1. 摘 要
反滲透(RO)和納濾(NF)系統的實際運行效果達不到用戶的預期設計結果時，在很多情況下，常會導致最終用戶運行費用的增加、失望和對供應商的不滿。這些未預料到的結果，有部分原因是有一些最終用戶對系統運行條件正確管理的必要性不太了解或沒有引起足夠的重視，以致使系統達不到預期的運行效果。更多的原因是對RO技術和設備理解的不全面，導致在項目準備和計劃階段不完善的選擇。本文力圖為用戶闡述RO和NF系統的一些重要設計參數，以便使最終用戶在選購設備時根據RO和NF的特點和自身的需要，使RO和NF的運行達到最佳的期望值。
2. 前 言
RO和NF的應用技術日新月異。許多反滲透和納濾膜性能的不斷提高和新型反滲透和納濾膜的誕生令人振奮，用戶可針對不同用途作出相應的選擇。更為周全、合理地RO和NF設計系統，使得系統的運行更佳、運行費用更低成為可能。然而，還會時常出現運行并不能達到用戶的要求，引起用戶對系統供貨商的失望。只要用戶增加一些當今RO和NF系統關鍵技術細節的基本了解，這種情況是可以避免的，有了較好的理解，才可以作出更合理的購貨規劃和工程公司的選擇，使所需設備、控制以及運行管理培訓達到要求。
對于在系統擴建或新建中的每一項必要的資金投入決擇，都應經過全面的經濟分析，必須做到技術可靠、經濟合理。了解就近相似的成功的系統、咨詢系統供應商，會有助于用戶完善系統的選擇，減少風險和花費。
迄今為止安裝的所有工業規模的RO和NF系統，幾乎都采用了卷式膜元件，本文將不討論各種膜元件本身的詳細結構，本文的著重點是為潛在的RO和NF用戶介紹在采購RO和NF設備時應該注意的事項。
3. RO和NF基礎
為了優化系統的設計和運行，用戶必須考慮RO和NF設計中的一些概念。RO和NF是一種錯流過濾技術，可以去除水中雜質，其分離能力達到去除離子的水平。毫無疑問，它可以去除較大的各類物質。但由膠體、水垢及微生物(細菌、病毒和藻類)引起的污染，是RO和NF系統運行面臨的最主要的問題。為避免發生這些問題而造成不必要的花費，在系統設計階段，對這一潛在的污染問題就應采取考慮充分的預防措施。當你明白細菌怎樣隨時間繁殖，你就會明白為什么生物污堵是RO和NF系統最應重點關注的因素，地表水、廢水和海水等富含微生物活性的水源是極易污染膜系統的水源。表1表明經過預處理后，即使只有一個細菌存活，在不長的時間內也可能會引發嚴重的膜系統微生物污染問題。
時間(小時) | 細菌數量(個) | 時間(小時) | 細菌數量(個) |
0 0.33 0.67 1 1.33 1.67 2 2.33 2.67 3 | 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 | 3.33 3.67 4 5 6 7 8（第1班） 16（第2班） 24（第3班）
| 1,024 2,048 4,096 32,768 262,144 2,097,152 16,777,216 281,470,000,000,000 4,720,400,000,000,000,000,000
|
讓我們分析一下，當水流通過串聯在一起的膜元件時產品水和濃縮水流量的變化趨勢：全部進水被高壓泵泵入膜元件內時，經過膜的過濾成為產水，余下的水對于該元件來講成為它的濃水，該濃水繼續進入后續元件內，成為后續元件的進水，由于水量減少，水流流速降低，而水中的雜質濃度卻不斷升高，這一狀況在所有的壓力容器內沿水流方向連續變化，直至流速減慢至剛好維持渦流狀態流過膜表面。用計算機進行設計計算時，應確保最后一段最末一支膜元件內的流速和濃度保持在最低極限之內，不致于在膜系統運行中發生因膜面流速過低，降低了元件錯流自凈的能力而產生雜質沉淀污染膜表面的問題。這就是為什么RO和NF系統必須在設計范圍內進行操作，任何變化如進水溫度、進水化學特性或進水流速變化、水流分布不均勻和不平衡都將導致RO和NF系統操作超過設定的參數范圍，引發膜系統污染。
