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改善水质可以提高农作物产量

作者：Nancy Walery
圣地亚哥县农业局

无论您种植花卉、苗圃产品、水果、蔬菜，还是任何以水为核心的农作物，您都不想选择对您和您的生产目标不利的水质。但如果您用自来水灌溉作物，很可能会损害您自己和您的农产品，导致收获季节的产量下降。

应用膜公司 (AMI) 是一家总部位于维斯塔的商用、工业和住宅反渗透 (RO) 过滤系统及组件的设计、制造和分销商，致力于为种植者提供解决水质问题的方案。AMI 自 1983 年成立以来，自 2009 年起成为圣地亚哥反渗透滤膜业务支持会员，为从居民到财富 500 强企业的众多客户提供标准和定制水过滤及净化系统及服务，应用范围广泛，包括超纯水、饮用水、透析、制药、水循环利用、海水淡化等。公司老板 Gil Dhawan 亲眼见证了 RO 系统如何帮助种植者，甚至奶农，显著提高产量。

“种植者种植的任何作物都需要优质的水，”Dhawan说道。他自1972年以来一直致力于膜技术领域的研究，并拥有加拿大安大略省滑铁卢大学的化学工程博士学位。“很多时候，种植者的水质——无论是来自井水还是市政水源——都达不到应有的水平，这不仅会影响作物产量，还会影响产品的大小、均匀性和整体质量。”

反渗透系统对农业的作用在于去除——或者至少显著降低——Dhawan 分析的大多数水样中普遍存在的氯化钠。此外，它还可以平衡市政供水在一年中不同时间可能来自混合水源的差异，从而消除水质差异。

“盐分在农业生产中是一个重要因素，因为高浓度的氯化物会降低作物产量，”Dhawan 说道，他撰写了数十篇关于反渗透技术的技术文章。“我们的目标是将其降至最低水平。但我们不必完全去除；每种作物对这些化合物的阈值不同，因此只要我们能将其浓度降至阈值以下，作物的产量就会得到改善。在对客户的水质成分进行详细分析后，我们会根据这些数据设计他们的系统，以确保系统能够提供最佳水质。”

Dhawan 表示，他首批在农业领域销售的反渗透系统之一卖给了当地一位兰花种植户，这彻底改变了他产品的质量和一致性。Dhawan 引用了一位新墨西哥州奶农（同时也是加州大学戴维斯分校兽医）的研究，表示即使是奶农，饮用反渗透水的奶牛的产奶量也会显著提高。该研究提供了两个不同的水箱——一个装有普通自来水，另一个装在较远的地方——装有反渗透水。研究发现，更多的奶牛愿意走更远的距离去饮用反渗透水，它们的饮水量也更大，从而提高了它们的产奶量。

AMI 膜产品在全球 100 多个国家/地区使用，并在美国获得国际质量标准 ISO 9001:2015 认证的工厂生产。

与 AMI 合作的另一个优势是，您的系统将拥有专业的技术知识和充足的零件库存——不仅在您购买时，而且在您的 AMI 设备的整个使用寿命期间。如果您因水质变化或其他疑似问题而需要重新分析系统的有效性，AMI 随时准备凭借其专业的技术知识，快速准确地进行适当的调整。强大的库存控制系统确保 AMI 永远不会缺货，所需的特定过滤器替换件或其他组件，而大量的零件流动则确保了具有竞争力的价格。该公司不仅经销 AMI 品牌下生产的各种过滤器和外壳，也是许多知名品牌过滤器的大型库存分销商。

“大多数提供类似产品和服务的公司不像 AMI 那样注重技术，无法提供客户所需的关键分析和定制建议，”Dhawan 说道。“随着时间的推移，反渗透系统可能需要某种技术援助。因此，凭借我们更具技术性的商业模式，当客户致电寻求服务和支持时，我们就能大显身手。”

Applied Membranes, Inc. 位于加州维斯塔市商业园路 2450 号，邮编 92081，联系电话：(760) 727-3711，免费电话：(800) 321-9321。欢迎访问 AMI 的综合网站 www.appliedmembranes.com。

圣地亚哥县农业局拥有一批强大的“商业支持”会员，致力于服务当地农业社区。如需查看“商业支持”会员的完整列表及其提供的服务，请访问圣地亚哥县农业局网站。

作者：Gil K. Dhawan | 1997年

介绍

超滤和低压反渗透正日益成为生产超纯、无颗粒和无有机物的最终处理步骤。膜系统对于电子、制药和饮用水应用领域的终端用水尤其具有吸引力。
过去三年来，水处理技术取得了诸多进展，包括更先进的膜技术、更先进的分析设备，以及对杂质对水利用影响的更深入理解。本文回顾了其中一些进展，并列举了超滤和低压反渗透（RO）的一些应用案例。

