反渗透脱盐技术在市政给水工程中的应用

反渗透脱盐技术在市政给水工程应用中的

自控及仪表系统设计

刘剑峰

［中国市政工程西北设计研究院有限公司甘肃兰州 730000］

【摘要】本文简要介绍了反渗透的概念、反渗透膜的类型及反渗透脱盐技术的应用，重点结合具体工程实践，详细介绍了该技术在市政给水工程应用中的自动控制及仪表检测系统的设计实践。【关键词】反渗透市政给水工程设计自动控制检测仪表

一、渗透与反渗透

渗透及反渗透是一种物理现象，含有盐份的水有一种自然渗透压力，当把含盐水(又称原水)与纯水用微孔直径为万分之一微米的半透膜隔开时，纯水由于渗透压的作用将透过半透膜而进入原水侧，称为渗透。相反，要是在原水侧施加一高于其本身渗透压的压力，则原水中的水分子将透过半透膜而进入纯水侧，而原水中的溶解盐类、细微杂质、有机物、胶体、微生物等成分却不能透过半透膜进入纯水侧，这就是反渗透。这种半透膜也被称之为反渗透膜。基于此种原理，人们根据实际需要制造各种各样的反渗透膜，并将其应用于水处理领域，用于去除水中的上述各种杂质，以获取纯水。这就是反渗透脱盐技术。

二、反渗透脱盐技术简介

反渗透(Reverse Osmosis，缩写为RO)脱盐技术是当今世界公认的最为先进、最为有效的膜分离水处理技术。该技术广泛应用于苦咸水淡化、海水淡化、纯水制备、废水处理等多个领域，其主要特点是物理方法除盐。它具有盐分去除率高（可达97%～98%）、出水水质稳定、可连续生产、操作简单、自动化程度高、废水排放少、占地面积小、适用水质范围宽等特点。

反渗透膜是一种高分子材料，它是反渗透技术应用的核心。目前得到广泛应用的反渗透膜，按其制造材料化学成分的不同，可以分为两大类：一类是醋酸纤维膜，简称CA膜；另一类是芳香聚酰胺膜，简称PA膜。

常用的膜元件有四种结构形式,分别是：平板式膜元件、圆管式膜元件、螺旋卷式膜元件和中空纤维式膜元件。在工业软化水领域，使用最普遍的是螺旋卷式膜元件。具体使用时，一般是将1～8个卷式膜元件串联起来装入一个圆柱形力容器,形成一个膜组件，再通过若干膜组件的并、串联组成一套反渗透装置。

三、反渗透脱盐技术市政给水工程应用实例

1、项目由来

甘肃某自来水厂现采用“沉淀—过滤—消毒”一体的净水处理工艺，建有一体化净水车间一座，出水经加压送至市政管网。出水因部分重离子含量偏高导致水质不达标，决定实施技术改造。几经论证，最终选择采用反渗透脱盐技术，对一体化车间出水实施深度处理，去除含量超标的重离子，保证出水达标。

2、技改方案简介

2.1、工艺流程

技改方案是在水厂现有处理工艺的基础上，增加“反渗透脱盐”处理单元，形成“提升—加药沉淀—消毒过滤—V型滤池—反渗透脱盐—加压送水”的处理工艺。新建V型滤池、深度处理车间、反冲洗泵房和送水泵房各一座。反渗透脱盐装置主机及辅助设备安装在深度处理车间，V型滤池作为反渗透脱盐的预处理单元，反冲洗泵房提供V型滤池的气、水反冲源。

2.2反渗透脱盐系统

本工程反渗透脱盐系统包括并联运行的四套生水反渗透装置和一套浓水反渗透装置。

生水反渗透装置的膜组件排列方式为一级两段式，共安装33只膜组件，按20：13排列，第一段由20只膜组件并联而成，第二段由13只膜组件并联而成。第I段与第II段串联，I 段的浓水作为II段的进水，两段的产水（又称淡水）一同汇入吸水井，第II段的浓水排入浓水池。

