四、反渗透系统的设计方案

1.反渗透预处理

设计地表水反渗透系统首先应选择正确的预处理以减少和控制污染物。如果水的预处理选择得当，则反渗透系统就能正常运行。确定在系统中是否设计了合适的预处理的最好办法是进行现场小型实验或对使用同一给水水源的现有反渗透系统进行考察。但是，时间和费用往往限制了现场实验的实施。在缺乏小型实验或经验数据时，能反映季节变化的水质全分析变得更为重要。

反渗透设计人员应设计足够的预处理以使给水水质满足反渗透给水要求。预处理应减少悬浊物和胶体含量以使浊度＜1.0NTU（最好＜0.3NTU），15分钟SDI低于5.0（最好＜3.0）。

预处理还应减少有机物含量，由于有机物污染程度难于预测，因而膜生产厂家也无法提供最大含量的规定，但建议TOC（总有机碳）含量应低于2.0ppm（以碳计）。这2.0ppmTOC大致相当于5ppm的总有机生物量，如反渗透膜以13gfd（加仑/英尺2/日，约合22.1升/平方米/小时）的水通量工作一年且在运行过程中这些有机物不被连续地冲掉或者未被定期地清洗掉时，就会在膜表面堆积达0.05英寸厚（约合1.27毫米，是给水隔网厚度的近两倍）。

预处理还应控制藻类和细菌的增长，由于生物污染程度难于预测，因而膜生产厂家也无法提供最大含量的规定，但建议在细菌含量为10,000cfu/ml（在每毫升中的菌落生成单位）时应引起注意。

图4 RO反渗透纯净水设备

2.反渗透系统的设计

设计地表水反渗透系统时，设计人员应考虑设备投资和运行成本的平衡，既能保证产水量和产水水质，又能降低能耗，降低清洗频度。

(一）膜类型

反渗透膜系统设计的实质既然是优化设计问题，则必然存在相应的优化数学模型。根据运筹学的数学规划理论，一个数学规划模型应由优化目标函数、函数等式约束、函数不等式约束及变量不等式约束等部分组成。反渗透膜系统可通过以下几种方式进行优化设计模型。

(1)优化目标

膜系统优化设计的经济目标自然是系统的总成本最低，其中包括：设备投资最低、运行费用最低及耗水费用最低。如不计折现率或利息率因素，可以认为总成本就是设备总投资及设备寿命期内各年运行费用与各年耗水费用的代数和。

(2)系统约束

膜系统特有的内在规律主要表现为元件特征方程与系统特征方程。膜元件透水量与元件平均纯驱动压成正比，膜元件透盐量与膜两侧平均盐浓度差成正比，为膜元件运行的两个主要特征方程。前支（段)件的给水流量为前支（段）元件的产水流量与后支（段）元件给水流量之和，前支（段）元件给水含盐量为前支（段）元件产水含盐量与后支（段）元件给水含盐量之和，为膜系统运行的两个主要特征方程。这些元件及系统参数之间的内在数学关系构成了优化模型中的系统等式约束。

 表1 常用精密过滤材料过滤精度

(3)限值约束

反渗透系统的水力学特性与水化学特性主要表现为浓差、极化度限值、难溶盐饱和度限值与段均通量比限值。此外，系统设计还存在 给水流量上限、浓水流量下限、工作压力上限等限制条件。这些参数限值构 成了优化模型中的限值不等式约束。

(4)依据约束

系统设计中进水水质条件、产水水质与产水流量要求三大设计依据统称为依据约束。其中产水流量与产水水质也是系统的技术指标，前者为设计与运行时必须满足的指标，后者为设计与运行时可超过的表征，膜系统中的耗水费用最低 标，故两者分别为等式与不等式约束。进水水质条件属于给定数据，列入依据约束仅为模型中约束分类的系统性。

(5)优化变量

系统设计要直接解决的问题就是模型中的优化变量，主要包括：膜品种、膜数量、膜排列、容器长度、容器数量、泵流量、泵压力、系统回收率、段间加压值及浓水回流量等设计参数。由于多级加压泵的规格常以额定流量及叶轮级数（每级叶轮增压约水泵参数也可用泵流量（指额定流量）及泵级数（指叶轮级数）表征。因各变量均存在数值上下限，故变量约束均为不等式约束。

