反渗透系统优化设计与运行（第二版）

第二版前言 
三十余年来，以反渗透及纳滤技术为核心的分离膜水处理技术得到了高速的发展，广泛应用于化工、冶金、电力、电子、造纸、纺织、印染、电镀、制药、食品、饮料及市政给排水等多个行业的水处理领域，已经成为海水及苦咸水淡化、纯水及高纯水制备、中水及污废水回用、浓盐水减排及分盐四大领域中的主体工艺技术。目前国内以反渗透及纳滤工艺技术为核心，已构成了相关产品及工程的投资、研发、设计、生产、销售、安装、运行与服务的完整产业链，形成了一个新兴且高速增长的分离膜水处理行业。 
目前的水处理工艺已发展成生化法及物化法的前处理、超微滤的预处理、反渗透的基本脱盐、电去离子的深度脱盐、纳滤分盐及碟管式反渗透的浓盐水减排等涉及多项技术的膜集成工艺体系。工程规模已发展到目前工业系统的每小时数千吨以及市政系统的每天数十万吨级水平。 
但是，由于反渗透及纳滤与超微滤技术发展的时间相对较短，行业发展迅速，水质条件恶化，工程对象各异，特别是相关的设计、制造、运行及服务等企业的专业技术水平参差不齐，致使不少工程存在各类问题。出现这些问题的原因：一是完整工艺理论及深入工艺研究的缺失；二是国内本专科院校未设相关专业及相关课程；三是系统设计及系统运行方面的书籍较少；四是相关专业技术培训的深度与广度不足。 
为了弥补上述缺失，本书讨论的主要内容包括：传统的给水预处理工艺，超微滤膜组件运行特性，超微滤的运行数学模型，给水泵运行与调频特性，反渗透膜元件性能参数，反渗透膜系统典型工艺，反渗透膜系统特殊工艺，系统污染、故障与清洗，元件与系统的数学模型，系统、管路及通量优化，二级系统与超纯水制备，海水淡化系统与浓盐水减排，脱盐与分盐纳滤工艺以及系统运行模拟软件介绍。 
本书关于超微滤工艺部分突出了测试得到的丝壁透水系数与丝程阻力系数，并根据流体力学原理与两项特性系数建立了内外压膜丝及膜组件的相关运行数学模型，进而得出了内外压膜丝的压力及通量分布特性、纯水通量特性及膜组件的容积率特性。 
本书关于反渗透工艺部分强调了元件三项特性参数、系统两项极限回收率、系统设计八项指标、设计指标十大关系、六支段的膜堆结构、倒向运行等特殊工艺、均衡通量与均衡污染、不同性能元件配置优化、系统管路结构优化、泵特性与双恒量运行模式、单元数量与运行余量等工艺理论领域中的一系列重要概念；明确了“用高温、重污染、浓给水及低通量等条件检验系统的产水水质，用低温、重污染、浓给水及高通量等条件检验水泵的工作压力”的设计方案检验原则。从而形成了关于反渗透系统设计与运行的一套较为完整的工艺理论。 
本书对反渗透膜工艺的分析主要包括系统技术指标、系统基本结构、系统设计优化及系统运行优化等几项内容，工艺分析的基本手段是系统运行模拟，运行模拟的基本工具是运行模拟软件，而模拟软件的核心部分是元件、膜堆、管路及系统的相关数学模型。本书给出了膜元件的理想数学模型，全面介绍了元件、膜壳、膜段、系统、管路、污染等一个完整体系的离散数学模型，深入讨论了膜元件的透水系数与透盐系数的求取方法，示出了与上述模型相应的“反渗透系统运行模拟软件”程序框图，从而为深入研究系统运行规律与深度开发系统模拟软件奠定了基础。 
本书内容涉及水处理领域中以反渗透为代表的膜集成工艺的多项相关内容，介绍了相关基础理论，更注重各项实用技术。希望以此作为相关工程企业进行专业技术的培训教材，或作为高校相关专业教学的辅助资料，并为业内的设备操作人员、工程技术人员、工程管理人员甚至理论研究人员提供参考。 
在本书的撰写过程中，天津城建大学环境与市政工程学院的几十位历届研究生同学做了大量深入细致且卓有成效的试验与研究工作，业界著名专家徐平博士，海德能公司贾世荣先生，苏伊士公司翟建文先生，哈尔滨乐普公司安静波先生，新界泵业公司茅建勇先生，润新机械公司伍先水先生，津安基环保科技公司李文静先生，天津工业大学张玉忠研究员与李建新教授，天津城建大学程方教授、员建教授与苑宏英教授，以及多位业界专家在本书撰写过程中给予了诸多指导与帮助，这里谨对他（她）们一并表示深深的谢意。 
本书内容主要源于编著者的研究结果与工程经验，不甚成熟及疏漏之处在所难免，敬请业内的各位专家及广大读者予以批评指正。 