为提高水资源利用率，减少浓水排放量，系统还配置有一套浓水反渗透装置，对生水反渗透装置排入浓水池的浓水实施进一步的脱盐处理。该装置同样采用一级两段式排列,共安装15只膜组件，按10：5排列，产水汇入吸水井，

浓水作为最终废水排放厂外。经过上述处理后，本脱盐系统的产水率可达到约82%～85%的水平。

另外，系统还设计有阻垢剂加药装置，还原剂加药装置，pH调节装置及化学清洗装置等。

3、自动控制系统构成

该水厂现有处理系统建成时间较早，工艺简单、流程单一，仅滤池行车式移动钟罩自带PLC控制器，完成过滤、反冲的程序控制，没有形成全厂的自动控制系统。本次改造，将新建V 型滤池及反渗透脱盐装置，它们的正常、稳定、可靠、高效运行极大程度取决于控制系统的自动化程度，因而组建改造后水厂的自动控制系统也就成为必然。根据本工程特点，选择采用“PLC+监控计算机”形式的分布式智能监控系统，监控系统构成详见自控系统结构图。

图一：自控系统结构图

本控制系统划分为两个控制层级：

1）管理控制层（由设在中央控制室的工程师站和操作员站为其硬件构成）

2）现场控制层（由设在各相应工作现场的PLC控制站为其硬件构成）

选择全开放式、关系型、面向对象、支持实时多任务的标准工业以太网（TCP/IP协议）为本控制系统的通讯网络，采用星形拓扑结构。中央控制系统通过工业以太网与现场PLC控制站通讯，对全厂设备运行进行集中管理、监控；现场PLC控制站通过电缆直接连接现场设备、检测仪表，对现场设备状态信号、电量信号、仪表信号进行采样，并实施控制。当中心监控管理系统或通讯网络发生故障而导致通信中断时，各PLC现场控制单元仍然能够独立有效地工作，以确保主要工艺设备的连续、稳定、安全运行。

本控制系统共设置三座PLC现场控制站。分别为：

1）PLC1：V型滤池PLC现场控制站

2）PLC2：反冲洗泵房PLC现场控制站

3）PLC3：深度处理车间PLC现场控制站

PLC3现场控制站功能为（其他PLC站控制功能从略）：

1）通过设置在深度处理车间内的各在线检测仪表，采集：

a)生水及浓水反渗透装置的进水温度及pH 值

b)反渗透高压泵前后压力、生水及浓水反渗透膜组各段运行压力

c) 生水及浓水反渗透装置的产水流量、浓水流量

d) 生水及浓水反渗透装置的进水电导率、产水电导率

e)生水反渗透装置进水氧化还原电位

f）浓水池液位、各药剂投加装置溶液箱液位

2）采集反渗透高压泵、加药计量泵、化学清洗泵及参与自动控制的各电动阀门工况信号；

3）根据预先编写完成的控制程序实现自动控制；

4）与中心控制计算机通讯，上传各在线仪表检测参数及各阀门工况信号，接受中央控制系统的控制。

根据本工程具体情况，水厂现有一体化净水处理系统各设备的控制仍保持目前的控制方式，未纳入新组建的自动控制系统之中。

4、检测仪表的设置

为保证反渗透膜的长期稳定安全运行，生产厂家都规定有膜元件使用时的控制参数，这些参数包括：操作压力、进水流量、进水温度、进水pH值范围、进水浊度、进水SDI、进水余氯、浓缩水与透过水量的比值和压力损失等，运行时必须将反渗透装置的实际工况严格控制在上述参数的允许范围之内。