电子工业用水点

在电子行业，水标准会定期修订，以反映不断变化的需求、原水质量的变化以及更复杂的分析技术的可用性。
生产超纯水的起点是进水，通常来自城市供水。此类水的标准由联邦环境保护署制定。表1列出了一些常见的污染物及其在饮用水中允许的最高浓度。
关于晶圆最终冲洗所需水质的讨论已有很多。已提出并规划了若干针对用水点的水质规范（表2 ）。
过去五年来，生产电子行业所需水质的技术不断进步。超纯水的主要问题在于微生物的生长和胶体物质的存在。胶体污染可能由原水中的杂质（例如腐殖酸或胶体二氧化硅）、系统中的细菌生长以及细菌副产物（例如热原）引起。其他污染源包括水净化系统中使用的管道、阀门、仪表、泵和控制器中的物质浸出。
为了获得并保持最高品质的水，管道和其他组件必须使用不会在超纯水中析出的材料。含氟聚合物正在取代聚氯乙烯 (PVC) 成为超纯水系统的结构材料。
目前，电子行业用水点的最终处理步骤是通过0.2微米的微孔过滤器进行过滤，以去除此时可能仍存在于水中的微生物和胶体物质。大量经验表明，0.2微米的过滤不足以保持水的高质量。

最近的一项研究（参考文献2）表明，超滤技术在用水点提供的水质远优于传统的0.2微米过滤器。微孔膜系统可去除0.2至10微米的颗粒，入口压力为5至100 psi。而超滤技术可去除0.001至0.05微米的颗粒。

Millipore 提供的 5 加仑/分钟系统就是专为微电子行业使用点设计的系统之一。该系统采用 0.006 微米级螺旋卷式超滤膜，并配有 0.2 微米级滤膜。图 1显示了 Millipore 系统，其整个管道均由含氟聚合物材料制成。该系统在入口处设有消毒注入柱。该系统的排放阀出厂时设置为 0.1 加仑/分钟，因此回收率非常高（98%）。定期打开阀门，使水流完全通过并冲洗膜。
这些系统已使用胶体保留进行了测试（参考文献2）。这些测试在实验室和现场均有进行。此外，还对晶片进行了测试，以确定终端使用系统的性能。

首次比较了终端微滤器和超滤器，采用改进的粉尘密度指数法。去离子水从待测终端滤器流入SDI滤器。SDI滤器的堵塞率是终端滤器胶体去除效率的指标。堵塞率越高，去除胶体的效率就越低，反之亦然。

图2总结了本次测试的结果。图表显示，0.1微米和0.2微米的过滤器允许通过的颗粒和胶体数量大致相同。分子量为100,000（0.006微米）的超滤器表现出了更好的性能。

现场测试结果如图3所示。图中显示了0.2微米过滤器过滤后的去离子水的堵塞情况，以及超滤处理后的水的堵塞情况。显然，超滤处理的水质更高。

最后，还通过测量晶片污染情况对使用点超滤进行了评估。表3列出了在四个不同位置进行的测试结果。该表显示，与0.2微米过滤器相比，使用超滤时晶片上的颗粒显著减少。位置1和位置4还显示了未升级超滤下游管道的影响。

不同的研究正在开展更多的工作来了解和改善用水点的水质，但很明显，用水点超滤提供的冲洗水质量比以前使用 0.2 微米过滤器提供的冲洗水质量要好得多（表 4 ）。

结论

超滤和低压反渗透在终端水处理中的应用前景广阔。高通量膜和“软化器”型反渗透膜的开发必将加速这些膜在使用点的应用，以满足众多行业对水质的极高要求。我们预计这些工艺在超纯水生产中的应用将日益广泛。

参考

1. Motomura, H., 微污染, 1984 年 3 月
2. Accomazzo, M. 和 Gaudet, PW，《去离子水的使用点超滤及其对微电子设备质量的影响》，Millipore 公司。
3. 加州卫生服务部卫生工程分部
4.美国药典，XX版，Mack Publishing Company，1980年。
5.《制药技术》，1983 年 10 月，PMA 去离子水委员会报告第 IIb 部分。

