化工企業大型反滲透除鹽系統的設計方案選擇

摘要：介紹了化肥企業大型反滲透系統的預處理系統、反滲透系統、清洗系統、控制系統四個方面的設計方案選擇及注意問題，并對此進行了比較詳細的論述。

關鍵詞：反滲透、水質、預處理、控制系統、材料、設計

針對目前化肥企業鍋爐用水采用傳統的離子交換法存在酸堿消耗大、污染嚴重、水質穩定性差、自動化程度低、設備運行有維修費用高等缺點，大多數企業在水處理系統改造時逐漸采用反滲透技術。由于化肥企業鍋爐及工藝用水具有用水量大、水質要求高、原水水質較差且系統投資大等特點，反滲透系統設計方案是否科學合理將會直接影響到系統的安全、經濟、平穩、可靠運行。

1、預處理系統設計

反滲透系統能否安全有效運行，預處理系統的設計是否合理至關重要。一般而言，地下水水質含鹽量大、水質穩定，污染指數SDI低，微生物含量低，預處理較為簡單，但需加強原水阻垢處理。地表水含鹽量低但水質不穩定，隨季節變化大，懸浮物、膠體、有機物和微生物含量高，SDI高，極易產生膜的污堵，對它的預處理要比地下水復雜的多。同時可以查看中國污水處理工程網更多技術文檔。

設計者應根據用戶提供的水源常規分析項目水中的各類陰、陽離子）及綜合分析項目（SDI、濁度、BOD、COD）指標來確定合理的預處理方案。
設計多介質過濾器時地表水應確保濾速小于10m/h，地下水水質較好時可控制在15 m/h以下。

處理還原態井水中的二價鐵，通常采用的方法是曝氣法和錳砂過濾除鐵法。

使用市政自來水作為原水時要特別注意游離氯的含量，當游離氯的含量大于0.1mg/L時應進行脫氯處理，余氯可以通過活性炭或化學還原劑還原為無害的氯離子，一般在小型系統中采用活性炭法，而在大型系統中通常采用化學還原劑法。

活性炭脫氯的反應過程如下：C+2CI2+2H2O 4HCI+CO2

在有些情況下，炭床被可能成為微生物的滋生場所，微生物也會引起膜的污染，所以還需要采取措施降低微生物的生長。

偏亞硫酸鈉（SMBS）是最常用于脫除游離氯的還原劑，其它的還原劑如二氧化硫，但與SMBS相比，價格沒有競爭力。偏亞硫酸鈉（SMBS）溶于水時形成亞硫酸鈉（SBS）：Na2S2O5+H2O 2NaHSO3

然后SBS按如下反應還原成鹽酸：NaHSO3+HOCI=HCI+NaHSO4

SMBS雖然脫氯速度很快，為了保證完全反應，推薦使用表態混合器，以使溶液充分混合均勻。

為了安全起見還應在混合下游安裝氧化還原電極（ORP）檢測氯的含量，當檢測到余氯時，電極信號將激活報警并停止高壓泵。

針對一些水質較差的地表水，應考慮采用超濾（UF）作為預處理，超濾能夠有效地去除水中的懸浮物、膠體、有機大分子、細菌、微生物等雜質，經超濾處理后水的SDI<1,但超濾(UF)裝置投資較大,操作維護較復雜。

進水來自經混凝、澄清處理后的地表水，水溫隨季節變化較大，而反滲透系統的產水量受水溫的變化影響較大，在壓力恒定的條件下，水溫每變化1℃，其產水量大致增減2.7%；為了彌補因冬季水溫較低而致使反滲透系統產水水量下降的情況，同時考慮運行成本，應考慮采用熱交換器將原水加熱使其維持在20℃左右。如暫時無換熱條件，在設計反滲透系統時應特別注意溫度這一因素。有廢水需要處理的單位，也可以到污水寶項目服務平臺咨詢具備類似污水處理經驗的企業。

為了防止在反滲透膜濃水側溶解性物質因不斷濃縮達到過飽和狀態而析出（結垢），在大型系統中防止結垢的辦法通常采用添加阻垢劑。

阻垢劑的選型及投加量取決于原水水質，大型系統推薦選用進口多元共聚復合阻垢劑，它可以提高水中的難溶物質的飽和度。其作用機理分別為：抑制析出作用、分散作用、晶格扭曲作用、絡合作用。

預處理系統比較保守的設計，通常能使反滲透系統運行安全、穩定，能增強對水質變化的適應性；雖然保守的設計會使初期投資費用較高，但與系統穩定性及設備檢修費用相比是有價值的。

設計科學、完善的預處理，才能保證反滲透系統進水符合要求，從而降低膜的污染，延長膜的使用壽命，確保產水水質穩定。反之，如預處理達不到設計要求，則后果十分嚴重。

2、反滲透系統設計

反滲透系統的設計必須綜合考慮到其運行的安全、穩定、技術經濟合理性、易于操作和維護、設備空間限制及環境保護等諸多方面的要求。
大多數膜的生產廠家為了方便用戶進行系統設計，都有自己的設計軟件，在進行系統設計時，選擇水質類型是十分重要的。針對不同的水質設計軟件有不同的設計邊界條件（設計報警值）。從RO/UF的滲透液(SDI〈1)，到井水（SDI〈3），到軟化地表水（SDI=3）到地表水（SDI〈5〉等，水質逐漸變差，所以其邊界條件漸趨嚴格。

