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超纯水设备方案设计指南 第二章 工艺及技术（七）反渗透技术（上）

目录

2.3.3：反渗透(RO)技术

2.3.3：反渗透(RO)技术

在纯水制备发展历史中，膜技术的快速发展大大降低了纯水制备的难度。不同过滤精度的膜工艺可以很好的应对水处理过程中常见的悬浮物、有机物、无机物、微生物等，其中微滤过滤精度≥0.1μm（可截留细菌），超滤过滤精度≥0.01μm（可截留病毒），纳滤过滤精度≥1nm（可截留硬度物质），反渗透过滤精度≥0.1nm（可截留热源及大部分无机盐）。悬浮物一般通过预处理的机械过滤或者精滤即可去除。反渗透工艺因为其高过滤精度和对无机盐的高去除率而成为市场上绝大部分纯水设备的核心处理工艺。

反渗透工作原理

当两种不同浓度的溶液，由一个RO膜隔开时，渗透现象会自然发生。渗透压将水压过RO膜，水将浓度较高的溶液稀释，最后达到浓度平衡。如果通过施加压力于高浓度溶液，以抗衡渗透压，并且迫使高浓度溶液中溶质反向通过RO膜并加以收集，这就是反渗透系统的基本工作原理。

反渗透系统

反渗透系统主要是围绕着核心反渗透膜组件（单膜和多级或多段）运行和配置。其基本的工作原理是：通过高压泵，将原水压力加大到一定的程度7-55KG压力，原水在压力的作用下渗透过反渗透膜（0.1nm），只允许小于0.1nm的水分子和溶剂通过，而绝大部分化学离子和细菌，真菌，病毒体等不能通过，称为浓水再利用或者成为废水。反渗透膜的工作效率跟温度和工作压力成正比。过高的压力会损坏膜组件，过低的压力达不到预期的出水量。

反渗透系统因为有一定的进水水质要求，所以前段一般有预处理设备保护。

pH 值：3-10 余氯值：<0.1mg/L SDI （淤泥密度指数）< 5

浊度<1 NTU 温度< 45℃ Fe, Mn <0.1mg/L

根据工作压力不同，反渗透膜有以下几种类型：

极低压膜元件：进水TDS≤1000mg/L（ppm）可选用超低压RO膜元件，适用于盐浓度食品生产、市政用水、纯净水制备、灌溉水、两级膜系统的第二级供水等行业应用。

超低压膜元件：进水TDS≤1500mg/L可选用超低压RO膜元件，适用于以市政自来水、地下水为原水的脱盐处理。常用型号LE-400/ESPA2+

低压（苦咸水）膜元件：进水2000≤TDS≤5000mg/L可选用苦咸水型RO膜元件，适用于地表水、地下水、中水为原水的脱盐处理、苦咸水淡化。常用型号BW30-400/CPA3

低（抗）污染膜元件：进水2000≤TDS≤8000mg/L可选用抗污染RO膜元件，适用于电力、钢铁、电镀、石化、煤化工、印染、造纸、垃圾渗滤液等污废水处理和中水回用项目。

海水膜元件：进水TDS≥10000mg/L可选用海水淡化RO膜元件，适用于高盐浓度溶液或污废水浓缩、海水淡化、（近）零排放等水处理行业。

反渗透系统结构

反渗透系统主要是围绕着核心反渗透膜组件（单膜和多级或多段）运行和配置。其核心主要是由一定数量的膜元件（单支RO膜）通过不同的排列方式形成一定的组合，从而给水可以合理地通过各个膜元件，达到预期的效果。RO膜元件排列方式的合理设计主要需要考虑均衡膜通量和合适的末端浓水流量两方面。

均衡的膜通量

膜通量：一定时间内通过膜面积（单支RO膜膜面积跟型号相关）的水流量，膜通量越高则设计产水量越高。所以均衡的膜通量保证的其实是单个膜元件的实际回收率，确保单个膜元件发挥其有效利用率。

合适的末端浓水流量

浓水流的两大作用：带走难溶盐成分和保持浓水通道有效湍流（紊流）。

要想维持浓水通道湍流状态，膜壳末端浓水流量就不能过低，其次考虑到多段式设计中后段给水的盐分比例较前段更高，浓水中盐分较前段也更高，为使后段错流比更大以降低膜污染（含结垢）后段膜壳浓水流量大于前段膜壳浓水流量。

多段反渗透结构

段：指原水经过单一压力容器后渗透次数，即产水透过反渗透膜元件的次数。采用多段系统可以提高系统回收率，但产水水质较差。段数的多少直接影响系统的回收率，段数越多，回收率越高，因此普通以脱盐为目的的反渗透系统采用二段或三段工艺居多，可以实现的回收率约为75%；以浓缩为目的的反渗透系统，可以采用三段以上的排列方式，实现85%以上的系统回收率。

基本原理：每段的进水一部分变成产水，后一段的进水流量会减少，含盐量会升高，所以后段的膜元件数量要比一上段的膜元件数量少，以保证正常的进水流量。一般的排列方式是2：1或4：2：1。通常，两段系统可以把回收率做到50-75%，三段系统回收率做到75-90%。

单膜（膜元件，产品质量决定系统整体运行效率）

一级一段式(单膜并联，脱盐率不变，产水量叠加）

一级多段式（单膜并联+多段式，脱盐率降低，回收率提高）

一级纯水的制备一般采用一级二段的方式，最高回收率可达75%。

一级二段浓水的含盐量明显升高，视情况作为废水排放，或者部分回流到一级反渗透设备前再次利用。

我们常用A-B-C.../L这样的方式来表述某级反渗透的系统结构组成。举例：

2-1/6表示系统采用2：1二段式排列，一只膜壳装6支RO膜（元件）

4-2-1/5表示系统采用4：2：1三段式排列，一只膜壳装5支RO膜

多级反渗透结构

级：指原水流经压力容器的次数，即产水流经不同压力容器的次数。一级反渗透的脱盐率可达98%～99%，因而多级反渗透是把上一级纯化过的水再次脱盐，可实现99.5%以上的脱盐率。常用于高纯水和超纯水的制备。