图 1 专为微电子行业使用点设计的超滤系统	图 2 使用改进的粉尘密度指数对使用点微滤器和超滤器进行比较	图3 UF 和 0.2 微米过滤器的比较
UF 系统采用螺旋卷式超滤膜，其等级为 0.006 微米，最终膜为 0.2 微米。	恒定流速（2.0 GPM）下测试过滤器下游 0.2 微米膜（293 毫米圆盘）的堵塞	超滤前后去离子水循环中 0.2 微米圆盘过滤器的堵塞情况

表 1 – 主要饮用水标准（参考文献 3）

表 2 - 半导体行业超纯水规格

a.用电阻率计测量。

b. 采用直接显微镜计数法测量。将聚碳酸酯滤膜上残留的颗粒染色，然后用光学显微镜计数；如果颗粒小于 0.1 微米，则用扫描电子显微镜计数。

c. 采用紫外氧化-电阻率检测法（Barnstead's Photochem）测量。湿式氧化-红外检测法用于测定高于0.2 ppm的总有机碳含量。

d. 采用培养法测量（ASTM F60-68）。

e. 采用比色钼酸盐反应二氧化硅法（ASTM 0689-80）测量。

f. 通过温克勒滴定法测量。

表 3 - 使用晶片污染进行使用点超滤评估

晶圆上的颗粒计数

*超滤后的管道未升级

表 4 - 使用点超滤性能

案例研究：RD Nixon 发电厂零排放工业废水处理

作者：Gil K. Dhawan | 1983年

抽象的

由位于加利福尼亚州圣地亚哥的UOP公司流体系统部门和位于华盛顿州贝尔维尤的CH ₂ M Hill公司共同设计的零排放废水系统，自1980年10月以来一直在RD Nixon发电厂成功运行。与传统方案相比，该系统的运行成本预计可节省50%。该设施的工艺设计是在考察了多种方案后最终确定的。该系统的单元操作包括澄清、过滤、反渗透和蒸汽再压缩蒸发。本文对各种方案对设施性能的影响进行了分析。

介绍

RD Nixon 发电厂位于科罗拉多州方廷。厂址选择基于多种因素，其中包括与用户的距离。该厂距离市政污水管道 15 英里，毗邻当地一条淡水溪流。任何排入该溪流的液体都必须符合严格的污水排放要求。然而，将电厂污水排入市政污水管道需要铺设长管道，成本高昂。因此，唯一可行的方案是对电厂污水进行处理和回收利用。废水处理系统由 CH ₂ M Hill 设计，反渗透系统由 Fluid Systems 设计和提供。废水处理系统的总成本约为安装和运营市政污水处理厂管道预计成本的一半。

供水

发电厂的供水来自电厂附近的水井。电厂总用水量平均约为每分钟1700加仑（GPM）。其中近90%用于冷却塔的补充水。

表1给出了井水的设计分析。从分析中可以清楚地看出，冷却塔中的浓缩循环会导致磷酸钙、硫酸钙或二氧化硅的沉淀。

井水硬度可高达600毫克/升（碳酸钙）。因此，供水需经离子交换树脂（沸石）软化处理。总硬度降至15毫克/升以下（ 表1 ）。软化后的水用于冷却塔及工厂其他常规用途。

废水组成

发电厂废水有多种来源，具体如下：

• 冷却塔排污
• 软化器再生废水
• 灰渣闸排污水
• 除盐器再生废液
• 地漏
• 化学清洗废弃物

事实上，除污水外的所有工厂废水均经过废水处理系统处理。

总废水中近60%来自冷却塔排污水。浓缩循环受到软化水中残留磷酸钙溶解度的限制，如典型的冷却水排污水分析结果所示（ 表1 ）。

软水器再生废水是第二大废水来源，占废水总量的近18%。不出所料，软水器再生废水的钙浓度非常高。

第三大废水来源是灰渣泄水排污（15%）。燃煤电厂使用冷却塔排污的尾流作为补充水，清除灰斗中的底灰。灰渣和水的混合物在灰池中沉淀，最后一个灰池的上清液被连续泵送回泄水池。泄水池中的部分液体从泄水池上游连续排污。

