，H2O分子可以通过RO膜，而源水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病 毒等杂质无法通过RO膜，从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。
　　RO膜过滤后的纯水电导率 5 s/cm, 符合国家实验室三级用水标准。再经过原子级离子交换柱循环过滤，出水电阻率可以达到18.2M .cm，超过国家实验室一级用水标准（GB682—92）。

  3.渗透预处理目的及考虑因素

　　使用反渗透系统时，尤其应注意原水预处理。为了避免堵塞反渗透系统，原水应经预处理以消除水中的悬浮物，降低水的浊度；此外，还应进行杀菌以防微生物的孽生长大。
由于反渗透对原水中的悬浮物的要求很高，所以常用一种水质对受悬浮物污染情况的污染指数来对水质进行检测。此法实质上是测定反渗透系统受水中悬浮物的污堵的情况。进入反渗透系统水的污染指数以不大于5为宜，建议值一般小于3。预处理时还应该考虑到进水的pH值。各种半透膜都有其最适宜的运行pH值，故需按反渗透膜的要求，调节进水的pH值。预处理时还应该考虑到进水的温度。膜的透水量是随水温的增高而增大的，但温度过高会加快醋酸纤维素膜的水解速度，且使有机膜变软，易于压实。所以，对于有机膜来说，通常将温度控制在约20—40℃范围内为宜，复合膜温度控制在约5—45℃范围内为宜。

4、 灭菌的必要性

　　在水处理工艺中，活性碳过滤器用于对有机物的吸附和对过量氯（余氯）的吸附去除，对前者去除能力较差，通常为50%，对后者则很强，可以完全脱除余氯，这是由于在对余氯吸附的同时，还有自身被氯化的作用。
活性碳吸附水中营养物质，可以成为细菌微生物的温床，微生物对水的阻力影响较大，因此，应定期进行反洗处理。如果反洗不能奏效时，应进行灭菌处理。实际上，按照进水浊度安排合理的反冲洗制度更具有实际意义，由于微生物膜与微生物黏泥难于清净，采取空气擦洗是必要的。

5、 预处理中灭菌应怎样做

　　水的常规灭菌处理为投药与紫外线灭活。例如目前广泛作为饮料水的纯净水就是经反渗透脱盐后，再经紫外线杀菌处理的。小容量用水（小于10t/h），可以使用二氧化氯或臭氧杀菌。工业上生产中则以氯气或次氯酸钠为多见，也可使用二氧化氯或臭氧。外购的氯气用钢瓶贮存，用加氯机投加，电解食盐（或海水）得到的是次氯酸钠，无需专用投加设备，即可送入被处理水中。
臭氧用净化过的空气经高压放电装置制取，目前有中小型臭氧发生器用于小区供水或中央空调冷却水系统的灭菌，同样适用于反渗透装置的灭活处理，多余的臭氧同样可以用活性碳吸收处理。二氧化氯可由氯酸钠制取，在饮用水处理和工业冷却水处理中使用的也很多。氯酸钠有爆炸危险，应谨慎使用。
在反渗透水处理工艺中，除了运转中的杀菌之外，还有设备停用中的杀菌问题。通常在停机48h以内可用原水冲洗，超过48h可用1.5%亚硫酸氢钠液保存，达到2周应使用甲醛消毒液杀菌或厂家提供的消毒液灭菌。万万不可用市售的84消毒液对膜元件杀菌！

6、 如何减少故障和降低反渗透清洗频率

　　减少故障和降低反渗透清洗频率，应该采取以下措施。
a) 在取得水质全分析的基础上设计反渗透系统；
b) 在进行设计前确定RO进水SDI值；
c) 如果进水水质变化，需要作出相应的设计调整；
d) 必须保证足够的预处理；
e) 选择正确的膜元件，醋酸纤维素膜或者低污染膜元件对于处理比较复杂的地表水或污水可能更为适用；
f) 选择比较保守的水通量；
g) 选择合理的水回收率；
h) 设计足够的横向流速及浓水流速；
i) 对运行数据进行标准化。