二级（多级）多段跟一级多段的原理是一样，但是由于二级（多级）进水的水质含盐量已经很低，所以综合回收率会较高（75-90%），所以二级一段的回收率比较高，如果采用2：1的膜元件组合，可能导致二级二段的进水量不足而影响二段的回收率，从而降低综合回收率，可以考虑3:1或者5：2的模式。小型设备受限于膜元件数量有限，不需要考虑这么多。

二级一段式（一级一段+二级一段，脱盐率提高，回收率提高）

二级纯水的制备一般采用二级多段（一级二段+二级一段/二段）的方式，综合收率约为60-65%。二级（二级一段/二段）浓水的含盐量虽然较于二级进水明显升高，但是因为二级进水的含盐量已经很低，所以二级浓水一般直接回流到一级前段的原水箱，可以提高整个系统的水利用率。

工业废水和海水淡化运用中，因为含盐量，污染性等不同，需要选择不同种类的反渗透膜，脱盐率和产水量也会有很大的下降，情况相对复杂，需要结合项目实际情况和经验单独分析，设计方案。

综上所述，反渗透的多段和多级应用，主要有提高利用率，提高脱盐率等作用，具体需要参考实际进水的水质和综合成本，合理选择。

反渗透系统结构简单设计思路

①确定膜元件数量

纯水设备：按照8040膜单支产水量1T/H，4040膜单支产水量0.25T/H确定

两者膜通量指标几乎一致，实际区别主要就是膜面积的大小决定的产水量区别。

中水设备：按照8040膜单支处理量1.5T/H，实际产水量0.7-0.8T/H左右水平设计。

备注：中水盐浓度过高，结垢风险大，实际回收率50-60%左右。

②根据膜元件数量确定排列方式

膜元件串联数量限制的最高回收率

（这个表很重要，但是此处不方便展开解释）

参考文章：水处理基本知识 反渗透（RO）膜元件的排列方式；水处理基本知识 多段及多级反渗透系统

反渗透系统回收率

提高反渗透系统的回收率在给水项目（例如：纯水制备）过程中可以减少进水的量，带来经济效益和减少水资源的浪费。在废水处理方面可以减少浓缩废液的比例，减少处理费用，同时也可以增加回用水比例。

反渗透系统的回收率指RO装置进水（预处理后给水）转化成产水（净水）的百分比。

在RO装置中，系统回收率Y（100%）=（产水流量/进水流量）×100%

几个常见的概念：

①单支RO膜的回收率：出场厂商决定，一般苦咸水取15%，海水10%，一米（40in）长。RO膜单支实际回收率要求不超过18%（二级RO装置除外，一般不超过30%）。

②RO装置的单程回收率：单次产水/单次进水的回收率，由膜元件的组合方式决定。

③RO系统的系统回收率Y：RO装置实际使用时总的回收率，受单程回收率和浓水回用比影响，也是最常考虑的回收率。

如何提高RO装置的系统回收率

①增加膜的段数提高回收率

第一段膜过滤后排出的浓水直接进入第二段膜来过滤，也可以三段四段串联可以得到更高的回收率。膜串联后前段比后一段的过水量要更大所以一般前一段膜的数量支数要比后一段的要多。

RO膜串联段数越多浓水的浓缩倍数就越高，回收率50%的系统，浓缩倍数接近2倍，回收率75%，浓缩接近4倍:回收率80%时，则浓缩接近5倍。膜系统内由于浓差极化现象的存在，膜表面的料液含盐量会变得更高。因此，原水由于被浓缩，膜表面的污染会比想象中发生的更快，一般回收率在苦咸水脱盐处理中设在50-80%左右。系统的运行条件、原水的特征性状态等因素会影响回收率的确定，一旦选择过高的回收率，就会面临结垢的形成和技术污染的风险。

备注：增加膜壳长度也可以增加膜元件的串联长度，但是单支膜壳过长会造成末端元件水压不足和膜通量下降，影响RO装置整体回收率，同时单支膜壳过长还需要更高的给水压力造成能耗的增加。

②浓水回流提高回收率

浓水回流，就是将RO系统产生的一部分浓水回流到高压泵前（期间是否经过额外净化处理区别很大），同进水混合后再次进入膜组件，进行反渗透处理。这也是一种提高RO系统回收率的有效手段，尤其是对于系统产水量不大，水流无法流经12m长的膜组件时，十分合适。

常见的回流方式有一级RO浓水部分回流到原水箱，二级RO浓水全部回流到原水箱，EDI极水回流到二级RO纯水箱或者二级RO装置前等。

但是浓水回流会造成进水处的污染物浓度提高，RO系统结垢的风险也进一步增大，因此，必须加强反渗透系统的运行控制和管理。基于原水的水质分析数据，考虑前处理和产水的回收率、运行温度等相关的反渗透系统设计方式，设定运行条件是非常必要的。切不可为了提高系统回收率，而通过直接调整给水/浓水进出口阀门开关及比例，如果这样操作，就会造成膜元件的污染速度加快，导致严重后果。

备注：在系统没有浓水循环时，膜元件和系统回收率一般参照以下对应关系。

反渗透系统极限回收率

略。

参考文章：水处理基本知识 浅谈RO装置的极限回收率。原文有部分计算处有误，不影响理解。