反滲透系統(tǒng)中膜元件的排列一般為錐形分段串并聯(lián)方式，且各段等長．在沿系統(tǒng)流程方向上，由于產(chǎn)水的分流作用，膜兩側(cè)壓力差(delP)逐步下降；由于水中鹽分的濃縮，膜兩側(cè)滲透壓差(delPosm)逐步增大；膜兩側(cè)的凈驅(qū)動壓力(NDP)及膜產(chǎn)水通量(Q)不斷下降，從而產(chǎn)生膜通量分布不均衡現(xiàn)象．如以A表示膜的水透過系數(shù)，則系統(tǒng)流程中第i支膜元件的產(chǎn)水通量可表示為

 

系統(tǒng)的膜通量分布除遵循上述必然規(guī)律外，還與系統(tǒng)運行工況密切相關(guān)．膜元件平均水產(chǎn)量、膜性能衰減情況等諸多因素均對系統(tǒng)膜通量的分布造成不同程度的影響，其中系統(tǒng)給水溫度、給水含鹽量、系統(tǒng)流程長度及膜元件品種構(gòu)成影響膜通量分布的主要因素．圖1示出反滲透系統(tǒng)中不同流程位置上膜通量分布曲線及各主要影響因素對通量分布的作用．   

膜通量沿流程方向的不斷下降，對于系統(tǒng)運行同時存在著利和弊兩個方面的情況．一方面給／濃水被逐步濃縮，污染物濃度逐步升高，系統(tǒng)后端膜通量的降低有利于系統(tǒng)中膜污染程度的均衡；另一方面系統(tǒng)首末端通量差異過大，前端膜元件在高驅(qū)動壓力、高通量條件下運行，膜元件污堵速度快，后端膜元件在低驅(qū)動壓力、低通量條件下運行，膜元件不能充分發(fā)揮其作用．故對系統(tǒng)運行來說，有必要使系統(tǒng)中膜通量保持一定的梯度，使系統(tǒng)運行處于優(yōu)化狀態(tài)．

 

不同的給水條件存在著不同的*佳通量分布．對于二級系統(tǒng)而言，給水水質(zhì)上佳，流程中膜通量應(yīng)盡量均衡；以井水為水源的系統(tǒng)，給水水質(zhì)略差，流程中膜通量應(yīng)保持一定梯度；以地表水為水源的系統(tǒng)，給水水質(zhì)更差，流程中膜通量梯度則應(yīng)保持更高水平．   

在系統(tǒng)設(shè)計與運行領(lǐng)域中，克服通量分布極端不均衡現(xiàn)象可以采取一系列措施，其中主要包括膜品種配置、段間加壓、淡水背壓三大工藝．筆者將逐一分析此三大工藝的特征、功用與適用范圍，從而為反滲透系統(tǒng)的設(shè)計與運行提供有力的參考．由于量化*佳膜通量梯度存在相當(dāng)難度，因此在分析過程中僅以均衡通量為目標(biāo)，該目標(biāo)下得到的結(jié)論可作為不同通量梯度工況的參考依據(jù)．   

如圖l所示，高壓膜構(gòu)成的系統(tǒng)(見圖l中的基本工況曲線)與低壓膜構(gòu)成的系統(tǒng)(見圖l中的低壓膜品種曲線)相比，膜通量曲線較為平滑．直至20世紀(jì)90年代初，反滲透膜以醋酸纖維素或高工作壓力的聚酰胺膜為主，系統(tǒng)工作壓力約為1．5～2．5 MPa，膜通量失衡問題并不明顯．1995年前后國際上各大膜廠商分別推出工作壓力約為l MPa的節(jié)能型低壓膜，特別是近年來如海德能等公司推出了工作壓力約為0．7MPa的超低壓膜，使膜通量失衡問題越加突出．   

膜工作壓力的降低，大大降低了反滲透系統(tǒng)的操作壓力，明顯地降低了能耗，節(jié)省了設(shè)備投資，極大地促進(jìn)了反滲透技術(shù)的推廣應(yīng)用．與此同時，膜系統(tǒng)中膜通量失衡問題也越發(fā)明顯，而且水處理工程界對此現(xiàn)象尚未給予足夠的重視，未能采取相應(yīng)措施予以克服．以數(shù)據(jù)形式明確超低壓膜系統(tǒng)通量失衡的嚴(yán)重性也是本研究的目的之一．