除盐器再生废水约占废水总量的5%。除盐器用于为锅炉生产高质量的水。

地漏里的大部分水是用来冲洗各种泵密封圈的水。地漏产生的废水约占发电厂废水总量的2%。

表1列出了部分主要废水流和工厂合并废水的代表性分析结果。合并废水分析不包括软化器再生剂流。

确定发电厂产生的废水流是废水处理工艺设计的第一步。下一节将探讨针对不同用水和废水需求的工艺设计方案。

表 1
主要水、废水和处理后的废水流的设计组成

废水处理——工艺设计

CH ₂ M Hill 负责尼克松发电厂的工艺设计。设计决策主要考虑以下四个方面：

1. 冷却塔井水水处理
2. 联合厂废水处理及回用
3. 锅炉给水水处理
4. 对（3）中产生的最终废水进行浓缩和处理。

每个步骤都考虑了几种方案。以下简要概述了每种工艺选择的理由。

1.冷却塔水

分析表明，通过去除限制冷却塔浓缩循环的结垢离子，可以满足冷却塔水质要求。井水供水成分中的限制性离子是Ca ^{+ -}和PO ^{+ -} ₄ 。考虑的去除这些离子的工艺包括石灰-苏打软化和离子交换（沸石）软化。选择离子交换软化工艺是因为其资本和化学成本较低。

2. 联合厂废水处理及回用

这里考虑的流程如下：

• 侧流石灰苏打软化（SS L/S）
• 反渗透（RO）
• 蒸汽再压缩蒸发（VRE）

侧流石灰-苏打软化工艺可以去除冷却水中的钙、镁、硅和磷酸根离子。就冷却塔水质而言，侧流石灰-苏打软化工艺比反渗透工艺成本更高，因为侧流石灰-苏打软化工艺需要两级系统来确保硬度去除，化学药剂成本更高，而且盐度更高的环境也需要更高的冷却塔建造材料成本。侧流石灰-苏打软化工艺所需的冷却塔排污水质与反渗透浓缩液相似；因此，最终蒸发成本大致相同。

反渗透的资本和运营成本比VRE低一个数量级。另一方面，反渗透对水中盐浓度上限存在实际限制。因此，反渗透与VRE的组合是废水处理最经济的解决方案。预计反渗透产水水质适合用作冷却塔补给水，VRE冷凝水可用作锅炉给水。

3.锅炉给水

锅炉给水标准如下：

研究表明，通过混床离子交换器对反渗透（VRE）冷凝水回流进行精处理，即可满足锅炉给水的全部需求。然而，需要一套完整的除盐装置，包括碳装置、阳离子装置、脱气装置、阴离子装置和混床装置作为备用。由于反渗透装置的渗透水质优于软化供水，因此，如果反渗透冷凝水供应中断，反渗透渗透水可以转入除盐装置。

此外，多余的冷凝水回流可以送至冷却塔。

4. 最终废物浓缩

为了进一步减少蒸汽再压缩蒸发器浓缩液的体积，我们考虑使用蒸发池。由于土地资源充足，蒸发池比喷雾干燥等加工替代方案可以显著节省成本。

5. 其他废物流

对于其他低量和/或低频率的废物流，做出了以下决定：

工艺设计方案的经济比较

图1显示了CH2M Hill对不同工艺设计方案进行的经济性比较。基于这些成本以及上述其他考虑因素，我们选择了方案1A的工艺方案。蒸发池用于进一步浓缩蒸发器的浓缩液，蒸发池收集的固体将被填埋处理。

图 1
零排放工艺替代方案

• IX = 离子交换软化
• L = 冷石灰软化
• L/S = 石灰苏打软化
• SSL/S = 侧流石灰苏打处理
• RO = 反渗透
• VRE = 蒸汽再压缩蒸发

废水处理系统

除冷却塔外，所有来源的废水均流入均衡池。然后，废水被泵送至混合槽。通过阀门控制，待处理的废水可来自均衡池、冷却塔或两者（见图2和图3 ）。将氯、明矾和聚合物添加到废水中，并在混合槽中混合。废水从混合槽被泵送至三个并联的澄清和过滤装置。每个装置包含一个絮凝室、一个采用管式沉淀器的澄清段和一个混合介质过滤器。过滤器和管道会自动反冲洗。

过滤系统采用自动化控制，并根据废水量按比例持续添加阳离子聚合物和氯化铁。如果过滤后的水浊度高于0.9 JTU，过滤器将自动反冲洗。

澄清过滤后的水流入清井。清井用作反渗透工艺的供水箱，也用于介质过滤器的反冲洗和表面冲洗。反冲洗废水流入集水池，该集水池也收集来自地漏的水。集水池中的废水被泵送至底灰池。底灰每班一次或两次用大量的水从湿底灰斗排入灰池。产生的泥浆在三个串联的3英亩（约1.7公顷）的池子中沉淀，最后一个池子的上清液被连续泵送回泄水池。