根据水源种类、水质状况及产水用途等具体情况，本技改工程的反渗透脱盐系统设置了如下在线检测仪表（参见下页图二。本图以1#生水反渗透装置为例绘制，其余各套装置的仪

图二：生水反渗透单元仪表检测图

表设置均与此套基本相同）： 4.1、温度检测仪表

4.1.1、温度对反渗透装置运行工况的影响

本工程地处甘肃，四季温度变化明显，昼夜温差很大，加之水源为地表水，因此水温会随季节的变化、随着一天不同时段的变化而呈现较大差异。水温的变化对反渗透装置的系统压力、产水水质、产水量都会产生较大影响。下面对这种影响做一个简单的说明。

1）温度对系统压力的影响

水的流动性是随温度变化而变化的。当水温升高时，水的粘滞度减低，流动性增强；当水温降低时，水的粘滞度增强，流动性减弱。

在系统其他运行参数不变的条件下，随着水温的变化，反渗透装置的系统压力也会随之变化。具体表现为水温升高，系统压力降低，水温降低，系统压力升高。

2）温度对产水量的影响

当系统的其他运行参数不变时，供水水温升高，膜的水通量增加，反之则减少。根据资料，供水水温升高或降低1～2℃，一般产水量可增大或减少2%～3%。

3）温度对产水水质的影响

当系统的其他运行参数不变时，供水水温升高，膜的盐透过量同时增大。盐透过量增大的幅度要大于水通过量的增加幅度。导致反渗透膜的脱盐率下降，产水电导率升高。根据有关研究资料，供水水温升高或降低1℃，产水电导率升高或降低1～2μs/cm 。 4.1.2、仪表的设置：

每套反渗透装置进水设温度检测。选用在线式“pH+温度”组合检测仪表，在检测进水pH 值的同时一并检测进水温度。因四套生水反渗透装置并联运行，pH 调节装置向其分别投加药剂，故此每套装置各设有一个检测点。检测仪表传感器分别安装于每根进水管的取样管上，变送器就地操作盘盘面安装，具备就地指示功能。温度检测参数以4～20mA 标准信号形式上传至自动控制系统，实现指示、记录功能，并作为高压泵变频控制的反馈信号。同时安装仅用于就地显示的双金属温度计。

4.2、压力检测仪表

通过前述可知，反渗透的产水水质、产水量除与温度有关外，还与系统的运行压力有关，膜的压密化程度也与运行压力有关。另外，温度和压力还是对淡水水量和脱盐率进行 “标准化”换算的依据。通过换算，可以对反渗透系统不同运行时段的性能进行比较，并进行故障诊断。

每套反渗透装置的进水管、第一段浓水出水管和第二段浓水排放管分别设置压力检测点，安装在线式压力变送器，压力检测参数以4～20mA 标准信号的形式送入自动控制系统，具备指示、

记录和越限报警功能。自控系统实时监控反渗透装置段前、段中和段末的运行压力，并计算各段压降，确保系统始终处于设计允许的工况范围内。

高压泵进水口安装压力开关。当进水口实际压力低于预先设定值时，输出一个开关量报警信号至自动控制系统，如压力持续偏低超过预先设定的时限仍不回复正常，则连锁停高压泵。

高压泵出水口安装压力开关。当出水口实际压力高于预先设定值时，输出一个开关量报警信号至自动控制系统，如压力持续偏高超过预先设定的时限仍不回复正常，则连锁停高压泵。

高压泵出口安装弹簧管压力表，用于现场指示泵口压力。保安过滤器进口、出口安装弹簧管压力表，便于及时掌握滤芯的堵塞情况。

4.3、流量检测仪表

4.3.1膜组件的最大给水流量和最低浓水流量

每一反渗透膜生产商都对其膜组件的最大给水流量和最低浓水流量设定有限值。

设定最大给水流量用来保护膜组件中的第一根反渗透元件，使其进水与浓水压力差一般不超过10pis（约为0.07Mpa）。过高的进水流量会使膜元件两侧压力差增高，过高的压力差有可能使膜元件端部窜出，并使进水格网变形，最终致使膜元件损坏。

