某飲料廠二級反滲透純凈水系統(tǒng)深化設計及優(yōu)化運行

摘 要：蘭州市某飲料廠10 t/h反滲透純凈水系統(tǒng)在設計時考慮應對惡劣水質(zhì)和水質(zhì)異常事件，采用二級二段結(jié)構(gòu)冗余設計。在蘭州市城市自來水水質(zhì)較好的情況下，系統(tǒng)的冗余設計為裝置節(jié)水減排與經(jīng)濟運行提供了可能性，在施工和使用過程中，通過深化設計和優(yōu)化運行措施可以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。本研究系統(tǒng)分析了深化設計及優(yōu)化運行的幾項措施，為進一步完善設計、指導生產(chǎn)、降低消耗提供理論參考。

關(guān)鍵詞：反滲透；節(jié)水減排；優(yōu)化運行；深化設計

中圖分類號：TS275

蘭州市某飲料廠10 t/h反滲透純凈水系統(tǒng)，采用二級二段結(jié)構(gòu)冗余設計。冗余技術(shù)是提高控制系統(tǒng)可靠性的一種技術(shù)和最有效的方法之一 。該飲料廠設計因考慮到惡劣水質(zhì)和水質(zhì)異常事件，系統(tǒng)的冗余設計可提高裝置節(jié)水減排與經(jīng)濟運行。本研究將系統(tǒng)分析在使用過程中通過深化設計和優(yōu)化運行措施，為指導生產(chǎn)和降低消耗提供依據(jù)。

1 基本工藝及流程

1.1 原工藝流程

蘭州市某飲料廠10 t/h反滲透純凈水系統(tǒng)，采用二級二段結(jié)構(gòu)的冗余設計。設備基本工藝及流程如圖1所示。

1.2 ROSA 9.1軟件模擬計算運行結(jié)果

利用ROSA 9.1軟件模擬計算該反滲透純凈水生產(chǎn)系統(tǒng)水利用率，結(jié)果見表1，該系統(tǒng)水利用率為42.4%。

2 優(yōu)化運行思路及措施

2.1 二級濃水回用

二級濃水水質(zhì)分析，一二級系統(tǒng)脫鹽率分別在98%以上，二級反滲透系統(tǒng)淡水回收率約為75%，可假定二級系統(tǒng)水中陰陽離子全部進入濃水側(cè)，則TDS二級濃水=4×TDS二級進水，由于TDS二級進水=TDS一級淡水= TDS一級進水×（1-0.98），則TDS二級濃水=4×TDS一級進水×（1-0.98）=0.08TDS一級進水。可見TDS二級濃水﹤TDS一級進水，二級濃水水質(zhì)遠遠好于一級進水水質(zhì)。二級濃水進入原水能降低原水TDS，改善出水水質(zhì)，同時減輕預處理系統(tǒng)負擔。設計新增二級濃水回困線①如圖2所示。二級濃水水量分析，設一級進水量為x，二級濃水量為y。在一級、二級水利用率分別為75%、75%情況下，二級濃水量y=75%×（1-75%）x=0.187 5x，則y/x=0.187 5=18.75%，二級回水量占一級進水量的比例較大，節(jié)水18.75%。

2.2 一級濃水部分回用

根據(jù)系統(tǒng)進水水質(zhì)要求計算，二級淡水出水要求TDS≤5 mg/L（電導率約為10 μs/cm）考慮裕量確定中控指標≤4 mg/L，二級系統(tǒng)脫鹽率按99.8%的計算，則原水水質(zhì)上限要求為4/（1-0.998）=2 000 mg/L。

生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生要求規(guī)定集中式供水出廠水TDS≤1 000 mg/L[1]。蘭州市城市自來水在正常情況下TDS≤300 mg/L，遠小于膜的容許使用極限濃度和系統(tǒng)進水要求2 000 mg/L。因此設計新增一級濃水回用線②，如圖2所示。將一級反滲透濃水引入原水一部分，只要混合進水TDS≤2 000 mg/L，在一二級脫鹽率均為98%，系統(tǒng)整體脫鹽率為1-（1-98%）2=99.96%情況下，發(fā)揮一級反滲透高脫鹽率的優(yōu)勢，找到平衡回水流量，最大可能地節(jié)約原水用量，從而降低裝置整體能耗。

膜的最佳運行效果和使用壽命受系統(tǒng)運行參數(shù)影響較大，水質(zhì)、水溫、進水流量、操作壓力、回流量等因素的組合可利用陶氏化學公司膜分離事業(yè)部ROSA軟件模擬測試，通過不斷增大回流比，得到無警告值下的各種運行參數(shù)[2]。同時，可以模擬不同水質(zhì)，采用逐漸逼近法，得到不同原水水質(zhì)條件下的進水量和一次濃水回流量，可供實踐中參考調(diào)整。由表2反映出，一級濃水回流8.5 t（回流比82.5%）時的裝置運行狀態(tài)。可見，系統(tǒng)水利用率可達86.6%，原水使用量大幅降低，裝置水耗及排放進一步降低。在擴大和濃水回用的同時，由于一級進水離子濃度的提高，相應帶來一級膜的負擔增加，對膜的阻垢劑添加量需要重新評估調(diào)整，對膜的結(jié)垢影響需進一步觀察評估，最終確定合理的一級濃水回流比。