7、 膜元件长期停用保护措施如何

　　长期停用保护方法适用于停止使用30天以上，膜元件仍安装在压力容器中的反渗透系统中，保护措施的具体步骤如下：
a) 清洗系统中的膜元件；
b) 用反渗透产出水配制杀菌液，并用杀菌液冲洗反渗透系统。杀菌剂的选用及杀菌液的配制方法可参见膜公司相应技术文件或与膜公司当地代表处联系以获取有关技术建议；
c) 用杀菌液充满反渗透系统后，关闭相关阀门使杀菌液保留于系统中，此时应确认系统完全充满；
d) 如果系统温度低于27℃，应每隔30天用新的杀菌液进行前两个步骤，如果系统温度高于27℃，则应每隔15天更换一次保护液（杀菌液）；
e) 在反渗透系统重新投入使用前，用低压给水冲洗系统1h，然后再用高压给水冲洗系统5—10min，无论低压冲洗还是高压冲洗时，系统的产水排放阀均应全部打开。在恢复系统至正常操作前，应检查并确认产品水中不含有任何杀菌剂。

8、 膜元件长期停用保护措施如何

芳香族聚酰胺反渗透复合膜元件在任何情况下都不应该与含有残余氯的水接触，否则将给膜元件造成无法修复的损伤。在对RO设备及管路进行杀菌、化学清洗或或封入保护液时应绝对保证配制药液的水中不含任何残余氯。如果无法确定是否有残留氯存在，应进行化学测定。在有残留氯存在时，应使用亚硫酸氢钠还原残余氯，并保持足够的接触时间以保证还原完全。
短期保存方法适用于那些停止运行5—30天的反渗透系统。此时反渗透膜元件仍安装在RO系统的压力容器内。保存操作的具体步骤如下：
（1） 用给水冲洗反渗透系统，同时注意将气体从系统中完全排除；
（2） 将压力容器及相关管路充满水后，关闭阀门，防止气体进入系统；
（3） 每隔5天按上述方法冲洗一次。

9、 如何查找反渗透系统和膜元件的故障

经过“标准化”后的产品水流量和盐透过率才可用于查找故障。分为在线研究和离线研究。
（1）在线研究
　　当发现某个压力容器的盐透过率高，则需要测量每一个膜元件的产品水电导率来确定问题的起源，使用一根塑料或不锈钢管在产品水管不同位置取样测量电导率，取样管上可以做上记号，这些记号的位置相当于需取样的位置，取样管先插入到产品水管最远端，取样测电导率，然后一段段向回抽，得到电导率变化曲线。当给水流过压力容器时逐渐变浓，引起产品水浓度增加，取样的电导率从上一个游到下一个膜元件电导率的变化约为10%，如果这个变化幅度过大，则表明问题所在，如果某点位置电导率介跃变化，表明机械泄露。从分析产品水中二价离子与一价离子的比率的变化也可推测出是否发生了泄露。
（2）离线研究
　　卷式膜元件的非破坏性离线研究只有真空试验一种方法，（是美国ASTM标准，B3923），如果真空破坏超过每分钟20kPa亦即6in汞柱则表明膜元件严重泄露而不能再使用。如果试验不能揭示问题，则可能需要进行破坏性（解剖）分析，可以检查膜元件内部情况，对部件进行试验和分析污染物。
10、 多介质过滤器的滤料选择应注意什么

多介质过滤器（含双滤料过滤器）的过滤材料应有足够的化学稳定性，各介质的相对密度和粒径应有一定差别，由无烟煤与石英砂组成的双层滤料过滤器所用的无烟煤相对密度为1.4—1.6，粒径为0.8—1.8mm，石英砂相对密度为2.6—2.65，粒径为0.5—1.2mm；3层滤料过滤器除了以上两种滤料外还可以用锰砂、磁铁矿之类的重质矿石，其相对密度为4.7—5.0，粒径为0.5—4mm。
应该注意的是，多介质过滤器虽然有一定的简化预处理系统作用，但是不能以一种过滤器代替必须设置的其他滤器，这主要取决于原水情况。如果使用自来水作原水，通常可以免除过滤器，直接配置活性炭过滤器即可；如果使用深井水作原水，深井水的铁、锰等变价离子含量很低，使用多介质过滤器即可；如果使用河床浅井水则还应布置细纱过滤器作前置过滤；如果使用地表水做原水，则混凝和多级过滤都是必要的。