难溶性盐和胶体颗粒是造成膜污染的主要物质。膜被污染后，主要表现为产品水量降低，膜系统压差增大，有时也会影响脱盐率。为控制反渗透系统中膜的污染速度，选择最佳的膜表面横向流速至关重要。给水和其产生的浓水在膜表面的横向流速越高，膜的受污染程度就越低，当给水和浓水水流穿过给水/浓水格网时，高横向流速可增加水的湍流程度，从而减少胶体颗粒在膜表面上的沉淀或在格网空隙处的堆积。较高的横向流速也提高了膜表面上高浓度盐分向主体溶液的扩散速度，从而减少了难溶盐沉淀在膜表面上的危险。

设定最小浓水流量主要是用来保护膜组件中末端的反渗透元件。如前所述，反渗透装置运行时，如果浓水流量太小，则不能保证膜元件表面有足够的浓水横向流速，横向流速度太慢，一方面使水流携盐能力下降，加剧浓差极化，另一方面增加水中颗粒物质（主要是胶体）在膜表面的沉积，加速膜元件的污染速度。

4.3.2仪表设置

每套反渗透装置各设置三个流量检测点，分别是：I段产水流量检测，II段产水流量检测，排放浓水流量检测。

I段、II段产水流量计分别设置以便实时监控反渗透单元运行中每一段淡水流量的变化，并对膜组件的性能数据进行“标准化”换算。安装浓水流量表，以便于在运行中监督和控制浓水排放量，严防浓水断流的现象发生。

根据各段淡水流量表和浓水排放流量表的检测数据，可以计算各段的进水流量、回收率和整套反渗透装置的回收率。换算出的进水流量参数同时作为系统中各药剂投加装置自动投加量控制的依据。

流量测量选用超声波流量计。流量计传感器管道上安装，变送器就地操作盘盘面安装，具备就地指示瞬时流量和累计流量功能，流量检测信号以4～20mA标准信号形式上传至自动控制系统，实现显示、记录、累计功能，并完成药剂投加量的自动控制。

4.4、电导率检测仪表

每套反渗透装置各设置两个电导率检测点，分别是：进水电导率检测和产（淡）水电导率检测。安装在线式电导率检测仪，进水电导率检测仪传感器安装于各装置进水取样管上，产(淡)水电导率检测仪传感器安装于各装置第二段产(淡)水取样管上，变送器就地操作盘盘面上安装，具备就地指示功能。检测信号以4～20mA标准信号形式上传至自动控制系统系统，实现指示、记录和报警功能，当电导率异常时，可以联动排放阀，排放不合格产（淡）水。通过进水和产（淡）水电导率可以计算反渗透装置的脱盐率。

4.5、pH值检测仪表

为防止反渗透膜的高分子水解，需要控制膜元件的进水pH值。

本工程反渗透脱盐装置选用的是醋酸纤维素膜(CA膜），其进水pH值允许范围较窄，生产厂家的规定为4.5～6.5，即进水应呈现酸性。

为此本脱盐系统专门设计了盐酸自动计量投加装置，以调节反渗透单元的进水pH值，满足膜元件使用的技术要求。

每套反渗透装置进水设pH值检测。选用在线式“pH+温度”检测仪表，在检测pH值的同时一并检测进水温度。传感器安装于进水取样管上，变送器就地操作盘盘面安装，具备就地指示功能。

pH检测参数以4～20mA标准信号形式上传至自动控制系统，实现指示、记录、越限报警功能，同时控制排放不合格进水，配合进水流量控制盐酸投加量。

4.6、余氯分析仪表

4.6.1进水杀菌处理的必要性

水中有机物一般为微生物的饵料，含有微生物和有机物的水进入反渗透膜组件后，会在膜表面发生浓缩，造成膜的生物污染。生物污染会严重影响膜性能，其特征主要是运行初期反渗透模组单元第一段的压差升高，逐渐第二段压差升高，严重时甚至可以导致膜元件变形，水通量下降。由于生物粘泥附着力强，一旦发生严重污染，则很难清除。微生物（如细菌）还会破坏醋酸纤维素高分子中的乙烯基，引起CA膜的脱盐率下降。