2.3 一級淡水線前后跨接

正常情況下，蘭州市城市自來水TDS≤300 mg/L，經(jīng)一級反滲透處理后，水質(zhì)可達到飲用純凈水標準。因此，在一級膜新裝初期（膜效率處于高效率期），完全可以不啟用二級反滲透系統(tǒng)，采取將一級淡水線跨接到成品線的方式直接出水，節(jié)約50%的膜消耗和50%的電能。同時產(chǎn)水能力比設計產(chǎn)水量大30%，單位能耗進一步降低。當一級出水水質(zhì)接近10 μs/cm的臨界值時，由于一級出水量13 tgt;設計產(chǎn)量gt;使用量，在此前提下可采取將富余一級淡水逐步回流到原水的辦法，改善進水水質(zhì)，盡量延長一級膜的單獨使用周期，推遲二級膜的啟用時間，盡可能降低膜消耗和能耗。設計新增一級淡水跨接到原水線③，新增一級淡水跨接到成品水線④，如圖2所示。

2.4 起停抗沖擊設計

為避免膜元件的損壞，在啟動、停機、清洗或其他過程中，應避免壓力或流量的急劇變化，根據(jù)《陶氏膜產(chǎn)品與技術(shù)手冊》中操作指南要求，介質(zhì)進入膜元件應逐漸升壓，升壓到正常運行的時間不少于30～60 s，進入膜元件的流速也應該逐漸增加，流速達到規(guī)定值的時間不應小于15～30 s。現(xiàn)行操作中開停都用電磁閥控制，易產(chǎn)生劇烈沖擊，對膜的經(jīng)濟運行壽命產(chǎn)生影響，可采取措施在一二級濃水出口加裝背壓閥，斷開電磁閥，開機后手動操作，30～60 s完成升壓或降壓過程。也可以調(diào)節(jié)閥代替電磁閥，在PLC中設置0%、30%、60%、100%等4點開度值，隨時間間隔地延時控制，以解決升降壓的過快問題。

2.5 停機前沖淡水保護

《陶氏膜產(chǎn)品與技術(shù)手冊》中規(guī)定了膜使用間隔周期，加阻垢劑為8 h，不加阻垢劑10 h，淡水保護4 d。由此可見，目前加阻垢劑后的水中形成的大分子集團長期靜置易附著于膜表面，降低膜的效能，若增加淡水到高壓泵前的流程，停機前用淡水沖洗保護膜元件，不僅能延長使用間隔，同時可減緩膜的污堵程度。

2.6 交替換膜降低膜的消耗

一級膜負荷重，二級膜進水已為純凈水源，因此，一級膜率先失效后，應依次用二級膜替換一級膜，二級膜持續(xù)用新膜，從而延長膜的使用壽命。當膜出口電導率上升后，首先應在分段取樣口檢查對比，排除局部段密封漏水或個別元件損壞的可能，確認系統(tǒng)膜的效率下降后再決定清洗和更換方案。

3 優(yōu)化運行措施后的效益效果

通過深化設計，優(yōu)化反滲透純凈水系統(tǒng)運行措施，實行二級濃水回用，節(jié)水并減輕系統(tǒng)負擔，改善出水水質(zhì)，節(jié)水18.75%。一級濃水部分回用減少濃水排放，節(jié)水減排效益明顯，水利用率由42.44%提高到86.6%。采用一級淡水線跨接，明顯降低膜的消耗，節(jié)能，適用期節(jié)約50%的膜消耗和50%電能。起停抗沖擊設計和停機前沖淡水保護設計，可有效延長膜的使用周期。交替換膜可降低50%的膜消耗。

4 結(jié)語

蘭州市某飲料廠10 t/h反滲透純凈水系統(tǒng)，在蘭州市城市自來水水質(zhì)較好的情況下，二級二段結(jié)構(gòu)的反滲透冗余設計為裝置節(jié)能減排與經(jīng)濟運行提供了可能性，通過深化設計和優(yōu)化運行措施可以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。該設計的完善及生產(chǎn)運行經(jīng)驗也值得在同類裝置中推廣應用，在節(jié)能減排降耗過程中發(fā)揮重要作用。

參考文獻：

[1]" 國家衛(wèi)生健康委員會. 生活飲用水衛(wèi)生標準：GB 5749—2022[S]. 北京：中國標準出版社，2022：3.

[2]" 佚名3. 反滲透膜的主要性能參數(shù)與運行工況條件[EB/OL]. （2021-05-15）[2022-07-02]. https：//wenku.baidu.com/view/dc5c482574a20029bd64783e0912a21615797f85.html.