4. 進 水
接下來需要考慮的是進水，諸如預期的水量、水質以及水源及其可能存在的問題。有時目前的原水流量可以滿足要求，但請你確定在預估原水量當中還應包括將來的用水量增加的計劃，并且目前所需要水量的變化也應在設計時予以考慮。
產水的水質要求由最終的用水工藝所決定。產水的制造成本隨最終產水的純度增加而增加。如果用水的要求并非需要達到RO出水的高質量，就應慎重考慮采取其他處理方法，在設計時應充分考慮這一因素。
水源的化學組成和特性必須深入了解。任何系統的設計必須能夠應付最好或最壞的條件，井水的溫度和化學成份通常比較穩定，懸浮固體(SS)較低，但每一眼井應視為不同的水源。地表水的變化很大，一般溶解固體(TDS)較低，但懸浮固體(SS)、有機物和微生物含量很高，通常市政自來水的取水水源為地表水，系統運行工況常常變化，因而市政供水水質也會有很大變化。
保存水源水質的原始數據非常重要，只有妥善取樣和分析方法正確的數據才可以信賴。水樣瓶應經過酸洗，瓶蓋應配塑膠襯墊，取水點應在自由流動水域而不能在死角，僅一個取水點是絕對不行的，必須獲得一系列水樣，覆蓋所有季節和條件，例如雨后或干旱期，任何一個未來可能會取水的潛在的水源都必須作仔細的水質分析。-水處理新視野
5. 預處理
現在在我們已完全掌握了水源的特性基礎上，對原水進行合理的預處理成為系統運行成功與否的關鍵。一般的預處理過程包括：澄清或石灰軟化，多級過濾器如多介質過濾器、軟化器、活性炭過濾器、保安過濾器及微孔過濾器，保安過濾器后還會設置紫外線殺菌器(UV)以消除細菌的滋生。正確的分析和認真的中試將可避免許多因預處理不合格而引起的麻煩。預處理階段的所有過濾器或軟化器的容器須作襯膠處理或采用耐腐蝕的材質，以減少RO和NF進水中的鐵離子含量。
實踐證明，較保守的設計通常使系統運行更好，且能增強對水質波動的適應性。盡管保守的設計帶來初期投資費較高但其長年累月的總運行成本減低，成功的經驗表明，投資費和運行費應綜合考慮，合理的保守設計所造成的較高的投資費是有價值的。表2列出在RO和NF預處理過程中常見設備的合理設計數據。
表2預處理設備設計參數
設備類型 | 主要工藝參數 | 備 注 |
澄清池 | 1.83～2.07m/h | 去除濁度物質，懸浮物和膠體 |
多介質過濾器 | 地表水5～8m/h 地下水7～10m/h | 精制石英沙和無煙煤；合理級配和填充高度；要求過濾精度優于10mm |
軟化器 | 15～25m/h | 需高質量再生劑，脫除硬度物質 |
活性炭過濾器 | 10～15m/h | 精制粒狀果殼活性炭，脫除有機物和游離氯 |
一個合理的預處理設計方案應充分考慮到膜的清洗頻率。表3的標準將指導您評估RO和NF預處理的效果。
表3預處理評估準則
清洗周期 | 預處理狀況 |
大于3個月 | 預處理設計與運行管理合適 |
1～3個月 | 可能預處理設計偏緊或運行管理需要加強 |
小于1個月 | 必須加強預處理的設計或運行管理 |
投加化學藥劑也會影響預處理，對于澄清及過濾時添加的陽離子混凝劑、絮凝劑一定要嚴格控制，謹防過量。如果混凝劑和絮凝劑添加量合理，它們會在澄清或過濾過程中隨污泥排出，但若投加過量，殘余溶解狀混凝劑和絮凝劑就會附著在膜表面造成膜的污染。另外還有一個問題是，當陽離子混凝劑與陰離子阻垢劑相遇，時常會發生反應，產生沉淀并污染膜元件。如果采用NaHSO3對原水作除氯處理，它的投加點應在整個預處理流程中盡可能靠后，通常位于保安濾器前，預處理過程中的pH值也應該嚴格控制，因為它們會影響絮凝和氯化殺菌效果。-水處理新視野
