第2章 反渗透系统设计
2.1 概述
2.1.1 半透膜概念
如图2-1所示，在开放式容器内放置隔膜，膜两侧分别放入浓度不等的溶液，当放置的隔膜为全透膜时，高浓度溶液中的溶质及低浓度溶液中的溶剂将透过隔膜分别向对方溶液扩散，直到两侧浓度及液位相等。
图2-1 渗透及反渗透现象示意图
当放置的隔膜为只透过溶剂而不透过溶质的半透膜时，低浓度溶液中的溶剂可透过膜体向高浓度的溶液扩散，而高浓度溶液中的溶质向低浓度溶液扩散的趋势被半透膜阻断。半透膜对溶质扩散的阻断及对溶剂扩散的传递现象称为渗透。
渗透过程中不断增长的膜两侧的水位差，形成了渗透过程的阻力；当水位差阻力与扩散动力完全抵消时达到渗透平衡。平衡状态下两侧浓、淡溶液的水位差称为两侧溶液的渗透压差。低浓度溶液为纯溶剂时，平衡状态下的水位差即为高浓度溶液的渗透压。
如在高浓度溶液侧施加一个低于渗透压的压力，渗透过程将中止；而施加压力增至渗透压差时，不会发生渗透现象；若施加压力高于渗透压差时，高浓度溶液中的溶剂将向低浓度溶液反向渗透，该现象称为反渗透或逆渗透。
半透膜对溶质具有100%截留效率时，为理想半透膜。而现实世界中的半透膜均为非理想半透膜，即对溶质具有很高的截留率，但尚存一定的透过率。
目前市场上最常用的卷式反渗透膜的结构见图2-2。
图2-2 卷式膜组件结构
1—薄膜分离层；2—聚砜支撑层；3—无纺布
2.1.2 干膜与湿膜
大多数膜厂家提供湿膜，湿膜产品出厂时可全部进行运行测试，并被真空封装于0.95%亚硫酸氢钠（NaHSO3）与1.0%丙二醇的保护液中。湿膜需在储存与运输过程中防止保护液的泄漏与冻结，但可在初始运行30min时间内使膜元件的运行性能指标达到正常与稳定。
陶氏膜多为干膜，干膜产品出厂检测后续经烘干处理，其保存时无需液体保护。干膜更便于储存与运输，但在运行初期需要一个湿润过程，一般需要运行300min或者更长时间才能使膜元件的运行性能达到正常与稳定。
2.1.3 膜污染
膜污染主要包括无机物污染、有机物污染与微生物污染。无机物污染指难溶盐在膜表面与凝胶层相互作用形成析出沉淀；有机物污染指有机物在膜孔内吸附、堵塞与截留，以及在膜表面形成的凝胶层；微生物污染指微生物在膜表面的附着、堵塞与滋生。
致密膜的污染以无机物污染为主，以有机物与微生物污染为辅。难溶盐的饱和度超过其极限时将在膜表面析出沉淀。但当有机物与微生物在膜表面聚集并形成凝胶层时，无机盐即使未达到极限饱和浓度，也会与凝胶物结合形成沉淀。
膜污堵和结垢是最影响反渗透膜工艺的两个因素，导致了较高的运营成本的产生。连续运行的情况下，膜污堵/结垢导致渗透量减少。膜表面的污垢主要是天然有机物形成的，来自细菌的胶体和生物（生物污垢）。在膜系统的设计与运行过程中，应努力提高系统回收率、降低工作压力等。在发挥系统功能、降低运行成本的同时，应尽量在膜表面形成强错流径流，以减弱浓差极化现象，阻止凝胶层的形成，对于反渗透膜或纳滤膜还应努力避免难溶盐在膜表面析出沉淀。
水力冲洗是指停止系统的产水过程，以较低压力和较大流量对膜表面（正洗）及膜孔（反洗，不用于RO）形成高速径流，以消除浓差极化层，破坏尚未牢固的各类垢层。
当水力冲洗工艺不足以恢复膜系统性能时，采用化学药剂的清洗工艺则成为必要手段。一般而言，清除有机物用碱，清除无机物用酸，而清除微生物用氧化剂，且多采取各种药液轮流清洗的方式。化学清洗的径流形式与水力冲洗基本一致，但清洗液流量的作用趋弱，而药剂成分、药液浓度、洗液温度、清洗时间、浸泡时间甚至表面活性剂浓度等因素上升为主导因素。
在长流程反渗透系统中，流程前部元件多为有机物污染，流程后部元件多为无机物污染。记录膜元件在系统流程中的工作位置，并通过在线或离线检测不同位置膜元件性能衰减的程度，可有效掌握系统污染性质与程度，并明确指导膜清洗的工艺参数。
一个反渗透系统工程的全部实施过程包括设计、制造、安装、调试、运行及保养维护等多个环节，其中系统设计是最为重要的环节。反渗透工艺设计领域可能存在的问题有以下几个主要方面。
① 预处理系统的过滤工艺设计欠佳，不能保证膜系统进水SDI（淤塞指数）要求。
② 预处理系统的软化或阻垢工艺设计欠佳，膜系统难溶盐饱和度与系统回收率配合不当。
③ 膜系统的元件排列结构设计欠佳，浓差极化度过高，加剧了膜元件的污染。
④ 膜系统元件通量严重失衡，前段膜元件污染严重，后段膜元件效率低下。
⑤ 膜系统设计中分段压力与流量参数的测试仪器及仪表短缺，系统运行工况缺乏监测。
⑥ 控制系统的设计水平较低，系统回收率失衡，清洗频率失控，整体运行水平受到限制。
一个完整的反渗透系统包括“预处理系统”“膜系统”“后处理系统”三个部分。
从水井取出的地下苦咸水首先经过絮凝、多介质过滤工艺组成的预处理段将悬浮物以及部分胶体、微生物、细菌、油脂去除以避免膜被破坏。随后水流入RO装置，盐分和小分子有机物等杂质在膜侧富集形成浓水，而纯净的淡水透过膜。后处理包括对脱盐水进行消毒及pH值调节。下面就各部分的设计一般原则进行论述。