1  反滲透膜元件性能比較   

筆者以海德能公司的ESPA膜(Energy Saving PolyAmide)作為依據(jù)進(jìn)行均衡通量的相應(yīng)分析．ESPA膜是一種節(jié)能型聚酰胺復(fù)合膜，與高壓的CPA2聚酰胺復(fù)合膜相比，在獲得同等產(chǎn)水通量條件下，需要的工作壓力更低．ESPA膜系列又可分為ESPAl、ESPA2、ES、PA3、ESPA4四個品種，各品種工作壓力又有不同．   

膜產(chǎn)品技術(shù)手冊中，給出了不同給水含鹽量及不同測試壓力下的膜的測試參數(shù)．不同測試條件盡管暗示了不同膜品種元件的工作條件，同時也淡化了各膜品種間的參數(shù)差異．表l給出海德能ESPA-4040系列膜品種在相同的進(jìn)水壓力、進(jìn)水溫度與回收率計算條件下的計算參數(shù)指標(biāo)．   

如表l所示，在同一壓力下，產(chǎn)水通量各不相同．反過來說，若相同的產(chǎn)水量，膜品種不同所需壓力也各不相同，所需壓力從高到低排列為ESPA2、ESPAl、ESPA3、ESPA4．  

ESPA膜品種所需系統(tǒng)給水壓力低，在某些運行條件下，系統(tǒng)濃水壓力值接近濃水滲透壓力值，使得系統(tǒng)的純驅(qū)動壓力產(chǎn)生很大的梯度，即進(jìn)水端NDP很高，出水端NDP很低．膜通量分布不均衡問題更突出．筆者固定了膜型號(以ESPA2-4040、ESPAl-4040膜品種為例)，分別對單段、兩段反滲透系統(tǒng)采用3種通量均衡工藝進(jìn)行討論．

 

2  單段系統(tǒng)膜通量均衡工藝   

系統(tǒng)采用同一膜品種時，隨著流程增長，膜通量下降．由于在同一壓力下，膜品種不同，通量不同，故可以在沿系統(tǒng)流程的適當(dāng)位置處更換膜品種，使其在進(jìn)水壓力不變情況下，提高或降低該流程處的膜通量，使系統(tǒng)前端通量降低或是使系統(tǒng)后端膜通量提高，以達(dá)到整個系統(tǒng)通量均衡的目的．以系統(tǒng)膜品種更換所對應(yīng)的首支膜元件的通量的偏離度((系統(tǒng)首端*支膜元件通量-膜品種更換后的*支膜元件通量)／系統(tǒng)首端*支膜元件通量)接近于0％，作為系統(tǒng)優(yōu)選的膜品種配置方式．圖2給出了一級一段6支膜6 m長系統(tǒng)的不同運行工況對膜品種配置的斷點位置的影響．

 

如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)中“2222ll”表示系統(tǒng)前4支膜采用ESPA2-4040，后兩支膜采用ESPAl-4040，這種膜品種配置方式比同一品種的膜排列方式可以均衡系統(tǒng)通量．隨著系統(tǒng)中各膜品種所占比率不同，系統(tǒng)通量的偏離度也不同．系統(tǒng)運行工況變化時，膜品種配置的斷點位置也隨之變化．不同的運行工況，對應(yīng)不同的膜品種配置方式．進(jìn)水含鹽量、進(jìn)水溫度的變化，對系統(tǒng)膜品種配置斷點位置的影響較大．相比較而言，運行年數(shù)、單支膜產(chǎn)量的變化，對系統(tǒng)膜品種配置斷點位置的影響較小，且隨著進(jìn)水含鹽量的升高，或者進(jìn)水溫度的上升，系統(tǒng)膜品種配置斷點位置前移，即低壓膜品種所占比率增加．隨著運行年數(shù)或單支膜產(chǎn)量的增加，系統(tǒng)膜品種配置斷點位置后移，即低壓膜品種所占比率減少．   