6. RO和NF裝置
現在，讓我們來考慮RO和NF裝置本身，實際上，RO和NF的設計取決于所選用的膜類型。當前市場上有很多膜元件供應商，對膜的選擇十分關鍵，這絕非易事。目前對膜材料的選擇僅限于復合膜和醋酸纖維膜(CA或CA-CTA)。工業應用多數使用復合膜，型號較多，如高通量、高脫鹽率、高表面積、超低壓、極低壓、低污染及高溫型等。這些膜的化學成份和組成材料都不盡相同，設計合理時不同膜元件也可以在同一系統中同時使用，以適應不同處理要求。在根據您的應用要求選擇最佳膜元件時，應咨詢膜元件生產商和工程公司與其共同決策，因為不同的膜元件均有最佳的使用方法和適用范圍，否則就不會生產出各種型號和規格的膜元件了。
在進行RO和NF裝置設計時，應考慮每一根膜元件的運行參數，包括以下三個主要參數：
1) 系統中第一支膜元件的產水通量
2) 系統中最后一支膜元件的濃水流量
3) 每一支膜元件的回收率
通量定義為單位時間單位面積上的透過水量。常用單位是加侖/平方尺/天(gpd)或升/平方米/小時(l/m2h)。
膜元件制造商能夠提供膜系統計算機設計程序，用戶應保留一張系統設計的打印結果。這些程序也可以估計出在參數改變后新條件下的系統可能性能結果，必須認真觀測系統的水流分布和運行壓力平衡性問題，尤其是當使用高通量膜元件時更需要注意。設計程序可以幫助你在各種給定的試驗條件下比較使用不同膜元件或膜元件不同組合的結果。
設備和系統的安裝空間也是一個必須考慮的因素，在RO和NF裝置末端是否留有足夠的空間供今后膜元件的更換與安裝？清洗是否方便？是否消除了死水區？系統啟動時能否自動沖洗(置換或排氣)或停止時能否自動低壓沖洗？在備用狀態下系統是否能保證不排干失水，且啟動時能否實現軟啟動以避免對膜元件的沖擊損壞？這些問題都是在選用RO和NF設備時應考慮的。RO和NF的高壓管道應考慮采用不銹鋼或其它耐腐蝕材質。-水處理新視野
7. 廢棄物
設計RO和NF時，廢棄物(濃水)的處理是不容忽視的，尤其是當設計大于500m3/h的大型膜系統。從樂觀的角度講，RO和NF產生的廢水無非是原水的濃縮，因而并無大礙，然而一般廢水量約占進水量的25％，這是一個很大的水量，考慮周全的設計應涉及各種的濃水處理可能性，盡量利用待排放的濃水。
8. 清 洗
經過一段時間的運行，膜必須清洗，對于操作者來講，這項工作越簡單越好。一般膜法水處理系統都應安裝一套就地清洗系統并與RO和NF裝置通過硬管或快速軟管連接，一套就地清洗系統可以服務多套RO和NF裝置。下圖所示為一臺標準就地清洗系統。清洗泵的選擇，應保證第一段每個壓力容器的進水量要求，清洗液越湍流，清洗效果越好。為了提高清洗效率，應該盡量對多段反滲透系統進行分段的、針對不同污染條件的清洗操作。大型水處理系統應該考慮設置一臺獨立的單元件清洗方法評估測試平臺，當只有前端的一兩個膜元件受到污染時，清洗全段的所有膜只會使前段清洗下來的污物流入后續污染并不嚴重的膜元件，造成對系統清洗效率的降低，單獨元件清洗測試平臺就可以避免這一不利狀況，它也可以用來測定每一支元件的運行性能。
9. 結 論
當您想要在您的工廠使用RO和NF系統時，需要考慮的問題很多，建議組織一個項目小組花足夠的時間對全過程作全面的了解，考察所有的能夠達到水量水質要求的處理技術。如果您選擇了RO和NF技術，可安排操作主管前往其他已有RO和NF系統的公司中進行必要的現場操作培訓，使其了解這一新技術的實際操作，就可避免系統建成之后運行時可能會發生的許多麻煩和經濟損失。
運行中出現問題總是難免的，但是可以盡量避免昂貴的失誤，只要不斷增加對這一技術的了解，就會對它的優點和缺點同時了如指掌，使RO和NF設備長期安全、經濟、穩定、可靠的運行。