清井水经滤芯过滤器输送至反渗透系统高压泵的吸入口，在进入滤芯过滤器前，需添加阻垢剂和硫酸。

反渗透系统分为三个并联单元，均采用 Fluid Systems 的 8150 型膜元件。反渗透系统的运行条件列于表 2中。反渗透系统的渗透液收集在一个水箱中，可根据需要直接输送至冷却塔或锅炉。反渗透系统的浓缩液收集在另一个水箱中，输送至蒸发进料罐。蒸发进料罐还接收来自软化器的再生废水。两个反渗透单元可满足正常的工厂流量要求，第三个单元处于备用状态。有时，这三个单元也会运行以满足峰值需求。

经过pH值调节和添加阻垢剂后，蒸发进料罐中的液体被泵送至蒸发器进行最终减容。蒸发器的冷凝液被收集至储罐中，并被泵送至锅炉给水系统。

蒸发器产生的废液被送至倾析池，盐分在此沉淀。倾析池的溢流液流入蒸发池。倾析池中的盐分会定期由固体废物处理设备清除。

图 2
水流平衡废水处理系统

图3
Ray D. Nixon 发电站废水处理过滤和脱盐系统（点击放大）

废水处理系统运行

RD Nixon 发电厂拥有一套完善的污水处理系统运行维护程序。整个运行过程均可从中央控制室监控，IBM 计算机会打印出每周的维护计划。水样会在选定的地点采集，以便进行更详细的分析。污水系统的运行维护工作日只需一名操作员和三名维护人员，晚班和周末只需一名操作员。

废水处理系统的性能

该废水处理系统自1980年10月投入运行以来，几乎没有出现任何问题。事实证明，该系统设计精良，性能符合预期。主要问题包括反渗透系统进水中钙浓度过高。通过将软化器再生水从均衡池转移到蒸发器，这一问题得到了解决。另一个问题是由于预处理段的凝结不当造成的。将凝结剂从硫酸铝改为氯化铁后，这一问题得到了缓解。

反渗透系统运行良好，未出现重大问题。原有膜仍在使用，产水量和预期水质均达到设计要求。

表3列出了1980年10月反渗透系统启动时的进水、渗透液和浓缩液的分析结果， 图4列出了1982年9月的分析结果。这些分析表明，反渗透系统仍在去除进水中95%以上的总溶解固体。每两个月需要使用推荐的清洗液清洗一次膜。

进水中二氧化硅浓度过高并不成问题。在反渗透运行条件下（表2 ），进水中二氧化硅的最大允许浓度为70毫克/升。当二氧化硅浓度较高时，反渗透的回收率会向下调整。

反渗透系统未发生过非计划停机。系统的计划停机包括每年发电厂停机一个月以及均衡池水位低时停机。

表 2
反渗透系统运行条件

表 3
反渗透性能数据 | 1980 年 10 月 6 日的测试结果（分析单位：mg/l）

图4
废水处理 - 处理步骤中的典型水质分析

结论

发电厂废水可以采用预处理、反渗透、蒸汽再压缩蒸发等工艺进行处理和回收利用。

对于水资源短缺、水费高昂的情况，或者工厂排放物必须符合严格标准的情况，这里描述的零排放系统提供了最经济、可行的解决方案。

作者：Gil K. Dhawan | 1978年7月

抽象的

乳化含油废水是众多金属制造和机械加工行业中一个棘手的处理难题。传统的处理方法包括化学处理、焚烧以及由废物处理公司运输。本文介绍了一种新的含油废水处理方法。

典型的系统包括预处理（例如沉淀或筛分）、超滤和一些后处理。如果油可以回收，后处理通常采用沉淀法以提高油的浓度。如果油无法回收，后处理通常采用焚烧法。回收油的浓度可高达90%（体积百分比）。

超滤系统将含油水溶液通过 Electrohome 开发的膜系统，脱水率高达 90%。每个模块都包含管道，这些管道充当支撑圆柱形膜的压力容器。每次通过管道，水都会被去除，含油废水的浓度也会随之增加。

目前，该系统已应用于众多金属行业，处理各种含油污水。本文探讨了从这些系统中收集的数据，并列举了一些实际运行的工厂案例。在大多数情况下，运输成本的节省和焚烧成本的降低，可以在不到两年的时间内收回该系统的成本。如果可以回收，回报将更具吸引力。其他优势包括能耗低、化学品用量少以及系统简单。