對系統(tǒng)采用膜品種配置工藝后，可以看到：   

(1)流程較短的系統(tǒng)，所需更換膜品種的斷點位置一般在系統(tǒng)的后一半流程上；   

(2)當(dāng)系統(tǒng)運行為低進(jìn)水溫度、低進(jìn)水含鹽量工況時，較短的反滲透系統(tǒng)通量分布不均衡程度不嚴(yán)重，不需要膜品種配置，只需傳統(tǒng)設(shè)計模式即同一種膜品種排列即可．當(dāng)系統(tǒng)運行為高進(jìn)水溫度、高進(jìn)水含鹽量工況時，系統(tǒng)通量失衡問題突出，可以容器為單位，在系統(tǒng)前端的容器中放高壓低通量膜品種，在系統(tǒng)后端的容器中放相對應(yīng)的低壓高通量膜品種均衡系統(tǒng)通量；   

(3)系統(tǒng)采用膜品種配置方式，系統(tǒng)的通量偏離度可降低15到36個百分點，但膜品種配置方式是一次性地對系統(tǒng)的通量分布進(jìn)行調(diào)整，無法達(dá)到系統(tǒng)的通量分布完全均衡．   

(4)系統(tǒng)采用膜品種配置方式，膜元件沒有達(dá)到濃差極化的極限值，系統(tǒng)回收率反而降低，各膜元件未充分發(fā)揮其效用，單位產(chǎn)水量能耗升高。   

對于單段的小型反滲透系統(tǒng)，通量分布不均衡程度不嚴(yán)重，采用段間加壓工藝與淡水背壓工藝雖在技術(shù)上可行，但系統(tǒng)總固定投資增加，且系統(tǒng)性能提高的幅度不明顯，故對單段小型反滲透系統(tǒng)不考慮段間加壓與淡水背壓工藝．

3  兩段系統(tǒng)的膜品種配置工藝   

當(dāng)系統(tǒng)采用多段系統(tǒng)，流程增長時，系統(tǒng)的通量分布不均衡程度嚴(yán)重，需采用通量均衡工藝改善系統(tǒng)運行的通量分布狀態(tài)．以系統(tǒng)流程為8 m，2(4)一l(4)(即采用兩段反滲透系統(tǒng)，每段裝4支膜)排列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，表2給出12支膜8 m流程在各運行工況下膜品種優(yōu)化配置后對系統(tǒng)性能的影響．   

研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)水含鹽量、進(jìn)水溫度的變化對系統(tǒng)膜品種配置的斷點位置的變化影響較大，而運行年數(shù)、單支膜通量的變化，對系統(tǒng)膜品種配置的斷點位置的變化影響不大．表2只給出了不同進(jìn)水含鹽量、不同進(jìn)水溫度下的*佳膜品種配置方式及其相應(yīng)的運行參數(shù)值．表2中“膜品種配置方式”一欄，*列為系統(tǒng)全流程上采用同一的ESPA2-4040膜品種；第二列為同等條件下系統(tǒng)可采用的膜品種優(yōu)化配置方式．“22222111”表示系統(tǒng)采用21排列方式，*段采用ESPA2—4040膜品種，第二段*支膜元件可采用ESPA2—4040膜品種，第二段第二、三、四支膜元件采用ES—PAl-4040膜品種．“／”表示該運行條件下，不需膜品種配置方式．   

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出：   

(1)當(dāng)系統(tǒng)流程增長時，系統(tǒng)采用膜品種配置方式的更換位置較短流程時前移，即系統(tǒng)中低壓膜品種所占比率升高；   

(2)在低進(jìn)水溫度、低進(jìn)水含鹽量工況下，系統(tǒng)不需采用膜品種配置方式，而只需傳統(tǒng)的膜排列方式即可．當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水溫度升高或進(jìn)水含鹽量增加時，系統(tǒng)的膜通量失衡程度嚴(yán)重，采用膜品種配置可均衡系統(tǒng)膜通量分布．在進(jìn)行膜品種配置時，建議以容器為單位進(jìn)行膜品種配置，即在系統(tǒng)的前段容器中，放高壓低通量膜品種，在系統(tǒng)后段的容器中放低壓高通量膜品種；   

(3)采用膜品種配置工藝對系統(tǒng)的性能也有改善．與傳統(tǒng)的同一膜品種排列方式相比較，系統(tǒng)的收率增加3到5個百分點，壓力降低0．03 MPa到0．1MPa，單位產(chǎn)水量能耗降低10％．

