在纯水制备项目中，二级反渗透系统是重要的工艺环节。二级系统与一级系统的重要区别之一是给水含盐量一般低于50 mg/L，给水中硬度与有机物等污染性物质的浓度很低，不易形成系统污染。故反渗透系统设计导则规定：二级系统的膜平均通量约为35 L/（㎡·h），系统的浓差极化度（膜表面盐浓度与给水盐浓度之比）上限1.4（一级系统上限1.2），系统回收率可达85%。因此低给水含盐量、低污染物浓度、高平均膜通量、高浓差极化度、高系统回收率的两低三高特征构成了二级系统设计的重要基础。
二级系统的设计包括元件品种、元件数量、流程长度、膜堆结构等多项内容，且包括系统收率、系统功耗、产水盐量、段通量比（两段通量之比）与段浓水比（两段膜壳浓水流量之比）等多项经济技术指标。笔者还就二级系统的流程长度与膜堆结构进行了重点分析。 本研究仅以海德能公司的两个型号元件代表高压与低压两类膜品种，低压膜ESPA2的测试参数为：给水压强1.05 MPa、脱盐率99.6%、产水量34.1 m³/d，高压膜CPA3的测试参数为：给水压强1.55 MPa、脱盐率99.7%、产水量37.9 m³/d。
本研究所示数据均由海德能设计软件计算得出。由于该软件对于二级系统脱盐率的计算结果偏高，故二级系统产水含盐量偏低，相关数据仅供工艺效果的对比之用。
1 浓差极化与元件配置
反渗透膜的浓差极化度的定义为：膜表面的盐浓度与湍流态给浓水径流中盐浓度之比。因卷式膜元件中浓差极化度无法测量，故该参数多转换为元件收率的函数。
此外低压膜的脱盐率较低，高压膜的脱盐率较高；故两级系统均采用高压膜时的系统脱盐率高但能耗也高，而均采用低压膜时的系统脱盐率低但能耗也低。表1给出了1个产水流量为85 m3/h的两级系统中，一级与二级系统分别采用不同膜品种（低压膜ESPA2、高压膜CPA3）时的系统运行参数。其中运行条件为：给水含盐量2 000 mg/L，给水温度25 ℃；一级系统产水量100 m³/h，回收率75%，膜堆结构14-7/6；二级系统产水量85 m³/h，回收率85%，膜堆结构12-4/4。
二级系统给水的含盐量及渗透压不高，各种元件品种配置的段通量比均接近1.1；因一级系统的给水含盐量较高，采用高压膜品种的段通量比远低于采用低压膜品种；此外两级系统不同元件品种配置的重要差异在于系统功耗。
表1所示数据揭示了两级系统的另一特征，即当两级系统中选择不同脱盐率膜品种时，一级系统产水电导率差异较大，但两级系统产水电导率相差不大。换言之，当一级系统脱盐率较低时，则二级系统脱盐率将上升，当一级系统脱盐率较高时，则二级系统脱盐率将下降。全部视频列播放表本站
为降低一级系统的段通量比与两级系统功耗，一级系统应采用高压膜而二级系统应采用低压膜。换言之，一级系统应采用高压膜品种，以小幅增大的系统能耗为代价，换取前后段通量趋于平衡；二级系统应采用低压膜品种，以小幅增大的段通量比换取系统能耗的大幅降低。当然，对于脱盐率要求较高的两级系统，二级系统中也应采用高压膜品种。
2 收率85%的二级系统
在相同回收率下，反渗透系统的一般规律为：长流程系统的浓差极化度较小，短流程系统的浓差极化度较大，但长流程系统也存在着系统功耗高与段通量比大等弊端。受到浓差极化度1.2限制，对于75%收率的一级系统一般采用6支装膜壳即两段流程全长12 m。因二级系统的浓差极化度限值放宽至1.4，采用短流程结构，可有效降低系统功耗与段通量比。
魔磁对于一般收率85%的二级系统，膜堆如采用整倍于2-1/5结构或整倍于2-1/4结构，则系统运行参数几乎均优于整倍于2-1/6结构，即应采用5支甚至4支装膜壳，其流程长度可缩短至10 m甚至8 m。相关数据见表 2，其中运行条件为：给水含盐量30 mg/L，给水温度25 ℃，产水流量200 m3/h，元件通量30 L/（m2·h），系统收率85%，元件品种ESPA2。
反渗透系统设计领域中，还要求各段膜壳的浓水流量（也称段壳浓水流量）不得过低，即壳内末端膜元件的浓水流量不得过低，以使其元件的给浓水径流维持湍流状态。根据后面表 3数据分析，当系统收率为85%时，如仍采用2:1的两段膜壳数量比结构，常出现首段的膜壳浓水流量大于末段的现象。由于系统末段浓水中的污染物浓度更高，为使末段错流比更大以降低污染，则末段的段壳浓水流量应大于首段。
因此针对85%的二级高收率系统，无论流程为10 m或8 m，为使末段膜壳浓水流量大于首段，其两段膜壳数量比应接近或等于3:1。如果两段膜壳数量比接近或等于4:1时，则前后段膜壳浓水流量比过大，且使前段系统的浓差极化度过高。关于5种膜堆结构及运行参数的比较见表 3。其中运行条件为：给水含盐量30 mg/L，给水温度25 ℃，产水流量300 m3/h，平均通量33.6 L/（m2·h），回收率85%，元件品种ESPA2。
对于元件数量一致而不同流程长度的系统，由于膜壳长度不同会导致价格不等，故其投资成本有所差异。以膜元件数量相等但采用27-9/4与16-8/6不同膜堆结构为例进行系统投资成本的分析，结果见表4。其中运行条件为：给水含盐量50 mg/L，给水温度25 ℃，产水流量160 m3/h，平均通量30 L/（m2·h），回收率85%，元件品种ESPA2。石墨冷凝器
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设6芯膜壳的价格为2 000~2 800元，而4芯膜壳的价格为1 600~2 500元，并设系统年运行8 000 h且电价为0.8元/（kW·h）。
由表 4可知，27-9/4（9倍3-1/4）的短流程结构比16-8/6（8倍2-1/6）的长流程结构的膜壳总价仅增加9.00-6.72=2.28万元，而年运行电费可节省48.1-43.3=4.8万元，因此可知短流程结构较长流程结构具有明显的经济优势。9倍3-1/4结构与8倍2-1/6结构的唯一缺点是：二级系统的4支装膜壳与一级系统的6支装膜壳在膜堆架构上存在长短差异。但该缺点与其经济技术优势相比，不足为虑。
03 二级浓水的回流方式
由于二级系统的产水含盐量远低于一级系统的进水含盐量，故二级系统浓水总是回流至一级系统前，与一级系统进水混合为一级系统给水。该工艺结构不仅提高了两级系统的回收率，也在一定程度上提高了两级系统的脱盐率。
对于两级元件配置分别为CAP3的ESPA2的两级系统，如无二级系统浓水回流工艺，系统给水流量为118.3+15=133.3m3/h，则系统回收率为85/133.3=0.638，系统产水含盐量为0.81 mg/L，电导率1.61 μS/cm；有二级系统浓水回流工艺时，根据（1）式关系，系统回收率为85/118.3=0.718，系统产水含盐量为0.77 mg/L，电导率1.55 μS/cm。
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