介绍

超滤是分子水平的过滤。其核心是孔径可控的膜，用于区分大分子和小分子。被膜截留的分子可能溶解在溶液中，也可能是可见的聚集体。超滤原理如图1和图2所示。

在受控的压力和流量条件下，待处理的液体被施加到膜表面。膜允许水和水中较小的分子组分透过膜。这部分液体被称为渗透液。较大的分子组分无法透过膜，而是浓缩在水中。这部分液体被称为浓缩液。

超滤工艺的性能由两个参数定义。它们是：

• 渗透率：这是渗透液产生的速率，通常以每平方英尺膜表面每天加仑数来测量。
  
  
• 体积减少：定义为：[去除的渗透液体积/液体的原始体积] x 100。

这些因素将在以下章节中更详细地讨论。

图1：超滤（UF）过程

图2：超滤UF系统示意图

影响超滤性能的因素

有几个因素会影响超滤系统的性能。具体如下：

• 流经膜表面
  渗透速率与液体通过膜的速度成正比。提高液体速度也能减少悬浮固体对膜的污染。通常，最佳液体速度是通过泵功率和渗透速率之间的平衡来确定的。
  
  
• 工作压力
  渗透率也与施加在膜上的压力成正比。然而，过高的压力会导致膜不可逆的压缩。压缩会导致渗透率永久性下降。
  
  一般而言，超滤膜的最大建议压力约为每平方英寸 100 磅。
  
  
• 工作温度
  渗透率与液体温度成正比。通常，工作温度是膜和系统能够承受的最高温度。目前，超滤膜的材料可采用蒸汽清洗。

超滤技术在乳化含油废水处理中的应用

金属加工厂会产生乳化含油废弃物，包括机械加工厂、汽车厂、轧机厂等。纺织行业也会产生乳化含油废弃物。这类废弃物的典型特征如下：

• 污染物
  乳化废物中必然含有其他污染物，包括未乳化的液压油和机油、金属细粉、污垢、棉绒等。
  
  
• 含油量
  乳化油废弃物的含油量一般在1%至10%体积之间。
  
  
• pH
  乳化废弃物大多呈碱性，pH值一般在6-12之间。
  
  
• 温度
  废物的温度在 60° 至 140°F 之间。

乳化含油废物的处理存在问题，无法被市政处理系统接受。传统的解决方案包括：

• 化学法
  该工艺使用混合罐，加入酸和破乳剂。然后，液体经过沉淀，去除可焚烧的游离油。无油液体随后被中和，然后排入下水道。
  
  对于规模较小的工厂来说，这种方法并不经济，因为储罐、化学品注入和控制系统的成本相对较高。此外，这种方法占用空间较大，运营成本也较高。
  
  
• 焚化
  大多数工厂常用的另一种方法是将废物运送到最近的处理公司进行焚烧处理。这种方法的处理成本在每加仑25美分到45美分之间。这是一种相当昂贵的处理乳化油问题的方法。
  
  

• 超滤
  超滤可用于对乳化油废液进行脱水。超滤可去除高达95%的水分。这些水可以重新用于制备新的乳化液或排入下水道。浓缩液的含量仅为原始废液的5%，可以重复使用或焚烧处理。焚烧处理的成本仅为原始成本的5%。
  
  此外，超滤工艺简单、连续，且化学品用量相对较少。当油可重复使用时，超滤工艺可提供闭环操作。

油类废物超滤系统的运行

本文上文概述了某些操作参数对超滤系统性能的影响。通常，此类应用会采用以下操作：

膜表面的高流量降低了膜的污染率。污染可以定义为悬浮固体在膜上的沉积。污染率取决于游离油和污染物的浓度、油的类型以及油中其他添加剂（例如乳化剂、防锈剂等）的类型和浓度。

因此，需要定期使用清洁剂清洗膜。清洗频率取决于系统性能监控。通常每周清洗一次即可保持令人满意的性能水平。

超滤系统的性能

针对多种乳化油情况，已获取超滤系统的性能数据。这些情况包括机械加工产生的切削油、汽车厂的清洗水以及轧机冷却液。这些信息来自实验室测试、中试工厂和操作系统。尽管大多数乳化油处理方法可能存在差异，但具体方法如下：

