反渗透和纳滤系统通常包含预处理设备、反渗透/纳滤设备和后处理设备。设置预处理部分的目的是调整原水的水质使其符合反渗透和纳滤系统的进水水质要求。后处理工序的目的有两个，一是调节反渗透和纳滤的产水成分使其符合使用目的，二是使浓水符合排放标准。 在设计反渗透和纳滤系统时，正确掌握原水水质和对产水的要求是最基本的要素。对各个装置的设计进行优化组合是保证系统的正常运行必不可少的重要环节。本章针对反渗透和纳滤系统的设计进行论述。
5.1 系统配置
5.1.1 概述辽宁五点一线
在反渗透和纳滤系统的设计中，（1）膜元件型号的选择；（2）水通量选择（单位膜面积的产水量，GFD或LMH）；以及（3）回收率，都是重要的事项。一般尽可能设计高的回收率，这样可以降低供给水的量，减少预处理的成本。但是，系统的回收率设计高时会有以下的不利因素需要考虑。 结垢的风险增大，需要添加阻垢剂；
产水的水质下降；
运行操作压力增高，泵和相关设备的费用增加。
产水量和回收率的设计一定要符合安全的标准。一般建议要有一定的设计弹性。使用美国海德能公司的膜元件时，请参看附录4美国海德能公司反渗透和纳滤膜元件设计导则。
系统的运行方式一般分为连续操作和批式操作两种。批式处理是指储存一定量的进水，一定期间内处理产水和浓水，一般在小规模的浓缩工程和水量小或连续供水不足的场合被采用。连续操作是设定一定的回收率和产水量，基本上以一定的操作压力进行连续地分离处理产水和浓水，大规模的反渗透和纳滤装置都采用连续过滤。
5.1.2 单元件系统
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单元件系统是最小的反渗透或纳滤系统，虽然只包含一支膜元件，但是配套设备却很完整。因此熟悉了解单元件系统的结构和设计，对理解大系统的设计是十分有帮
助的。图5.1所示为一个单一膜元件的系统。控制适当的给水范围（最大给水流量和最小浓水流量），防止由于浓差极化所引起的水通量减少和膜污染非常重要。由于该系统仅采用一支膜元件，而设计要求单支40英寸长的膜元件浓水排放量与产水量比的最小值为5:1（约相当于18 %的回收率），因此单一膜元件系统很难达到较高的系统回收率。为了提高回收率，系统流出的浓水的一部分可以返回到给水处，如图
5.1中的第5点位置。采用部分浓水回流的方式可以增加回收率（一般可增加到50 %），但是由于有部分浓水返回到进水，会导致产水的水质下降。
图5.1 单元件系统部分浓水循环示意图
甜蜜的来世5.1.3 单段系统的排列
把单支膜元件并联起来排列就形成了单段式系统。单段系统中包含两个以上的膜元件。单段系统排列如图5.2。单段系统的排列和单元件系统的排列意义相同，系统的回收率一般在15 – 50 %之间。为了提高回收率，可以在每一个压力容器内串联更多的膜元件。表5.1中显示串连膜元件的数量和回收率之间的关系。
5.2 单段系统排列示意图
表5.1 膜元件串连的数量和最大回收率 膜元件串连数
量 1 2 3 4 5 6 回收率，% 16 29 38 46 53 59
5.1.4 多段系统的排列
当要求系统的回收率高于50 %时，可以采用多段系统。多段系统是指第一段的浓水作为第二段的进水，第二段的浓水作为第三段的进水，以此类推。每段的进水一部分变成产水，后一段的进水流量会减少，含盐量会升高，所以后段的膜元件数量要比上一段的膜元件数量少，以保证正常的进水流量。一般的排列方式是2:1或
4:2:1。通常，两段系统可以把回收率做到50 – 75 %，三段系统回收率做到75 – 90 %10。
图5.3 多段系统排列示意图
在多段系统中，浓水侧的渗透压力不断升高，有时会发生净驱动力（NDP ）不足的现象。造成前段产水和后段产水不均恒。这时有三个解决方法：
① 在每个段间加增压泵，以提高后段的驱动力；
10 系统的回收率还与给水水质以及给水温度有关，这里提到的回收率数据必须与给水水质和水温综合考虑，以免发生膜污染。
二段排列∶回收率50 – 75%
三段排列∶回收率75 – 90%
大脑肥胖症② 在第一、第二段产水侧设置节流阀门，如图5.4所示。通过增加产水背压的方式，降低前段产水量，保持整体有效压力（NDP ）的均衡。采用这个方法时，系统停止运行时有可能造成背压（产水侧压力 > 进水侧压力）。在设计以及操作时必须谨慎处理；
③ 前后各段采用不同过滤阻力的膜元件。前段采用阻力大的膜元件，例如：
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PROC10或CPA3-LD ，甚至SWC ®系列海水淡化膜元件，人为降低前段的产水量，后段采用阻力小的膜元件，例如：ESPA ®系列，以保证产水量。 图 5.4 多段系统示意图
5.1.5 多级系统
严密性试验在一些应用中，单级反渗透的产水水质无法满足用水的要求，为了尽可能的降低产水含盐量，前一级反渗透的产水作为下一级反渗透的进水被称谓多级反渗透系统。设计多级反渗透系统时，根据产水水质的要求可以考虑第一级的产水全部进入第二级或部分进入第二级反渗透系统。如图5.5所示的海水淡化系统中，第一级中采用海水淡化反渗透膜元件SWC ®系列，后端高浓度的产水作为第二级低压型ESPA ®膜的进水，经过二级处理的产水和第一级前段低浓度的产水进行混合。第二级反渗透的浓水可以循环回第一级反渗透系统进水中。第二级反渗透浓水中的含盐量通常比第一级进水的含盐量还要低，所以将第二级浓水返回到第一级进水会降低进水含盐量，增加整体的回收率。这就是分裂式部分二级设计11（分裂式部分二级的设计依据和方法请参见第四部分第十章10.9）。
11 分裂式部分二级设计是美国海德能公司的专利，如需采用请联络美国海德能公司驻华代表机构。
进水
一段浓水 二段浓水 产水背压调节阀门
三段浓水
总产水
一级：SWC®
进水
产水一级低浓度一级高浓度产水
二级：ESPA®
浓水
图5.5双级海水淡化处理系统示意图
与第一级不同，在第二级反渗透系统的设计中，还应该注意以下几点：
选择大通量的超低压反渗透膜元件，如：ESPA2和ESPA2+；
第二级反渗透在设计时可以选择更高的水通量，一般一支8英寸的膜元件可以设计产水1.5 – 2.0 m3/h，即：40 – 54 LMH；
在第二级反渗透中，浓差极化指数（β）最高可以达到1.70；
第二级反渗透系统的排列最好接近3:1；
最好选择4 – 5芯的压力容器；
回收率应大于等于85 %，最好能达到90 %。
5.1.6 采用批式操作的浓缩循环系统
茶叶、果汁和制药等工业，常以浓缩为目的。在设计反渗透和纳滤系统时，要考虑处理量和处理时间问题。如图5.6所示，以浓缩为目的的系统，批式处理比连续处理要多。采用批式处理时，被处理液的浓水以一定的流量循环回原液槽中，循环一定时间后，原液中的浓度会上升，随着浓缩倍率的增大，渗透压也会显著的上升。所以要掌握压力的调整和膜污染的情况。设计时要考虑原液温度的控制、腐蚀以及清洗杀菌的方法等。
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