对于使用地表水、市政废水和循环冷却水作为水源的反渗透装置，因其生物活性较高，尤其应重视杀菌处理。

4.6.2杀菌方法

防止微生物侵蚀膜元件的通用方法是对反渗透装置的进水实施杀菌处理。常用的杀菌剂是具有氧化能力的氯化物，如Cl2,NaClO等，一般很少采用臭氧和紫外线杀菌,因为它们不具备残余消毒消毒能力。加氯点应尽可能安排在前序工序中，以便有足够的接触时间，在原水进入膜元件前完成消毒过程。膜组件允许进水中余氯的含量视膜材料的不同而有所差异，使用CA膜时，装置进水中要求保持0.1～0.5mg/L 的游离氯，但为防止反渗透膜被氯氧化分解，其最高含又不得超过1mg/ L；而使用PA膜时，加氯消毒后应完全去除残余，余氯含量应为0。消除余氯的方法主要有两种，一种为还原法，即加入NaHSO2或Na2SO3脱除氯；另一种方法为吸附法，即采用活性炭等吸附余氯。

4.6.3仪表设置

本工程水源为地表水，反渗透装置采用CA 膜，前处理工艺采用加氯方式消毒灭菌，因此控制反渗透膜组件的进水余氯含量，成为延长膜的使用寿命，保证装置稳定连续运行的又一个关键。

本工程在反冲洗泵房设在余氯检测点，安装在线式余氯检测仪。检测仪传感器安装在生水反渗透提升泵出水取样管上，变送器安装在现场就地仪表箱面板上,具备就地指示功能。余氯检测参数以4～20mA标准信号形式上传至自动控制系统，实现指示、记录、越限报警功能，并控制前处理工段的Cl2投加量。

4.7、氧化还原电位分析仪表

本反渗透脱盐系统采用还原法消除余氯，设计有还原剂投加装置，投加点设在生水反渗透装置高压泵前的进水管上。

每套生水反渗透装置设置氧化还原电位检测，安装线式氧化还原电位分析仪。分析仪传感器设在反渗透装置进水取样管，变送器就地操作盘盘面安装，具备就地指示功能。氧化还原电位检测参数以4～20mA标准信号形式上传至自动控制系统，实现指示、记录、越限报警功能，并与进水流量计配合，实现还原剂的自动投加。

4.8、浊度检测仪表

反渗透膜要求进水浊度NTU＜1，控制进水浊度的目的在于防止膜的表面被划伤，尽可能降低膜被污染的几率，同时也可防止浊质颗粒划伤高压泵叶轮。

本工程浊度检测点设在V型滤池出水口，安装在线浊度分析仪。分析仪传感器设在V型滤池出水总管取样管，变送器就地挂墙安装，外置仪表保护箱，具备就地指示功能。浊度检测参数以4～20mA标准信号形式上传至自动控制系统，实现指示、记录、越限报警功能。

4.9、液位检测仪表

本工程浓水池、阻垢剂计量箱、还原剂计量箱、酸溶液计量箱、反冲洗水箱等均设有液位检测点，安装超声波或静压式在线式液位检测仪。根据具体使用情况，具备或不具备就地指示功能。液位检测值以4～20mA标准信号形式上传至自动控制系统，实现指示、记录、低液位报警、低低液位停泵功能。

4.10、SDI（淤塞指数）的检测

SDI是表示微量固体颗粒的水质指标，测定方法为过滤法。本工程选择采用离线手工定期测量方式。

5、进水高压泵的变频控制

反渗透装置正常的运行方式是保持流量恒定，稳定水质，达到设计要求的回收率。本工程以V型滤池出水直接做为反渗透装置的进水，每套反渗透装置对应一台高压泵，没有进水加

热装置。为此，本设计对反渗透高压泵采用变频控制，根据装置进水温度的变化随时调节高压泵的出口压力，使反渗透装置保持相对恒定的运行压力，一方面消除进因水温度变化对产水水质和水量变化的影响，其具体调节方式为：1）供水水温升高,将导致产水量增加，此时应降低高压泵供水压力，但同时应注意不能使产品水的TDS（总溶解固形物含量）高于设计规定的值；

