反渗透系统设计及运行控制（一） 1 、高压泵后面设手动调节阀和电动慢开阀的意义 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阀来调节给水压力。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阀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阀，在启动高压泵后慢慢打开电动慢开阀，也即慢慢向系统的反渗透膜上加载压力，电动慢开阀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阀。
反渗透系统设计及运行控制（一）
1 、高压泵后面设手动调节阀和电动慢开阀的意义
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阀来调节给水压力。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阀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阀，在启动高压泵后慢慢打开电动慢开阀，也即慢慢向系统的反渗透膜上加载压力，电动慢开阀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阀。
2、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井逐渐浓缩，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、微生物细和菌、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。
3、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。
4、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”。
5、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盐率是不一样的，同时其脱盐率会受到pH值的明显干扰，只有在pH值介于 6 ~ 8 之间时，其脱盐率最高，当pH值过高或者过低时，其脱盐率均会大大降低，而石灰软化预处理工艺pH 值往往都超过1O, 因而会导致系统脱盐率的大大降低。
6、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，该润滑剂与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）。
7、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与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。
8、反渗透系统的设计原则
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)。
8.l 典型溶解阴离子
碳酸氢根(HC03-)，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(P044-)
8.2 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+），铜 离子 (Cu2+)和 锌离子(Zn2+).
8.3 反渗透系统中经常遇到的难溶盐是 CaS04、CaC03和硅 。其他不常遇到的结垢有CaF2、BaS04 和SrS04, 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BaS04和SrS04的溶解度比CaS04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HC O3-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，HC03-将转变为CO32-产存在。如果原水PH达到11.3以上,将存在0H形式。空气中的二氧化碳会溶解在水中形成 H2C03 ，酸性水将溶解CaC03, 而CaC03可能是流经含CaC03岩石时带来的。许多自然水体中由PH决定的CaC03和Ca(HC03)2的化学 动平衡已接近饱和浓度。Ca(HC03)2的溶解度大于CaC03 如果原水在RO系统中被浓缩，CaC03容易沉淀在系统中。所以投加阻垢剂或加酸调低PH值会经常在RO 系统中使用。
硝酸盐：很容易在水中溶解，所以不会在RO系统中形成沉淀。硝酸盐与健康关系更密切，当哺乳动物包括人在内摄取了硝酸盐后会转变为亚硝盐，它会干扰血液中血红素和氧气的结合，会引起很严重后果，尤其对于胎儿和儿童，由于这个原因，饮用水中硝酸盐含量要求低于40mg/l。反渗透对硝酸盐的典型脱盐率是90-96%。
铁和锰：通常在水中以二价溶解状态存在或以三价非溶解氢氧化物形成存在。Fe2+可能来源自井水本身或来自泵、管路、水箱的腐蚀，尤其上游系统中投加了酸。如果原水中铁、锰浓度大于O.O5mg/L;并且被空气或氧化剂氧化为 Fe(OH)3 和Mn(OH)2，当pH值偏高时会在系统中形成沉淀。分析表明铁锰的存在会加速氧化剂对膜的氧化降解，因此在预处理中必须去除铁锰。