大型系統設計時系統回收率是用戶比較關心的一個重要參數，回收率設定太高，濃水側難溶鹽的濃度（濃水pH、LSI、離子強度、HCO3-、CO2、總堿度），也會相應增大，這些參數超過設計報警值時需要調節進水PH值或進水中加阻垢劑。

根據生產廠家提供的反滲透膜元件的選用導則確定膜的類型及數量，在確定了壓力容器的排列方式時，通常二段排列容器比為2：1，三段排列容器比為4：2：1。

一個設計模型的建立往往要經過反復比較、修改才能完成，經過多次調整設計參數，設計軟件將計算結果不斷地與邊界條件比較，直到各邊界條件均收斂，同時滿足各限制范圍要求，系統設計的理論模型才算建立完畢。

一個完整的設計計算結果包含九部分內容：1.文件頭信息；2.系統主要參數;3.各段具體參數;4.系統各部分離子濃度;5.系統設計報警;6.溶解度報警;7.結垢計算結果;8.段內詳細參數;9.法律說明.判斷系統設計是否有問題應首先查看系統設計和溶解度有沒有報警。

反滲透系統機架不宜設計太高，一般高度應控制在2米以下，以便于膜管及配套管閥的安裝、拆卸及維修。管閥布置應充分考慮操作、調節及維修方便，應盡量集中布置。

反滲透系統高壓管道通常采用不銹鋼，對于一般的苦咸水或自來水采用SS（SUS）304或1Cr18Ni9Ti(國產)，水的流速>1.5m/s。低壓管道采用鋼襯膠、ABS、U-PVC均可。

每只膜管出水端應設置取樣閥，以方便監測單支膜管水質，判斷膜的污染情況。

系統的運行狀況如流量、壓力、水質必須實時監測和控制，有關儀表可分為測量儀表和控制儀表。

在線測量儀表包括：

1）．流量儀表：測定濃水和產水流量。

2）．壓力儀表：測定保安過濾器進出口壓力，反滲透組件進出口壓力，高壓泵入口壓力，產水壓力。

3）．水質儀表：測定進水SDI，進水、產水電導率，進水、產水PH，進水余氯，進水溫度。

控制儀表包括：

1）．低壓開關：置于高壓泵進水端，以免高壓泵因缺水而損壞；

2）．高壓開關：置于反滲透膜進水端，以免高壓造成膜元件損壞；

3）．氧化還原反應（ＯＲＰ）儀：檢測進水游離氯含量；

4）．高溫開關：進水側裝置，以免水溫過高造成膜元件損壞；

5）．電導率開關：產水側設置，產水電導過高則排放，以保護下游設備；

6）．高、低、PH值開關；進水側裝置，防止裝置結垢或膜水解。

還可根據實際情況增設其它測量和監測儀表。

3、控制系統

控制系統包括硬件系統和軟件系統。

硬件系統由現場過程儀表、液位開關、電機控制裝置、可編程控制器、觸摸屏等組成。

軟件控制系統主要是根據反滲透系統運行要求進行順序控制和聯鎖，對于自動化程度較高的企業控制系統可與全廠DCS系統連接。

控制系統對高壓泵的控制一項主要內容是防止高壓泵啟動、停止時產生的液壓沖擊。通常采用的方法是在高壓泵出口安裝電動慢開閥、高壓泵采用軟啟動器或變頻器控制等方法，具體采用那一種控制方式，應根據高壓泵水的流量、壓力、功率等因素決定。

控制系統的另一項主要任務反滲透膜的定時沖洗，為防止反滲透系統運行一定時間后濃水側亞穩態的結垢物質出現結垢，需定期以低壓、大流量的進水對膜進行沖洗，以保護反滲透膜。

軟件控制系統還會根據需要提供流程控制畫面、聲光報警、運行數據檢索、報表打印、自動開關機等功能。

4、清洗、沖洗系統

無論預處理如何徹底，反滲透經過長期使用后，膜表面仍會受到結垢的污染；因此，必須在反滲透系統中設計一套在線清洗（CIP）系統。

反滲透清洗系統作用是根據反滲透膜污染的情況，配制一定濃度的特定的清洗溶液，清除反滲透膜中的污染物質，以恢復膜的原有特性。

總之，化肥企業大型反滲透系統的設計方案的選擇是多方面因素綜合考慮的結果，系統設計時既要考慮工藝的科學性、合理性、技術先進性、也要考慮設備投資的性價比，以節約設備投資、降低產水成本；而且應根據企業現有的設備條件盡量合理改造現有預處理設備，減少占地面積，合理而已設備，以便操作維護。
作者： 朱立平