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 反渗透（RO）膜元件的排列方式

我们知道RO(反渗透）系统中难溶盐结垢，浓差极化现象，末端膜元件浓水流，均衡膜通量四大因素决定了系统极限回收率上限。其中浓差极化，末端浓水流，膜通量三者属于水利学范畴，可以通过改变膜系统结构予以提高，故膜系统设计需要优化系统结构以提高三者极限回收率。难溶盐则属于水化学范畴，只有通过预处理工艺或添加阻垢剂予以提高其极限回收率。一般而言，浓差极化极值状态下的难溶盐极限回收率往往成为提高膜系统回收率的最终限制。当然得出这个结论的重要前提是合理设计RO膜的系统结构！

一、什么是RO膜的系统结构？

RO装置的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（不一定是最高回收率）。

所以简单来说，RO膜的系统结构就是RO膜元件在装置中的排列方式。

我们常用A-B-C.../L这样的方式来表述。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

二、膜通量和末端浓水流合理设计

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

2.1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。

2.2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。

三、基本设计思路

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

膜元件串联数量限值的最高回收率

膜元件串联数量最高回收率表

我们套用上一篇文章的问题解答：为什么2T/H的小型设备为什么需要选用小膜(4040膜）？答：2T/H的RO装置，可以选择8支4040膜，采用5:3（串联）的二段式（分段最高回收率55%和42%）串联排列，串联系统最高回收率68%，而5:3的二段式可以有效保证前后段的末端浓水流及均衡膜通量。

不考浓差极化及难溶盐结垢的状态下，我们大体可以设计RO一段回收比例45%，RO二段回收比例35%。每小时进水量X状态下一段纯水产水量0.45X，一段单支膜壳末端浓水流0.55X/5=0.11X。二段纯水产水量0.55X*0.35=0.1925X，二段单支膜壳末端浓水流=（0.55X*0.65）/3=0.12X＞0.11X=一段浓水流，符合预期。系统综合回收率=（0.45+0.1925X）/X=64.25%＜68%符合基本原则。

反之，当我们选用8040膜，只能选择2支8040膜，采用1:1的RO膜串联排列，系统回收率32%，膜通量，浓水流均无法有效保障，不采用浓水回用的状态下，回收率元远远低于小膜，造成水资源浪费和额外的经济成本。

我们发现对于8支膜元件的二段式排列方式，系统采用了5:3(5-3/1)的排列方式其

一段给水流量（平均单支膜元件）=0.2X，二段给水流量=0.18X，维持了基本平衡。

一段浓水流量=0.11X，二段浓水流量=0.12X，符合末段浓水流量大于前段浓水流量要求。

备注：现实设计过程当中为了兼顾膜通量平衡实际采用3+2:3/3的排列方式（见后面表格），这种排列方式在设备体积上也会较5：3串联排列更为优化，但是在回收率上限方面不如后者（57%＜68%），其主要原因是水流行程由8米缩写为5/6米，当然实际的组合方式要根据具体需求选择。

四、表格数据分析

我们设定给水总流量X，一段产水总流量为X1，一段浓水总流量X2，二段给水总流量X2，二段产水总流量X3，二段浓水总流量X4，采用A-B/L（A和B此处不约分）结构，此时

一段给水流量=X/（A*L）,二段给水流量=X2/（A*L）

一段浓水流量=X2/（B*L），二段浓水流量=X4/（B*L）

总的回收率Y=(X1+X3)/X 一段回收率 Y1=X1/X 二段回收率Y2=X3/X2

表格计算中的系统回收率Y和一段回收率Y1主要参考膜元件串联数量最高回收率表，二段回收率Y2主要通过计算所得，Y1和Y2仅供参考。结合膜元件串联回收率表格，当L≥4时，实际设计的Y1接近或者大于50%，考虑到膜通量的平衡，为了维持后段给水流量，常采用2：1（此处已约分）的排列方式。而当膜元件数量有限或者比例无法很好调配时，可采用5：3的排列方式。极限情况下可能存在1：1的排列方式。

考虑到膜元件数量和排列方式组合为非线性状态，我们通过实际的膜元件数量穷举法制作成表格以供大家参考。其中Y=Y1+(1-Y1)Y2+(1-Y1)(1-Y2)Y3.... 二段式Y2=(Y-Y1)/(1-Y1)

通过实际的数据要求，我们发现当膜元件数量有限的时候，系统结垢的设计可选择性很小。综合考虑膜通量，回收率甚至是设备大小的时候都不得不做各种取舍（没得选）。

简单总结：

①表格中绿色部分是设计时一般情况下可采用的排列方式及其系统单流程回收率。

②整条黄色是对比项，对比同样膜元件可能不是最优解，但是也有可能实际使用。

③单项回收率黄色，实际的系统回收率小于膜元件串联最高回收率（膜通量不足），但是相对比之下已经是最优解了。

④整条红色相对于5支膜元件的另外一种排列方式，此种方式回收率当面差距过大，作为对比项存在。只有在不计较回收率且期望希望体积很小（比如一体机及整合机）的情况下适用）

⑤表格中没有表现大流量膜壳数无法整除的情况，现实中可能存在，一般采取实际装填数量＜设计装填数量（最后一只膜壳不装满，一般少1-2支）

⑥当膜元件超过4支时，合理设计的系统回收率可以达到50%以上，客观上解答了为什么3T/H以下纯水设备需要采用小膜的问题（选大膜，回收率无法保证）。

写在最后：本文可以简单作为上一篇极限回收率的补充，不是很全面，也没有做互相之间的比较。但是大家也可以看到，在膜元件数量较小的小型设备中，往往单纯的膜元件排列就限制了系统的极限回收率，此时，我们过度地关注系统结垢问题是不准确的。

结合实际情况具体分析是比较务实的，同时知道如何判断关键限值条件也需要理论结合实际以待更好服务客户。

国庆假期休息，下一篇预计时间10月15日左右，内容主要是关于RO装置的仪器仪表及运行参数控制