純水設備反滲透濃水回流應用與設計方法
【武漢純水設備www.fzsjcw.com/】反滲透技術在中水回用、廢水零排放、海水淡化等水處理領域被廣泛使用。提高反滲透系統回收率、降低膜污堵程度是實現反滲透高效節能運行的基礎，因此，部分水處理項目中反滲透系統設計了濃水回流。本文從反滲透膜對水流動狀態的技術要求出發，分析反滲透濃水回流的適用場景，給出濃水回流的設計方法，供大家參考。
一、反滲透水流狀態要求
皙全純水公司已經提到反滲透濃差極化現象與回收率設計中已提及了濃差極化對反滲透膜的不良影響，其會使膜通量降低、脫鹽率下降、膜污堵結垢。對于濃差極化的程度，可用下式進行描述。
式中：β為濃差極化因子，其表示濃差極化程度，β值越大，濃差極化現象越嚴重；e為自然常數，e=2.72；Jw為反滲透膜的水通量，LMH；kc為濃差極化傳質系數，m/s。可見，降低β值有助于減緩膜污染，對于一個反滲透膜系統，膜的水通量是設計中已經固定的，那么降低β值，就要盡量增大濃差極化傳質系數kc，kc可按下式計算。
式中：DL為水中雜質的擴散系數，m2/s；dH為水力半徑，m，對于卷式反滲透膜，水力半徑是膜進水通道高度h（0.4~1.2 mm）的2倍；Re是雷諾系數，Sc是施密特數，兩個系數可按下兩式計算。
從以上兩式可見，對于一個純水設備反滲透系統，水的動力粘度μ、水的密度ρ、水力半徑dH、水中雜質的擴散系數DL均為固定值，只有水的流速v可以改變，則施密特數Sc是固定值、雷諾系數Re可以隨著流速v增大而增大。那么，濃差極化傳質系數kc的計算式中，施密特數Sc、水中雜質的擴散系數DL、水力半徑dH均為固定值，只有雷諾系數Re可以發生變化，且隨著流速v增大而增大，所以，想提高濃差極化傳質系數kc，只能通過提高流速v來實現。反而言之，從微觀和數學關系上講，我們提高水在反滲透膜中的流動速度v，使得雷諾系數Re增大，濃差極化傳質系數kc隨之增大，濃差極化的程度β降低；從宏觀來講，雷諾系數Re較小時，水不會產生湍流和渦旋，對沉積在膜表面的雜質沒有擾動作用，雷諾系數Re較大時，水流狀態為湍流，可以擾動附著在膜表面的雜質，從而減緩膜污染。
因此，我們設計反滲透時力求水在膜內呈現湍流狀態。
二、濃水回流適用場景
對于一個純水設備反滲透系統，第一支膜濃水進入第二支膜、第二支膜濃水進入第三支膜……依此類推，直到最終濃水從最后一支反滲透膜流出，這說明，水量在反滲透中逐漸減少，而水的流通通道截面積不變，使得水在反滲透中的流速逐漸降低。所以，我們在設計過程中，應該以系統最后一支膜的濃水流量作為設計依據，保證水在膜內呈現湍流狀態。對于低壓反滲透膜、高壓反滲透膜、超高壓反滲透膜的最小濃水流量可按下表設計。
可見，在進水量較小、回收率較高時，很難保證系統最后一支膜元件濃水流量達到上表所列范圍，例如對于一套水源為廢水的反滲透，進水量為10 m3/h、回收率為75%，6芯裝膜殼1:1排列，則末端膜濃水流量為2.5 m3/h，此時，末端膜濃水流量低于3.6 m3/h，濃水流量不足，需要設計濃水回流。
因此，濃水回流適用于進水量較小、回收率較高的反滲透系統。
三、濃水回流設計方法
根據膜元件最小濃水量的要求，反滲透系統存在以下水量關系。
式中：Q為反滲透進水量，m3/h；Qb為濃水回流量，m3/h；R為反滲透回收率，%；n為膜殼數量，對于單段反滲透，n為所有膜殼數量；對于兩段或多段反滲透，n為最后一段的膜殼數量；Qb為膜元件要求的最小濃水流量，m3/h。
利用上式求出濃水回流量Qb，如下式所示。
對于前文所述案例，Q=10 m3/h、n=1、Qc=3.6 m3/h、R=75%，代入上式，計算得到濃水回流量Qb的最小值應為1.1 m3/h，即濃水回流量至少要達到1.1 m3/h。從該案例還可以看出，此時反滲透膜平均產水通量為16.89 LMH，通量設計并不高，但是濃水流量卻潛在成為膜污染的主要因素。
值得注意的是，如果計算結果顯示所需的濃水回流量大于濃水量，那么必須降低系統的回收率。例如對于一套水源為廢水的反滲透，進水量為10 m3/h、回收率為85%，6芯裝膜殼1:1排列，根據回收率可知系統濃水量為1.5 m3/h，而根據上式計算所需濃水回流量最小應為2.1 m3/h，這是無法實現的，因此，必須降低反滲透回收率。
部分EPC單位為了盲目響應甲方回收率要求和節約建設投資，使得反滲透膜通量雖然i不高、但濃水流量不足，為生產運行埋下隱患。反滲透濃水回流是降低濃差極化程度、減緩膜污染的有效手段，但是由于濃水回流使進水雜質濃度升高，從而會導致反滲透系統脫鹽率下降、運行壓力升高，因此在設計中，應綜合考慮各方面因素。純水設備，實驗室純水設備,GMP醫用純化水設備，半導體超純水設備。
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