(二）水通量

选定了膜材质以后，设计者要考虑的第二个重要的参数是产水通量。产水通量是单位有效膜表面的产水量，用GFD（加仑/平方英尺/天）或者LMH（升/平方米/小时）表示。

可通过以下几种方法对水通量进行优化:

(1)调整废水比例：通过调整废水阀，可以减少废水的比例，从而增加纯净水的产量。但是需要注意，这样做会降低纯水的质量，并可能缩短RO膜的使用寿命，因此不建议经常这样做。

(2)改善预处理系统：在RO系统之前增加或改进预处理步骤，比如使用更好的前置过滤器或超滤膜来去除更多的杂质，这样可以减轻RO膜的工作负担，提高其工作效率。

(3)调整给水条件：如前所述，水温和水压对RO膜的性能有很大影响。确保水温适合（一般情况下，温度越高，通量越大），并且保持适当的水压（既不太低也不过高）。

图5 进水pH对水通量及脱盐率的影响

(4)优化RO膜本身：

改进膜材料，使其具有更好的亲水性，从而提高透水性。

改善涂膜工艺，增加膜的有效透水面积。

调整给水流道设计，使水流分布更加均匀，减少浓差极化效应。

(5)维护和更换RO膜：定期清洗RO膜以去除污垢和矿物质沉积，必要时更换老化的RO膜。如果RO膜使用了一年以上并且性能下降，那么更换RO膜可能是必要的。

(6)使用双RO膜系统：如果条件允许，可以考虑使用带有双RO膜的设计，这样可以显著提高出水量。

(7)增加压力桶或调整压力系统：对于带有压力桶的系统，增加压力桶的容量或者调整增压泵/减压阀，以维持稳定的水压。

表2 水压与管路材质的匹配关系

根据经验，如果每隔3个月或者更长的时间清洗一次，则表明预处理和反渗透系统设计是合理的，如果1至3个月清洗一次，则可改进工艺和增加设备。假如不到1个月就清洗一次，考虑到清洗费用、反渗透膜寿命缩短以及运行工况恶化，则需要增加更多的预处理设备以便进行工艺改进。

（三）横向流速

为了控制地表水反渗透系统中的污染速度，选择最佳膜面横流速度与选择水通量同样重要。

反渗透系统优化横向流速的主要技术措施如下:

(1)提高给水和浓水在膜表面及给水/浓水隔网中的横向流速,可以增加湍流程度,从而减少颗粒沉淀和隔网堆积。

(2)较高的横向流速可以提高膜表面盐分向主体溶液扩散的速度,减少难溶盐沉淀的风险。

(3)在满足水通量需求的前提下,选择结构参数较大(如面积和长度)的膜元素,可以减少每个压力容器中的膜元件数量,进而提高每个容器内的横向流速。

表3 系统中平均膜通量的计算

(4)严格控制给水流,入速率和浓水流出速率,给水流入速率控制在10psi以下,浓水流出速率满足容器末端膜元件的最小横向流速需要。

(5)监测和控制浓差极化程度,将b值控制在1.20以下,以减少盐浓缩对膜表面的影响。

(6)依据给水水源的不同,制定不同压力容器内膜元件的给水最大流量和浓水最小流量标准。

五、总结

在本文中，我们深入探讨了反渗透系统的设计与优化技术，揭示了其在水处理领域的重要性。反渗透技术以其高效的水质净化能力，广泛应用于饮用水处理、工业废水回用以及海水淡化等多个领域。

本文分析了反渗透系统的基本组成，包括膜组件、高压泵、前处理和后处理设备等，强调了各部分在系统运行中的关键作用。接着，详细讨论了设计参数，如进水水质分析、产水量和回收率，这些因素直接影响到系统的性能和经济性。在系统布局方面，探讨了合理的管道设计和设备布置，以确保水流畅通和便于维护。优化反渗透系统的经济性和可持续性是未来发展的趋势，通过降低运营成本和评估环境影响，可以实现资源的高效利用。最后，总结了反渗透技术的多样化应用，展望了其在应对全球水资源短缺问题中的潜力。