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工程设计、施工、安装、调试、试运行过程中，超滤—反渗透系统也暴露出一些问题。总结运行的经验与简讯，归纳与膜处理系统相关的主要问题有如下两方面：
（1）膜污染对系统危害很大，需要切实有效的方案对被污染的膜进行清洗；
（2）反渗透系统产水效率存在沿程降低的现象，亟待优化设计。
2 超滤技术及其优化设计
2.1 超滤技术
液体通过超滤膜进行分离的膜过程称为超滤（UF）。超滤膜孔径范围为0.001 μm（接近微滤）～1 nm（接近纳滤），工作压力一般为0.1～0.5 MPa。超滤过程以静压力为推动力。此外，超滤几乎不能截留无机离子。
超滤的几个基本参数：
（1）渗透通量：反映的是膜面积、时间、渗透物体积三者之间的关系，单位：m3/（m2·h）。
（2）截留率：对于给定的超滤膜系统，用高浓度侧物料浓度与渗透物料浓度之差和高浓度侧物料浓度的比值来表示某种物料的截留率。
（3）回收率：膜的物料平衡过程用如下公式计算
（1）
（2）
其中，Q——流量，C——浓度。那么，回收率η为
（3）
2.2 超滤系统优化设计
超滤系统优化设计采用节能型膜系统——全流过滤超滤系统，其产水率可达75～85%，节能效果显著。
在采用了全流过滤的超滤装置中，系统设置两台泵，在不同过程中交替运行。过滤时，P01泵运行，提供进水所需压力；反洗和化学加强反洗时，P02泵运行，超滤的过滤出水同时用于反洗和化学加强反洗；系统化学加强反洗时，P03加药泵在反洗水中加入化学清洗剂，如图1所示。这种设计使得系統运行能耗通常不到0.1 kWh/m3。
3 反渗透技术及其优化设计
3.1 反渗透技术
反渗透（RO）是渗透过程的溶剂反向迁移运动的过程，而反渗透除盐技术是利用压力作为驱动力，将溶液中的溶质与溶剂分离的一种方法。这个过程并非是利用半透膜的选择截留作用，故能阻挡分子量大于100的有机物和几乎所有溶解性盐，脱盐率可达97%以上。
反渗透主要工艺指标有：透水率、盐透过率和脱盐率。
（1）透水率：单位时间内通过单位膜面积的水体积通量；
（2）盐透过率：溶液中盐透过膜的速率，与压力无关；
（3）脱盐率S：膜对水溶液中盐的脱除能力，在膜制造成形时就已确定。可由
（4）
计算。其中，C进、C产、C均分别为进水含盐量、产水含盐量和平均给水浓度。
3.2 反渗透系统优化设计
在实际应用中，反渗透系统产水率会发生沿程降低的现象。因此在反渗透系统优化设计中，最需考虑的就是如何最大限度提高产水率。
针对应用广泛的超低压系列膜的选型，为了改善反渗透系统前后段产水不平衡的状况，在工程设计中主要通过三种方案进行优化设计比选。
第一种优化设计如图2（a）所示，采用高透水性的ESPA4膜，在第一段的产水管道上设置节流阀门。该阀部分关闭时，会增加产水端压力（增压45 psi）。产水背压增加会直接导致平均净驱动压力（NDP）的降低，也即第一段膜元件的通量会降低。为了平衡第二段膜元件的通量，需要增加进水压力来补偿第一段膜通量的损失，但这是通过加大能耗来实现的，其结果是抵消了采用节能型膜元件的初衷。
第二种优化设计如图2（b）所示，采用高透水性的ESPA4膜，在第二段进水管路上设置增压泵（增压45 psi）。本方案节能效果最明显，各段膜的产水效率均衡，同时避免了第一种方案中将进水压力集中增加在第一段，而使两段背压不均衡的问题。此外，两段产水量平衡状况得到改善，背压趋于平衡、合理。但增加了设备投资。
第三种优化设计是分别在两段采用不同性能型号的膜元件：第一段采用低透水性的ESPA1膜，第二段采用高透水性的ESPA4膜。这种混用方案的进水压力比单独使用ESPA4膜的进水压力高，且与方案一中的压力沿程分布状况比较接近。本方案的优点是：第一段透水性较低的膜的脱盐率较高，既解决了均衡分布产水通量的问题，又使产水品质得到提高。因膜元件不同，该方案会少量增加管理成本。
图3给出了三种优化方案产水通量的沿程分布曲线。可以看到：方案一和方案二对产水通量平衡的作用基本相同，故曲线后半段收敛一致。在两种膜混用的方案三中，产水通量平衡效果明显更好。事实上，应用三种设计方案的任何一种，均对改善通量分布有效，但在某些设计中，ESPA4膜的节能效果体现不明显。
除了膜通量之外，能耗也是应予考虑的问题。在反渗透系统计算中，一般用特性能耗（SPC）比较各种方案的节能效果。设置运行条件如下：产水通量平均按13.5gfd控制，总溶解固体（TDS）按1 500 ppm控制，回收率按15%控制。在温度25℃和pH=7的条件下，计算各方案的特性能耗，归纳于表1。可见，方案二的节能效果最好。
4 工程应用
4.1 工程设计
超滤系统工程设计中采取以下措施：
（1）进水泵流量按照“进水流量=产水流量+浓水流量”的原则进行设计选型，完全可以满足清洗流量的要求；
（2）系统管路布置设计采用分段清洗；
（3）流量计按清洗时的最大可读取流量设计选型；
（4）浓水管路系统中浓水管路、阀门管径和阀门尺寸按同时满足运行流量和清洗流量进行设计计算。
4.2 系统运行
通过工程设计，膜污染情况得到有效控制，清洗效率大大提高，同时清洗成本也控制在合理水平。由运行记录可以得知：
（1）超滤系统运行压差能够稳定在0.06～0.08 MPa之间，产水流量在73 m3左右，出水水质稳定。
（2）反渗透系统各段运行压力较为平稳。系统产水率达75%，满足系统产水率≥70%的要求；反渗透脱盐率≥98%。水质指标全面达到回用标准，满足系统设计要求。
反渗透处理后出水水质总结于表2。
5 结论与建议
本文提出基于超滤—反渗透工艺的工业废水回收利用设计方案，该工艺系统运行稳定可靠，出水水质优良，满足回收利用水质要求，其主要结论如下：
（1）段间设增压泵方案的多段反渗透系统节能效果最好；
（2）分段清洗是清洗多段系统装置最有效的方法；
（3）反渗透装置脱盐率保持98%以上，使得产水电导率小于25 μS/cm。回收率达75%，产水量稳定，达到了回收利用的水质要求。
本工程还有需要进一步改进的问题：
（1）更高性能的膜和组件的采用，促进废水回收率的进一步提高；
（2）膜污染防治清洗技术的完善，以期带动产水率、降低能耗、延长膜元件寿命的提升。
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发表于 2022-2-27 18:27:20