铝 ：一般不存在干自然水体中。三价铝会象三价铁一样在RO系统中形成难溶的 Al(OH)3, 当pH在5.3至8.5范围内时候，因为铝高价正电特性，所以 Al2(SO4)3和NaAl02 可以用于地表水的预处理去除水中负电性胶体，千万小心铝盐不要过多投加，残留的铝离子对膜有污染 。也可用 FeCl3 和Fe(S04)3代替铝盐作为混凝剂。
铜和锌：在自然水体中很少存在。有时水中微量的铜和锌来自管道材料。在pH 值5.3至8.5范围内，Cu(OH)2和Zn(OH)2 不溶于水， 因为它们一般在水中的含呈较低，所以只有当系统长时间不清洗，它们积累到一定程度时，才会对膜系 统造成污染。可是如果铜锌与氧化剂（比如过氧化氢）同时存在于原水中，那么会造成膜材质的严重降解。
硫化物：以H2S气体形式溶于水中，去除硫化氢可以用脱气装置或用氯氧化或空气接触变为不溶性硫磺，用多介质过滤去除 。
磷酸盐：具有较强负电性，容易和多价离子形成难溶盐。磷酸钙在PH中性时溶解度很有限，PH值高时溶解度也不高。进水中投加阻垢剂或调低PH（小于7)可以防止磷酸盐沉淀。
硅：存在大多数自然水体中，浓度从1至100mg/L。而且PH低于9.0时主要以Si(OH)4存在 。当PH低时，硅酸可以聚合形成硅胶体。当PH高于9.0时它会分离成SiO32-离子而且会和钙、镁、铁或铅形成沉淀。硅和硅酸盐沉淀很难溶解。氟化氢胺溶液清洗硅垢比较有效，可是氟化氢胺溶液排放会造成环境污染。当进水中硅含量超过 20mg/L 时，要注意硅结垢的潜在危险。
胶体（悬浮物颗粒）分析：淤泥密度指数(SDI)，也被称为污染指数 (FI)， 是衡呈RO进水中胶体（颗粒物）潜在污染性的重要指标。RO 进水中的胶体是各种各样的经常包括细菌、黏土、硅胶体和铁腐蚀产物。预处理中的澄清器中会用一些化学品，例如明矶 、三氯化铁或阳离子型聚合剂来去除胶体污染或通过后续介质过滤器去除。
细菌总数和有机物含量: 有两种方法测定水中细菌数,一种是培养法,另一种是荧光染色法，后者更 常用因为很方便快捷。原水中的有机物一般是油类－表 面活性剂 、水溶性聚合物和腐质酸 。检测指标有总有机炭 (TOC) ，生化需氧量(BOD ) 和化学需氧量(COD )。要想更精确地分析有机物成份，需要使用液相色谱和气质联用仪器分析 。如果原水中的TOC含量大于3mg/l，预处理单元要 考虑去除有机物工艺。
反渗透系统设计及运行控制（二）
一、水中存在难溶无机盐类成份的反渗透系统设计
（1）离子交换软化：此工艺在系统未选择加有机阻垢剂时且原水硬度含量较低及有一定的钡、锶离子含量水源时，被经常采用。一般说来，目前此工艺在小 型反渗透装置的预处理系统和用于饮用水净化的反渗透纯净水制备系统应用最多。
（2）石灰软化辅助投加镁剂：此工艺在原水碳酸盐硬度和溶解二氧化硅含量较高的大型反渗透系统中往往被采用。一般说来，该方法可将原水碳酸盐硬度降低到100mg/L左右，与此同时原水中溶解的二氧化硅含量也可以去除 50~ 60％左右。此工艺在处理水质较差的地表水和工业循环水时应用居多。
二、反渗透脱盐系统的运行和监控由PLC、仪表、计算机系统和工艺流程模拟屏执行，同时设有手动操作按钮和控制室橾作按钮，系统具有联锁保护功能及报警指示功能。
RO系统设计过程对仪表和程控的工艺要求
（1） 确定系列（单元）
根据用户用水情况，RO装置的总容量可分为几个单元，因为RO单元的清洗和维修需要停运。
（2） 确定膜的型式和型号
对于容量较大的反渗透系统，均选用涡卷型反渗透膜，对于大型电站水处理系统反渗透之后要进行精处理，经详细技术经济论证，往往会得出宜选用复合膜元件的结论 ，然后确定采用哪个厂家的膜元件及其型号。
（3） 确定系统回收率，选定压力容器
根据系统回收率选用压力容器。如系统回收率为75%，则考虑采用六个1米长膜元件装一个压力容器，或者4个1.5 米长的膜元件装一个压力容器。一般采用“一级两段＂的排列方式。
RO系统回收率的定义是RO产水量与给水量之比，回收率越高消耗的水量越少，但回收率过高会存在以下问题：产品水的脱盐率下降；可能发生微溶盐的沉淀，浓水的渗透压过高，膜元件的产水量降低。
一般苦碱水脱盐系统回收率多采用75%，即浓水浓缩了四倍，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 系统回收率以防结垢。
（4）确定膜元件的数量
根据膜元件生产厂家提供的设计导则，根据原水水源和给水的SDI确定采用的水通量数值。
以每单元指定的RO的产水量除以每支膜元件的平均产水量即估出膜元件的数量，如采用六个膜元件的压力容器，则除以六，同上取整数得出压力容器总数，再将压力容器总数分为两段，使两段压力容器总数之比接近2 : 1, 然后利用厂家提供的软件，将每个压力容器内膜元件数、膜元件型号、产水量、回收率、水文、水质、使用年限等输入即可求出给水压力、浓水压力、给水渗透压、浓水渗透压、浓水的LSI、产品水和水中离子含量等数据。每输入一个各段压力容器的数量，即可得出一组计算结果。对比相应膜元件的设计通量、系统温度、系统压力、各报警参数等就可以确定膜元件的数量和膜组件的排列方式。
（5）压力容器的安装