• 超滤可用于去除乳液中 90-95％ 的水分（典型测试结果见表 1）。
  
  
• 在达到一定的油浓度之前，渗透率与油浓度无关。每种乳液的浓度都不同，通常表示乳液分解的点（见图 3 和图 4）。
  
  在乳化油水浓缩过程中，渗透液中一定量的乳化剂被去除。这导致乳化液分解并释放出一些游离油。这些游离油在膜上形成一层油膜。正是这层油膜导致渗透率急剧下降（见图3和图4）。
  
  
• 在某些情况下，渗透液可以重复使用。如果对渗透液质量有更高的要求，可以通过反渗透或碳吸收系统进一步处理。
  
  
• 乳化油的最终浓缩物可以焚烧或回收利用。通常，当合并污水中仅使用一种油乳化剂组合时，浓缩物可以重复使用。表2给出了一个回收油的示例，其中每天回收200加仑乳化油，每天可节省约500美元。
  
  
• 渗透率会随时间推移而降低，但可以通过定期清洗膜恢复到初始值（图5）。清洗液可去除膜表面的油性沉积物，通常需要在系统中循环约两小时。清洗周期的频率因应用而异。

表 1 - 乳化油应用的典型测试数据

*注：体积减少百分比等于[去除的水量/原始液体量] x 100

表 2 - 浓缩物与原油的质量对比

图 3 - 膜通量与总固体

32°；30 GPM；50 psig；4-5% 油初始进料

图4-超滤系统使用含油废水的性能

测试 5；50 psig；30 GPM；pH 值 6-7

图 5 - 巴德汽车公司基奇纳工厂超滤系统的性能

超滤系统的经济性

以下示例将说明使用超滤系统的诱人回报：

设计条件

资本成本

用于处理 2,000 加仑/天乳化油废水的超滤系统的资本成本为 40,680 美元。

运营成本

回报计算

安大略省汽车厂的一项调查显示，含油废水的处理成本平均约为每加仑0.25美元。超滤系统的投资回报计算总结如下：

结论

超滤是一种高效且经济的乳化油废水处理解决方案。该工艺简单，无需任何化学品。在油可重复利用的情况下，超滤可实现闭环系统。即使不回收油，该系统的回报也非常可观。

作者：Gil Dhawan 博士，Applied Membranes, Inc.

近年来，海外家用反渗透系统的销量快速增长。这些系统对膜的要求与美国市场有所不同。许多地方的自来水压力低至10psi。本文探讨了设备制造商如何调整其系统设计和膜的选择以满足这些要求。

最小压力与进料TDS

反渗透系统要产出成品水，必须对膜施加一个能够克服水体自身渗透压的最小压力。该压力取决于水中离子的类型及其浓度。渗透压与膜的类型无关。粗略估计，每100 ppm的总溶解固体 (TDS) 会产生约1 psi的渗透压。

例如，如果进水的TDS为2,000 ppm，则该水的自然渗透压约为20 psi。在这种情况下，必须施加至少20 psi的压力才能使渗透物通过膜。通常，施加的压力至少是可行的反渗透系统渗透压的两倍。

如果施加的压力不足以克服自然渗透压，则必须使用泵来提高施加的压力。目前至少有三种不同的泵系统可供选择，以满足住宅系统的需求。选择最佳泵系统需要考虑噪音水平、电压、容量和成本等因素。

更高容量的膜

膜的渗透能力取决于几个因素，包括水温和净可用压力。

净可用压力=施加压力-渗透压

如果使用加压罐，还必须从施加的压力中减去罐压力以获得净可用压力。

净压力越低，渗透率越低。为了补偿较低的净可用压力，需要使用额定容量更高的膜。

膜制造商已将更多膜封装在与目前住宅系统中使用的 2 英寸×12 英寸元件相同的物理尺寸中。这些更大容量的元件可以使用与标准住宅元件相同的膜外壳。CTA 元件的容量高达 22 加仑/天，薄膜元件的容量高达 36 加仑/天（在 60 psi、77 华氏度和 500 ppm TDS 水质条件下测试），直径为 2 英寸，长度为 12 英寸。

随着施加的压力降低并接近渗透压，对渗透流量和渗透质量的影响变得更加明显。

表1给出了膜渗透水质和渗透量随压力降低而变化的示例。该分析基于500 ppm TDS水、60华氏度（约17摄氏度）的温度和所示施加压力。下表中的数据用于演示极低压力下的性能变化。实际值可能因水质分析、膜通量和其他因素而异。通常，通量较高的膜性能下降相对较小，且压力较低。