2）供水水温降低，将导致产水水量减少，此时应提高高压泵供水压力，但应注意不能高于膜厂家规定的操作压力极限值。如果供水水温降低至调节压力也无法补偿产水水量时，则只能降低产水流量了。

通过严格控制膜的水通量，可以大大减小膜的浓差极化现象，确保产水水质，降低膜的受污染程度，提高膜的使用寿命。

另一方面，本工程为市政给水工程，反渗透装置的设计水量为可供应最高量，而城市生活用水负荷昼夜差异较大，通过对高压泵采用变频控制，低供水负荷时，反渗透装置在低给水压力下运行，以降低产水量，避免了反渗透装置的频繁开停，从而也延长了膜的使用寿命。在保证设备正常、安全运行的同时，降低了电能消耗。

6、反渗透脱盐系统的主要连锁关系：

6.1生水高压泵进口压力低的连锁与报警：

进水压力偏低时报警停泵，避免高压泵因空转造成泵体及叶轮损伤；

6.2生水高压泵出口压力高的连锁与报警：

由于本工程高压泵采用变频控制方式，故水泵出口不再设置电动慢开门。在系统启动时，如果根据预先设定的启动条件启动完成一定时间后，高压泵的出口压力仍高于水泵的最高压力，高压泵自动停止运行。

3.6.2生水高压泵与计量泵的连锁：本反渗透脱盐系统，包括四套单元制运行的生水反渗透装置和一套共用的加药系统，加药系统由阻垢剂加药单元、还原剂加药单元、酸溶液加药单元组成。当任何一套单元反渗透装置自动启动时，加药系统中各加药计量泵连锁启动，当四套装置全部停止运行时，各加药计量泵连锁停止。

3.6.3进水流量计与计量泵连锁：进水流量信号控制各计量泵按比例加药，各计量泵的加药量随给水流量的变化而变化。

3.6.4进水pH值的连锁控制：当进水pH值高于或低于预先的设定值时，控制系统在发出报警信号的同时，联动不合格进水排放阀，排放pH 值超标的进水，使之不能进入反渗透膜元件，直至自动停运反渗透装置。同时与进水流量计配合，实现盐酸溶液的自动投加。

3.6.5液位信号的连锁控制：浓水池、化学清洗水箱及各药液计量箱的液位均设置为高液位报警、低液位报警、低低液位停泵。

四、反渗透脱盐技术在市政水处理行业的应用

虽然反渗透脱盐技术先进、成熟，处理效果好，但对于市政行业而言，却也存在着一次性投资大、运行成本高（主要是电耗和各种药剂的消耗）、对人员的技术水平要求高等几个制约因素，从而限制了该技术的推广应用，尤其是在中西部地区的推广应用。

反渗透膜处理系统作为一种成熟的水处理工艺，在我国已经有了近三十年的成功应用历史，已为多个行业所认可和接受。相信随着膜技术的不断发展，新型膜产品不断涌现，膜处理工艺系统的不断进步，该工艺的投资造价、运行成本也会随之降低，反渗透水处理技术在市政行业的应用一定会会越来越多。

五、结束语

本文是一篇工程设计总结，因自控仪表专业与工艺专业关联紧密，故此作者根据自身的理解，站在自控仪表专业的角度对于反渗透水处理工艺做了一些粗浅的介绍，由于水平有限，加之从事的此类工程实践经验尚少，错漏之处难免，希望得到同行、专家的批评指正。

参考文献：

[1]、《火力发电厂化学水处理实用技术》中国电力出版社2006年版

[2]、《反渗透水处理技术》中国电力出版社 2004年