大型 RO 装置，压力容器组件应单独布置在滑架上，压力容器布置的最高高度应便于装卸膜元件。装有6个8040型(φ8英寸，长40英寸）膜元件的压力容器，当运行时（受压时）将约伸长13mm, 直径将增大0.5mm, 因此不能限制压力容器的膨胀，否则引起压力容器的翘曲，发生膜元件O型密封圈的泄漏而产生沟流，以及膜元件连接件“O”型圈的泄漏，并且与压力容器连接的管也应采取软管连接。
（6）加药系统
加药量应采用比例调节方式，根据给水流量计发出的信号自动调节计量泵 进行比例加药。计量箱应装有就地液位计，并有低液位信号进行报警，以保证 不会因药液箱无药而使加药中断。
计量泵应与高压泵联锁，反渗透系统包括两套RO装置和一套加药系统,每套RO装置配备一台高压泵。当有一台高压泵启动时加药系统计量泵联锁启动,当两台高压泵都停运时，加药系统计量泵联锁停运,高压泵一台运行；一台停运时，计量泵正常工作。
（7）就地仪表盘
应设有就地给水仪表盘，盘上装有流量指示和流量积累表、电导率表、pH 值指示表。另外还应设有给水压力表、流量表、电导率表和pH表所发出的参数信号送至中央控制室进行连续记录，同时流量计发出的信号控制计量泵进行比例加药，pH计发出的高、低报警信号送至中央控制室进行报警。
每套RO装置设就地仪表盘一块，盘上装有RO一段、二段产品水、排水的流量表各一块（流量及累积流量值显示），产品水电导率表一块。流量表和电导率表所发出的参数信号送中央控制室进行连续记录，并具有电导率值高报警就地盘上装有高压泵启动 、停止按钮和指示灯，系统紧急停止按钮和指示灯，电动慢开门开、关按钮和指示灯。
每套RO装置设就地压力表盘一块，盘上装有RO 一段进水、二段进水和排水压力指示表。
中央控制盘上设有高压泵、计量泵、冲洗水泵的三位操作开关（自动一关一手动），系统程序启、停按钮 ，可实现上述装置的自动启动控制室远操和就地手操功能。当三位开关打至“自动”位置时，上述装置不能就地橾作。
(8) 中央控制盘
应装有发光字牌和音响器，可对报警信号进行声、光显示；装有系统模拟 屏，可显示RO系统的运行，可对需记录的各种参数进行连续记录。装有电流表显示高压泵电机电流。
(9) 保安过滤器
保安过滤器进、出口装有压力指示表，当保安过滤器进出口压差达到一定值或运行一定时间后，需更换滤芯 。应考虑在5μm过滤器之前装有不符合 RO 进水要求的不合格水排放。在RO停运后需要进行冲洗，对复合膜元件最好采用反渗透产水进行冲洗。
(10) 高压泵
进、出口侧分别装有低、高压开关，当高压泵进口压力低于限定值时，低压开关闭合并发送信号至PLC,由 PLC进行报警并自动停止高压泵的运行，当高压泵出口压力高于限定值时，高压开关闭合，发出信号送至PLC,PLC延时一定时间后，如高压泵高压侧压力仍高于限定值，则PLC输出报警并自动停止高压泵的运行，如在延时范围内高压开关恢复至断开状态，则PLC自动取消输入信号。
高压泵出口装有电动慢开门，高压泵启动后，慢开门自动缓慢打开以确保RO膜元件不受水锤破坏，如慢开门发生故障而未能在规定时间内打开，则高压泵出口压力增高，压力开关输出报警信号并经PLC自动停止高压泵的运行。
(11) 冲洗系统
RO装置停止运行一定时间后，可自动启动冲洗水泵、开启冲洗进水及排放阀对RO膜元件进行低压冲洗。
（12）产水背压问题
防止膜孔袋粘接线破裂，在设计上就必须考虑静背压问题。对醋酸膜元件，任何时候产品水侧的压力都不能高于给水及排水的压力膜不允许承受反压，对于复合膜元件静背压必须小于5psi。粘接线的破裂是由于膜口袋两侧的压差而非流量，由于逆止阀不能瞬间关闭，不能保证绝对严密，所以在系统中设置逆止阀等均不能彻底解决背压问题。
为防止膜卷伸出，要求设计时给水的流量不能超过设计导则规定的数值，运行时单个膜元件的压降不允许超过规定值。
（13）RO 装置启动和运行过程
RO装置程序启动和运行：先将高压泵 、计量泵的自动一关一手动，三位开关扳至“自动”位置，然后按下每套RO装置的程序启动按钮,此时PLC按程序自动对所有计量箱液位、高压泵入口侧压力进行检测，当有低液位或高压泵入口侧压力“低”报警时，PLC进行声光报警并停止程序运行。消除报警后，按程序启动按钮，程序恢复运行，并自动启动加药计量泵 、高压泵 、开启电动慢开门，延时一定时间后 ，如高压泵高压侧压力仍高于限定值，则PLC 输出报警并自动停止高压泵、计量泵的运行，同时自动关闭电动慢开门，如在延时范围内高压开关恢复至断开状态，则PLC自动取消高压开关输入信号，系统进入正常运行阶段。
RO 装置控制室手动启动和运行：当高压泵、计量泵 、冲洗水泵的“自动一关一手动”三位开关扳至“手动”位置时，上述设备可在控制室内操作。
RO 装置就地手动启动和运行：当高压泵、计量泵的“自动一关一手动，三位开关扳至“关”位置时，上述设备可在就地手动启动和运行。在任何情况下 ，都可以通过设置在就地仪表盘上的系统紧急停止按钮，停止RO装置的运行。
RO 装置自动停止运行或由操作人员按程序停止按钮停运时，高压泵停止运行,计量泵联锁停止运行,自动关闭高压泵出口电动慢开门。
三、仪表及 PLC 系统的构成
仪表及 PLC 控制系统的构成根据 RO 系统对仪表和控制的要求确定。
(1) 液位开关:给 出低液位信号。
(2) 流量计:瞬时流量指示及流量累积值显示。
(3) 电导率仪数字显示，具有电导率值高报警输出和4~20 mA信号输出。
(4) pH计数字显示，具有用户可设定的 pH 值高、低报警输出和4~ 20mA信号输出。
