反渗透浓水回流应用与设计方法

2024-12-27 16:42 宁夏

反渗透技术在中水回用、废水零排放、海水淡化等水处理领域被广泛使用。提高反渗透系统回收率、降低膜污堵程度是实现反渗透高效节能运行的基础，因此，部分水处理项目中反渗透系统设计了浓水回流。本文从反渗透膜对水流动状态的技术要求出发，分析反渗透浓水回流的适用场景，给出浓水回流的设计方法，供水处理人士参考。

一、反渗透水流状态要求

本公众号《反渗透浓差极化现象与回收率设计》中已提及了浓差极化对反渗透膜的不良影响，其会使膜通量降低、脱盐率下降、膜污堵结垢。对于浓差极化的程度，可用下式进行描述。

式中：β为浓差极化因子，其表示浓差极化程度，β值越大，浓差极化现象越严重；e为自然常数，e=2.72；Jw为反渗透膜的水通量，LMH；kc为浓差极化传质系数，m/s。可见，降低β值有助于减缓膜污染，对于一个反渗透膜系统，膜的水通量是设计中已经固定的，那么降低β值，就要尽量增大浓差极化传质系数kc，kc可按下式计算。

式中：DL为水中杂质的扩散系数，m2/s；dH为水力半径，m，对于卷式反渗透膜，水力半径是膜进水通道高度h（0.4~1.2 mm）的2倍；Re是雷诺系数，Sc是施密特数，两个系数可按下两式计算。

从以上两式可见，对于一个反渗透系统，水的动力粘度μ、水的密度ρ、水力半径dH、水中杂质的扩散系数DL均为固定值，只有水的流速v可以改变，则施密特数Sc是固定值、雷诺系数Re可以随着流速v增大而增大。那么，浓差极化传质系数kc的计算式中，施密特数Sc、水中杂质的扩散系数DL、水力半径dH均为固定值，只有雷诺系数Re可以发生变化，且随着流速v增大而增大，所以，想提高浓差极化传质系数kc，只能通过提高流速v来实现。反而言之，从微观和数学关系上讲，我们提高水在反渗透膜中的流动速度v，使得雷诺系数Re增大，浓差极化传质系数kc随之增大，浓差极化的程度β降低；从宏观来讲，雷诺系数Re较小时，水不会产生湍流和涡旋，对沉积在膜表面的杂质没有扰动作用，雷诺系数Re较大时，水流状态为湍流，可以扰动附着在膜表面的杂质，从而减缓膜污染。

因此，我们设计反渗透时力求水在膜内呈现湍流状态。

二、浓水回流适用场景

对于一个反渗透系统，第一支膜浓水进入第二支膜、第二支膜浓水进入第三支膜……依此类推，直到最终浓水从最后一支反渗透膜流出，这说明，水量在反渗透中逐渐减少，而水的流通通道截面积不变，使得水在反渗透中的流速逐渐降低。所以，我们在设计过程中，应该以系统最后一支膜的浓水流量作为设计依据，保证水在膜内呈现湍流状态。对于低压反渗透膜、高压反渗透膜、超高压反渗透膜的最小浓水流量可按下表设计。

可见，在进水量较小、回收率较高时，很难保证系统最后一支膜元件浓水流量达到上表所列范围，例如对于一套水源为废水的反渗透，进水量为10 m³/h、回收率为75%，6芯装膜壳1:1排列，则末端膜浓水流量为2.5 m³/h，此时，末端膜浓水流量低于3.6 m³/h，浓水流量不足，需要设计浓水回流。

因此，浓水回流适用于进水量较小、回收率较高的反渗透系统。

三、浓水回流设计方法

根据膜元件最小浓水量的要求，反渗透系统存在以下水量关系。

式中：Q为反渗透进水量，m³/h；Qb为浓水回流量，m³/h；R为反渗透回收率，%；n为膜壳数量，对于单段反渗透，n为所有膜壳数量；对于两段或多段反渗透，n为最后一段的膜壳数量；Qb为膜元件要求的最小浓水流量，m³/h。

利用上式求出浓水回流量Qb，如下式所示。

对于前文所述案例，Q=10 m³/h、n=1、Qc=3.6 m³/h、R=75%，代入上式，计算得到浓水回流量Qb的最小值应为1.1 m³/h，即浓水回流量至少要达到1.1 m³/h。从该案例还可以看出，此时反渗透膜平均产水通量为16.89 LMH，通量设计并不高，但是浓水流量却潜在成为膜污染的主要因素。

值得注意的是，如果计算结果显示所需的浓水回流量大于浓水量，那么必须降低系统的回收率。例如对于一套水源为废水的反渗透，进水量为10 m³/h、回收率为85%，6芯装膜壳1:1排列，根据回收率可知系统浓水量为1.5 m³/h，而根据上式计算所需浓水回流量最小应为2.1 m³/h，这是无法实现的，因此，必须降低反渗透回收率。

总结

部分EPC单位为了盲目响应甲方回收率要求和节约建设投资，使得反渗透膜通量虽然i不高、但浓水流量不足，为生产运行埋下隐患。反渗透浓水回流是降低浓差极化程度、减缓膜污染的有效手段，但是由于浓水回流使进水杂质浓度升高，从而会导致反渗透系统脱盐率下降、运行压力升高，因此在设计中，应综合考虑各方面因素。

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