11、 怎样初步确定系统所需膜元件使用数目

　　膜元件设计产水量为设计人员在设计反渗透系统时所赋予每支膜元件的实际产水量。大家知道，配置标准测试溶液的水源为反渗透产水，因而几乎不带杂质，不存在膜元件被污染的问题，在实际使用时，除了二级反渗透系统的进水是以一级反渗透系统的产水作为原水外，其他反渗透系统的进水几乎都是经普通预处理后的原水，尽管预处理工艺去除了其中一部分杂质但与标准测试条件下所用水源相比，其进水水质仍然较差，此时如仍按标准产水量作为设计水量，则反渗透膜元件很快就会受到污染，造成膜元件损坏。
　　为了避免上述情况的发生，膜元件生产厂家提供了设计导则，以使设计人员有据可依。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，认为地表水水源含较多的污染物，污染指数SDI值介于3—5，因而其单位面积上的设计产水量应选取较低值，地下水水源含的污染物要比地表水水源含的污染物少，污染指数SDI值较低，一般小于3，因而其单位面积上的设计产水量应选取较高的数值，如果采用一级反渗透系统的产水作为二级反渗透进水，则几乎不带杂质，污染指数SDI值更低，一般小于1，其单位面积上的设计产水量可选取比地下水更高的数值。
据此，可知每根反渗透膜元件的设计产水量与其标准产水量无关，只与其有效膜面积、进水水源、SDI值等有关，CPA2的设计产水量不应该是10000gpd，而只能是该公司设计导则建议的，即：
设计产水量=平均水流量×膜元件的有效面积
　　查找该公司设计导则，其建议的平均水通量分别为8—14gfd（以地表水作为进水水源），14—18gfd（以地下水作为进水水源），20—30gfd（一级反渗透系统的产水作为二级反渗透系统的进水），故在地表水作为进水水源时
CPA2膜元件的设计产水量=（8—14gfd）×365ft2 =2920—5110gfd，折合成0.5—0.8t/h。
依此类推以地下水作为进水水源时，CPA2膜元件的设计产水量为0.8—1t/h。
以一级反渗透系统的产水作为二级反渗透的进水时，CPA2膜元件的设计产水量为1.2—1.7t/h。
　　如果设计人员要设计一个产水量为100t/h的反渗透系统时，设计选用CPA2膜元件，以地表水作为进水水源，所需CPA2膜元件的数量可估算为
膜元件数量=系统产水量/CPA2膜元件的设计产水量
即膜元件数量=（100t/h）/（0.5—0.8t/h）=200—125支。
　　假设每支压力容器中装膜元件6支，则可取6的倍数，本系统设计膜元件数量应为198—126支；当地下水作为进水水源时，本系统设计膜元件数量应为126
—102支；以一级反渗透系统的产水作为二级反渗透的进水时，本系统设计膜元件数量应为84—60支。12、 如何决定系统采用4＂膜元件还是8＂膜元件
　根据膜公司设计导则，其建议的平均水量分别为8—14gfd（以地表水作为进水水源），14—18gfd（以地下水作为进水水源），20—30gfd（一级反渗透系统的产水作为二级反渗透系统的进水）。
根据该设计导则可知，单支8040膜元件的最低产水量为0.46t/h（以地表水作为进水水源），0.80t/h（以地下水作为进水水源），1.15t/h（一级反渗透系统的产水作为二级反渗透系统的进水）。当系统产水量大于上述值时从理论上来说就可以采用8040膜元件。但是是否采用8040膜元件还要考虑到系统的回收率要求，是否允许浓水回流，系统占地面积，压力容器造价以及系统整体的经济性等诸多因素。
　　根据各种因素的综合平衡，一般认为5t/h以上的反渗透系统采用8040膜元件比较合适，3t/h以下的系统都用4040膜元件比较合适，3—5t/h的反渗透系统采用8040或者4040膜元件都可以。