编著者 
2023年8月 

第一版前言 
近20年以来，以反渗透技术为核心的分离膜水处理技术得到了高速的发展，广泛应用于化工、冶金、电力、电子、制药、食品、饮品、市政给水处理及市政污水处理等多个工业行业，已经成为海水及苦咸水淡化、纯水及高纯水制备、中水及污废水回用三大水处理领域中的主体工艺技术。目前在国内以反渗透工艺技术为核心，已经构成了相关产品的科研、开发、设计、生产、销售、安装、运行及服务的一个完整产业链条，形成了一个新兴的且高速增长的分离膜水处理行业。 
20年前的分离膜水处理工艺，主要还是传统预处理加一级或两级反渗透系统。目前已经发展到了超滤或微滤的预处理工艺、反渗透与纳滤结合的主脱盐工艺、电去离子的淡水深度脱盐工艺以及膜蒸馏等的浓水减排工艺等涉及多项膜技术的综合工艺体系。工程规模也从20年前的每小时几吨或十几吨发展到了目前的每小时几千吨级水平。 
近年来，国家及地方的科研立项向膜技术领域倾斜，膜技术原理及工程应用方面的专著大量出版。高等院校中给排水及环境工程专业的本科教学增加了膜技术相关内容，研究生的培养也向膜技术方向转移。这些变化对于反渗透膜技术及相关产业的发展均起到了巨大的推动作用。 
但是，由于反渗透技术发展的时间较短，行业发展速度很快，原水水质条件恶化，工程对象要求各异，特别是相关的设计、制造、运行及服务等企业的专业技术水平参差不齐，致使不少工程存在各类设计与运行问题。出现这些问题的主要原因之一是缺乏完整的工艺理论及深入的工艺研究。虽然出版界关于膜技术的原理性著作已经很多，但对于系统设计及系统运行方面的工艺性质论著相对较少。 
本书的编著旨在建立一整套较为完整的反渗透系统设计与系统运行的工艺理论，其中讨论的主要内容包括： 
（1） 各类预处理工艺及膜处理工艺的基本原理、基本工艺与基本参数。 
（2） 设计通量、设计收率、分段结构、双恒量模式等膜系统设计概念。 
（3） 反渗透及纳滤系统中膜堆的品种、数量、排列三大基本设计问题。 
（4） 膜系统中淡水背压、浓水回流、段间加压及淡水回流等特殊工艺。 
（5） 膜系统中膜壳、水泵、仪表、控制、清洗等辅助部分的典型设计。 
（6） 系统运行中的安装、调试、检测、诊断、应急、换膜及清洗过程。 
（7） 元件、膜堆及管路的运行数学模型与元件的透水系数及透盐系数。 
（8） 不同工作压力、脱盐率、膜压降三指标元件在系统中的优化排列。 
（9） 系统中给水、浓水及淡水管道或壳腔的结构、规格及流向的优化。 
（10）原始系统及污染系统中沿流程的各项运行参数的分布及变化趋势。 
（11）双级系统中提高脱盐率的工艺措施及保证脱盐率的最低元件性能。 
（12）海水淡化工艺中工作压力、系统收率及膜堆结构等系统设计问题。 
（13）纳滤膜系统脱盐及脱除有机物的特点与氧化纳滤膜的制备与应用。 
（14）反渗透或纳滤系统运行模拟软件的基本功能、结构框图及其使用。 
书中内容强调了：元件三项特性参数，系统两项极限收率，系统四大特殊工艺，系统设计八项指标，设计指标间十大关系，六支段膜堆结构，均衡通量与均衡污染，不同性能元件配置优化，系统管路结构参数优化，系统设计通量优化，双恒量与泵特性两类运行模式等系统工艺领域中的基本概念；明确了“高温度、重污染及浓给水三条件检验系统脱除盐率，低温度、重污染及浓给水三条件检验水泵工作压力”的设计方案检验原则；涵盖了两级、纳滤与海水淡化等系统工艺，从而形成了关于反渗透系统设计与运行的一套较为完整的工艺理论。 
对于膜工艺的研究主要包括系统技术指标、系统基本结构、系统设计优化及系统运行优化等项内容。工艺研究的基本手段是系统运行模拟，运行模拟的基本工具是运行模拟软件，而模拟软件的核心部分是元件、膜堆、管路及系统的相关数学模型。目前，各膜厂商均已推出各自的设计软件中自然内含了相关模型，但欠缺的是软件功能不足与模型不公开透明，因此限制了系统计算的水平提高与系统研究的深入开展。针对目前现状，书中给出了膜元件的理想数学模型，全面介绍了元件、膜壳、膜段、管路、各类污染层、浓差极化度即一个完整系统的离散数学模型，深入讨论了膜元件的透水与透盐的理论与实用模型，示出了与上述模型相应的“系统运行模拟软件”程序框图，从而为深入研究系统运行规律与深度开发系统模拟软件奠定了基础。 
本书关于膜元件及膜系统的特性分析及模型分析的内容，一方面旨在揭示膜工艺技术的内在规律，另一方面也是研究模拟软件过程中阶段性成果的展示，同时也希望这些内容能为更多学者及研究人员深入研究提供资料。 
书中相关论述主要包括理论基础、数学模型、模拟计算及试验分析等四种模式，各章节力求由浅入深，旨在为不同技术水平的理论研究人员及工程技术人员提供参考。本书也可作为高等院校相关专业本科或研究生膜技术课程的教材，特别希望相关专业的硕士生及博士生将本书中尚未解得的相关数学模型及尚待改进的软件功能加以完善，使反渗透系统及纳滤系统的工艺研究成为一个更加完善且不断发展的研究方向。 
在本书相关的研究过程中，天津城建大学环境与市政工程学院的徐腊梅、毕飞、夏罡、王春艳、孟凤鸣、贾丽媛、贾玉婷、罗浩、苏宏、江海、董翠玲、马晓丽、李宝光、崔旭丽、马孟、朱建平、苏卫国、严丹燕、罗美莲、杨小奇、孙浩、李肖清、李菁杨、韩力伟、杨宇星、翟燕、王文凤、王文娜、黄延平、张智超等研究生同学做了大量且有效的试验与研究工作；业界著名专家徐平先生、海德能公司贾世荣先生与仲怀明工程师、天津城建大学程方教授与苑宏英教授在本书编写过程中给予了诸多帮助；多年来《膜科学与技术》《水处理技术》《工业水处理》《供水技术》《天津城市建设学院学报》等国内专业杂志均给予了大力支持，并特请贾世荣先生作了本书的审核工作，这里一并表示衷心的感谢。 
本书内容主要源于笔者的工程经验及研究成果，多有不甚成熟部分，不足之处在所难免，敬请相关专家及广大读者予以批评指正。 