 

4  兩段系統(tǒng)的段間加壓與淡水背壓工藝   

段間加壓與淡水背壓是工程中常用的均衡系統(tǒng)通量分布的工藝，兩者異曲同工．淡水背壓工藝通過調(diào)節(jié)淡水閥實現(xiàn)，簡單易行，而段間加壓工藝需增設(shè)一臺加壓泵，兩種工藝系統(tǒng)投資不同，但對系統(tǒng)通量均衡分布的效果相同一。．經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，段間加壓值、淡水背壓值與系統(tǒng)運行條件的關(guān)系一致，兩者對系統(tǒng)性能的影響除淡水背壓使系統(tǒng)單位產(chǎn)水量的能耗增加外，對系統(tǒng)的通量均衡分布、回收率、脫鹽率的影響也一致，故筆者將兩種工藝合并起來一起探討．

4．1  系統(tǒng)加壓值與系統(tǒng)運行條件的關(guān)系   

系統(tǒng)所需的加壓值與系統(tǒng)運行的進(jìn)水溫度、進(jìn)水含鹽量、運行年數(shù)、所要求的單支膜產(chǎn)量密切相關(guān)．當(dāng)系統(tǒng)運行工況改變時，系統(tǒng)所需的*佳加壓值也隨之變化，即進(jìn)水含鹽量大小、單支膜產(chǎn)量大小與系統(tǒng)所需的加壓值大小呈線性正比關(guān)系(見圖3、圖4)；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水含鹽量低時，進(jìn)水溫度的變化對系統(tǒng)所加的加壓值沒有影響，但當(dāng)進(jìn)水含鹽量升高時，系統(tǒng)所需的加壓值隨系統(tǒng)進(jìn)水溫度的升高緩慢上升(見圖3)；運行時間的增加對系統(tǒng)是整體性能的改變，系統(tǒng)所需的加壓值不會隨著系統(tǒng)運行時間的長短而變化．

4．2  系統(tǒng)加壓值的改變對系統(tǒng)性能的影響   

系統(tǒng)的通量分布會隨著系統(tǒng)加壓值的增加而逐漸均衡，但加壓值存在一個*佳加壓值點，達(dá)到該點能使得系統(tǒng)的通量分布*均衡，當(dāng)超過該點繼續(xù)加壓時，系統(tǒng)后端驅(qū)動壓力的增大，導(dǎo)致膜通量逐漸增大，通量分布又呈現(xiàn)失衡趨勢(見圖5)．

 

 

對于2(4)一l(4)排列，因為各段流程短，各段末端濃差極化值未接近極限值．但采用加壓工藝時，可使各段濃差極化值達(dá)到極限值，使系統(tǒng)回收率升高．隨著系統(tǒng)加壓值的增大，系統(tǒng)回收率增大，但有一極大值點，在該點處系統(tǒng)各段末端濃差極化值達(dá)到極限值，回收率達(dá)到*大．隨后，系統(tǒng)收率隨著加壓值的增加，系統(tǒng)回收率呈下降趨勢(見圖6)．    段間加壓工藝與淡水背壓工藝的加壓值的變化對系統(tǒng)能耗的影響不同，段間加壓工藝隨著加壓值的增加，單位產(chǎn)水量能耗降低，且有一極小值點，該點對應(yīng)的橫坐標(biāo)與系統(tǒng)達(dá)到*大回收率時的橫坐標(biāo)一致．對系統(tǒng)采用段間加壓工藝，可以均衡系統(tǒng)通量分布，即有一*佳段1"~3DI：I壓值，使系統(tǒng)兩段通量均衡，該*佳加壓值小于系統(tǒng)達(dá)到*大回收率時對應(yīng)的加壓值，但兩值相差不大．淡水背壓工藝需要一定的水力損失，單位產(chǎn)水量能耗比段間加壓工藝所需的能耗值大，淡水背壓工藝隨著加壓值的增加單位產(chǎn)水量能耗也隨之增加(見圖7)．

 

 

系統(tǒng)加壓值的變化對系統(tǒng)脫鹽率的影響不大，系統(tǒng)脫鹽率幾乎不變．