反渗透段间增压作用及设计方法

2025-01-06 16:50 宁夏

在上一篇文章中，我们给出了反渗透高压泵的设计计算方法，在使用反渗透的水处理项目中，有很多两段或三段排列的反渗透，在段间设计有增压泵。本文将在上一篇文章的基础上，给出增压泵的作用及需要设计段间增压的判断方法、设计方法，供水处理人士参考。

一、段间增压的作用

概括来讲，段间增压工艺是使反渗透系统各段通量均衡的方法。为什么要保证各段通量均衡呢？其主要原因有以下几点：

（1）如果各段通量不均衡，将导致产水水质变差。沿着进水方向，前端膜的浓缩倍数高于后端膜的浓缩倍数，浓水侧含盐量增长幅度沿系统流程先大后小，将使沿流程各元件的给浓水含盐量普遍提高。例如，我们利用二段，每段膜壳内均为6支膜，即12支膜串联的方式将TDS为1000 mg/L的废水浓缩至TDS达到4000 mg/L，如果通量均衡，则每一支膜的进水TDS稳定上升，直到最后一支膜浓水TDS达到4000 mg/L，但如果一段回收率过高，即膜通量高，那么进入二段时，水的TDS将比通量均衡时高，二段产水水质变差。

（2）如果各段通量不均衡，将导致一段膜污染加剧。结合本公众号文章《反渗透浓差极化现象与回收率设计》，一段通量过高时，一段浓差极化现象加剧，膜污堵随之加剧。

（3）如果各段通量不均衡，将导致一段个别膜元件的通量超出允许的设计范围。

（4）如果各段通量不均衡，将导致末端膜元件浓水流速不足，造成末端膜元件浓差极化现象加剧，出现结垢问题。

二、需要设计段间增压的判断方法

根据本公众号上一篇文章《反渗透高压泵设计及其与膜通量的关系》，反渗透的膜通量可按下式表示。

那么对于两段式的反渗透系统，一段和二段的膜通量可按下两式计算。

我们为了维持通量均衡，通常使一段通量与二段的通量之比满足：1.0≤J1/J2≤1.2。计算举例说明如下。

例：某反渗透设计进水量为100 m³/h，回收率75%，采用37.2 m2的膜元件，膜元件测试压力为5.50MPa、测试产水量为33.3 m³/d，两段膜壳15:8排列，高压泵扬程为H=360 m。进水水质如下表所示，计算无增压泵时，两段膜通量是否均衡。

（1）计算膜元件渗透系数A

（2）计算阴阳离子浓度总和

（3）计算进水渗透压和产水渗透压

以上计算在本公众号上一篇文章《反渗透高压泵设计及其与膜通量的关系》中已经说明，详细说明请参考该篇文章。

（4）计算一段膜通量

已知高压泵扬程H=360 m，相当于Pf1=3.60 MPa，我们取产水压力Pp1=0.15 MPa，则一段膜通量为16.56 LMH，如下式所示。

（5）计算二段产水量和膜通量

由于一段膜平均通量为16.56 LMH、一段膜数量为15×6=90 支、单支膜面积为37.2 m2，则一段产水量为55.44 m³/h，如下式所示。

已知反渗透总进水量为100 m³/h，我们预期系统回收率为75%，即总产水量为75 m³/h，扣除一段产水量，二段产水量应为19.56 m³/h，二段有48支膜，则二段膜通量为J2=10.95 LMH，如下式所示。

（6）比较两段膜通量

从上式可见，一段膜通量比二段高出20%以上，需要设计段间增压泵。

三、段间增压泵设计方法

仍然按照上面的案例，我们要保证J1/J2≤1.2（即J2≥0.83J1），则需要有以下关系。

即在设定的膜通量条件下，两段的产水量之和≥75 m³/h，于是，根据上式求得J1=15.53 LMH。据此计算反渗透所需进水压力为3.36 MPa，如下式所示。

该压力较原设计高压泵低0.24 MPa，则段间增压泵扬程至少应为24 m。

总结

反渗透段间增压工艺可以维持各段通量均衡，降低浓差极化程度、降低一段膜污堵和二段膜结垢，是保证反渗透系统稳定运行的重要手段。部分EPC单位为了节约成本，毫无根据的断言不需要段间增压泵，以至于反渗透运行过程中出现污堵和结垢。从本文可见，可以通过两段通量的均衡程度来判断是否需要设计段间增压工艺，且计算较为简单，只是正向和反向计算的关系，设计中，正向和反向相结合的计算方法可以使我们简化问题。

关联文献

进水压力计算方法
Crazy Designer，公众号：水处理科技学报反渗透高压泵设计及其与膜通量的关系

浓差极化现象
Crazy Designer，公众号：水处理科技学报反渗透浓差极化现象与回收率设计

水处理科技学报

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