编著者 
2015年3月15日

本书为反渗透及纳滤水处理系统设计与运行领域的工艺理论专著，共17章，主要介绍了膜元件特性参数、系统极限收回率、多项特殊工艺、膜堆基本结构、均衡通量、均衡污染、元件配置、管路结构及双恒量控制等系统工艺概念；明确了系统的脱盐率与工作压力的设计方案检验原则；涵盖了一级、两级、海水淡化、脱盐与分盐纳滤等系统工艺形式。本次修订主要增加了内压与外压超微滤膜丝及膜组件的数学模型及其运行特性，分盐纳滤膜元件及系统的运行特性，以及分盐纳滤膜负脱盐现象的工作原理等内容。书中关于反渗透元件、膜壳、膜段、管路及系统数学模型的分析，以及膜元件的透盐与透水两系数的讨论，为深入研究反渗透系统运行规律及开发系统模拟软件奠定了基础。本书具有较强的先进性、系统性与参考价值，可供水处理膜技术企业工程技术人员及管理人员、各类设计院的设计人员、业内理论研究人员参考，可作为分离膜水处理行业的员工技术培训教材，也可供高等院校环境科学与工程和市政工程与给排水等专业师生参阅。

靖大为，天津城建大学，教授，1994年至2000年任天津悠久机械有限公司（日资）总经理。 该公司为美国海德能公司反渗透膜的代理。该公司业务范围包括产品销售与工程承包。 2001年至2014年任天津城建大学教授进行电气与环境专业的教学与科研。承担国家自然科学基金、建设部与市建委科研项目。 在《膜科学与技术》、《水处理技术》、《工业水处理》 等核心期刊及普通期刊发表几十篇论文。担任学校膜工艺技术研究生课程教学多年。指导学校13届硕士研究生30余人。

第1章反渗透与纳滤技术概论1 
1.1膜工艺技术的定义1 
1.2反渗透膜技术应用1 
1.3反渗透膜产品市场2 
1.4反渗透技术的发展3 
1.5纳滤膜技术的进步5 
1.6反渗透的相关技术6 
1.7膜集成水处理工艺8 

第2章传统预处理的系统工艺10 
2.1预处理工艺分类10 
2.2砂滤与炭滤工艺11 
2.2.1混凝砂滤工艺11 
2.2.2砂滤工艺过程13 
2.2.3活性炭滤工艺14 
2.3硬水的软化工艺15 
2.3.1树脂软化工作原理15 
2.3.2树脂软化工艺过程15 
2.3.3树脂再生工艺过程16 
2.3.4软化工艺设计参数18 
2.4自动控制多路阀19 
2.4.1过滤用多路阀19 
2.4.2软化器多路阀20 
2.5除铁及除锰工艺23 
2.6精滤器与换热器23 
2.6.1精密过滤器23 
2.6.2板式换热器24 
2.7给水离心加压泵25 
2.7.1多级加压离心泵25 
2.7.2单级加压离心泵27 
2.8预处理系统流程28 
2.9系统运行工作点29 
2.9.1非控系统的工作点29 
2.9.2受控系统的工作点30 
2.10系统的常用药剂32 
2.10.1混凝剂与助凝剂32 
2.10.2杀菌剂与还原剂32 
2.10.3阻垢剂与分散剂32 
2.10.4系统的加酸加碱33 

第3章分离膜工艺的技术基础34 
3.1膜分离的性能34 
3.2膜分离的分类35 
3.3膜过程的机理38 
3.3.1多孔膜的筛分理论38 
3.3.2致密膜的溶扩理论38 
3.4全流与错流运行方式39 
3.5浓差极化现象40 
3.5.1浓差极化的数学模型40 
3.5.2浓差极化的系统影响42 
3.6分级工艺处理42 

第4章超微滤系统设计与模拟44 
4.1超微滤膜工艺技术44 
4.2超微滤的系统结构47 
4.3超微滤系统前处理48 
4.4超微滤的设计导则50 
4.5组件的运行与清洗51 
4.5.1超微滤膜的跨膜压差51 
4.5.2超微滤膜的清洗方式52 
4.6膜丝与组件的特性53 
4.7内压膜丝运行特性53 
4.7.1内压膜丝的特性试验53 
4.7.2内压膜丝的数学模型54 
4.7.3内压膜丝的纯水通量56 
4.7.4内压膜丝的运行特性58 
4.8内压组件与容积率62 
4.8.1内压组件的数学模型62 
4.8.2各参数与组件容积率64 
4.8.3内压组件的纯水通量66 
4.9外压膜丝运行特性67 
4.9.1外压膜丝的特性试验67 
4.9.2外压膜丝的运行模型68 
4.9.3外压膜丝的纯水通量69 
4.9.4外压膜丝的运行特性71 
4.10外压组件与容积率74 
4.10.1外压组件的数学模型74 
4.10.2各参数与组件容积率75 
4.10.3外压组件的纯水通量78 
4.11浸没式超滤膜特性78 
4.12新型超微滤膜技术80 

第5章反渗透膜性能与膜参数82 
5.1反渗透膜工艺原理82 
5.1.1半透膜与渗透压强82 
5.1.2反渗透膜过程原理83 
5.1.3膜片及膜元件结构85 
5.2膜元件的主要参数86 
5.2.1膜元件的标准性能参数86 
5.2.2标准参数与现场测试值88 
5.2.3元件给水水质限制参数88 
5.2.4膜元件的运行极限参数89 
5.3膜元件的运行特性90 
5.3.1膜元件给水温度特性90 
5.3.2膜元件产水通量特性91 
5.3.3膜元件给水含盐量特性91 
5.3.4膜元件的回收率特性91 
5.3.5膜元件压降影响因素92 
5.4膜元件的参数特性93 
5.4.1膜元件的透盐率特性93 
5.4.2膜元件产水pH值特性94 
5.4.3膜元件浓水pH值特性95 
5.4.4膜过程的碳酸盐平衡96 
5.5膜元件浓差极化度97 
5.6各类物质的透过率97 
5.7恒通量的性能指标98 
5.8两类恒量测试分析100 
5.8.1恒压力膜元件测试100 
5.8.2恒通量膜元件测试100 
5.8.3两种元件测试方式101 

第6章反渗透系统的典型工艺103 
6.1系统结构与技术术语103 
6.2设计依据与设计指标104 
6.2.1系统设计依据104 
6.2.2系统设计指标105 
6.3膜品种与系统透盐率106 
6.4设计导则与元件数量107 
6.4.1系统设计导则107 
6.4.2系统元件数量109 
6.4.3元件品种选择109 
6.5膜系统的极限回收率109 
6.5.1难溶盐的极限回收率110 
6.5.2浓差极化极限回收率114 
6.5.3壳浓流量极限回收率118 
6.5.4系统的极限回收率118 
6.6膜堆结构与参数分布119 
6.6.1元件的串并联形式119 
6.6.2膜系统的分段结构120 
6.6.3系统沿程参数分布121 
6.7恒量运行与运行余量124 
6.7.1给水高压泵的规格124 
6.7.2浓水截流阀门设置125 
6.7.3膜系统的单元数量126 
6.7.4系统回收率的余量127 
6.7.5系统产水量的余量127 
6.7.6系统产水质的余量128 
6.8系统的能耗与水电费129 
6.8.1膜品种与运行能耗129 
6.8.2水费与电费的比较130 
6.8.3系统优化设计概念130 
6.9反渗透系统典型设计130 
6.9.1难溶盐浓度与最高回收率130 
6.9.2水体温度等与最高回收率131 
6.9.3膜系统设计的范例分析131 

第7章反渗透系统的特殊工艺137 
7.1通量均衡工艺137 
7.1.1系统通量失衡影响138 
7.1.2前段淡水背压工艺140 
7.1.3前后段间加压工艺141 
7.1.4分段元件配置工艺142 
7.1.5能量回收段间加压143 
7.1.6均衡通量其他功效144 
7.1.7端通量比与膜品种145 
7.2浓水回流工艺145 
7.2.1泵前浓水回流145 
7.2.2泵后浓水回流147 
7.2.3后段浓水回流148 
7.3分段供水工艺149 
7.4淡水回流工艺149 
7.4.1系统淡水回流149 
7.4.2后段淡水回流150 
7.4.3附加三段工艺151 
7.5倒向运行工艺151 
7.5.1高回收率系统特征152 
7.5.2长流程系统特征152 
7.5.3膜系统污染分布153 
7.5.4倒向工艺153 
7.5.5倒向运行的控制154 
7.6半级系统与级半系统155 
7.6.1半级系统工艺155 
7.6.2级半系统工艺156 
7.7有机污染系统156 
7.8监测控制系统159 
7.8.1仪表监控系统159 
7.8.2集散监控系统161 
7.9特殊工艺范例161 

第8章不同规模系统结构设计164 
8.1小型规模系统结构164 
8.1.1一至六支膜系统164 
8.1.2单段的系统结构165 
8.1.3两段的系统结构167 
8.1.4三段的系统结构168 
8.2混型元件系统结构169 
8.3中型规模系统结构170 
8.4大型规模系统结构170 
8.4.1系统段壳浓水比值170 
8.4.2大型规模膜堆结构171 
8.4.3大型系统膜堆特征174 
8.5主辅设备注意事项175 
8.6工程项目中试过程176 
8.6.1中试的必要与可行176 
8.6.2中试过程注意事项177 

第9章反渗透系统的运行分析179 
9.1系统的三项平衡关系179 
9.1.1流量与盐量平衡179 
9.1.2流量与压力平衡179 
9.1.3压力与功率平衡181 
9.2可调节水泵系统的运行182 
9.3无调节水泵系统的运行184 
9.4提高产水量的应急措施186 
9.5提高脱盐率的应急措施187 
9.6膜壳给水浓水流量越限187 
9.7系统的装卸与启停过程188 
9.7.1元件的装卸过程188 
9.7.2系统的启动过程189 
9.7.3系统的运行过程190 
9.7.4系统开停机过程190 
9.7.5系统的清洗周期191 
9.8系统的运行调节与功耗191 
9.8.1运行调节与水泵特性191 
9.8.2回流调节与截流调节193 
9.8.3变频调速的运行调节194 
9.8.4变换工况的功耗比较196 

第10章系统污染、清洗与加药198 
10.1污染的分类与分布198 
10.1.1膜系统污染分类198 
10.1.2沿流程污染分布199 
10.1.3沿高程污染分布200 
10.1.4元件内污染分布201 
10.2膜系统污染的影响202 
10.2.1无机污染的影响203 
10.2.2有机污染的影响20