表 1* - 极低压力下的预计性能

• 参考条件：60华氏度，500 ppm TDS
• 恢复：<10%
• 膜：FT-30（DOW FilmTec）

* 根据 Feed

** 数据由美国加利福尼亚州圣地亚哥市陶氏化学公司的 Jack Loos 提供

在另一项研究中，获得了CTA和薄膜膜在极低压力下的渗透流量和质量性能的实验值。如图2所示。

图 2 - 极低压力下的性能实验室研究

（感谢纽约州利物浦 Fastek 公司的 Steve Laird 提供）

作者：GK Dhawan | 1985年10月29日，马萨诸塞州波士顿，膜技术规划会议

抽象的

反渗透和超滤技术的应用范围十分广泛。这些技术的应用范围可能多达数百种。本文探讨了一些可用于探索新市场领域并提高每种应用商业化成功率的技术。

背景

膜技术的潜力早在 20 世纪 60 年代初就已为人所知。（见表 1）直到 10 年后，第一批商用膜才用于除盐以外的应用。

表 1 - 膜技术潜在应用

即便如此，这些努力也只有少数取得了成功。尽管早期遭遇挫折，但业界对膜技术在广泛应用领域的前景仍持乐观态度。例如，表2显示了1970年一项关于废水回收应用的研究结果：

表 2 - 潜在 RO 和 UF 市场展望

1985年表2所列市场的实际销售额仅为预期数字的一小部分。造成这种情况的原因有很多。首先，每项应用开发都需要进行大量的测试，了解行业、竞争情况和市场发展情况。其次，在许多情况下，为了使膜技术具有商业可行性，可能需要进行工艺改进、膜改造或开发新的膜、特殊的操作条件，或者这些因素的组合。所有这些因素都意味着应用开发的开发时间长且成本高昂。在实验室中进行的膜应用演示测试看似简单。我们认为，这种测试的简单性以及对膜和工艺行为缺乏了解，导致了人们对膜市场规模的不切实际的预期。另一方面，一旦我们了解了这些因素，我们就可以努力最大限度地提高成功的机会。因此，每项应用开发都是一个基于完善的工程实践和膜（RO/UF）行业过去的经验教训，按计划执行一系列任务的过程。本文的其余部分将讨论这些任务和经验。

膜技术是答案吗？

这是首先需要回答的问题之一。我们需要了解以下申请信息：

• 技术可行性
• 经济可行性
• 市场潜力
• 客户验收

我们将在以下章节中更详细地讨论这些问题。

技术可行性

在启动一项耗资巨大且耗时的开发项目之前，我们需要分析膜技术的技术能力和局限性。具体来说，我们需要了解以下几点：

• 膜系统的最低性能目标。例如，可以指定最低膜截留能力或最低体积减少量。此时快速检查可以判断任何膜或任何膜系统是否能够满足这些要求。
• 应明确主要关注领域。例如，这些领域可能包括渗透液中特定成分的损失量、使用膜技术对整个工艺的影响、在产生废水时如何处理浓缩液等。应评估这些因素的成本或可行性影响。

经济可行性

这不仅涉及通常的总体成本和经济效益标准，还涉及产品质量或产量提高、浓缩物处理成本（水和废水）、对整个过程的影响、水的再利用等因素。将膜工艺与传统工艺相结合可能比任何一种工艺都更经济。

中试工厂设计

对于所有新应用，都必须在现场进行有计划的中试工厂测试。为了使测试更具意义，中试工厂的设计必须考虑以下几点：

• 膜组件尺寸
• 工作条件
• 测试液体样品的体积
• 测试时长
• 数据收集

中试装置中使用的膜组件应为商业规模。操作条件的选择应符合膜规格。修改操作条件以优化膜性能。测试应进行充足的时间，以便获得关于膜污染的有意义的信息。在确定测试时间时，需要考虑进料类型、进料质量随时间的变化、以往经验和类似进料的数据以及其他一些因素。这些考虑因素还会影响数据类型和数据收集频率。

限制膜应用的因素

有多种因素可能会限制膜技术在特定情况下的应用。这些因素包括：

• 恢复
• 膜寿命
• 应用程序开发时间
• 风险与担保
• 应用行业

回收率定义为转化为渗透液的进水比例。它通过将渗透液流量除以进水流量得出。废水应用需要更高的回收率，以便将总废水量减少到最小体积以便最终处置。缺水地区也需要更高的回收率。特定应用的回收率取决于总离子含量（渗透压）、难溶盐浓度、渗透液质量等。如果无法达到预期的回收率，则膜应用可能不可行。膜寿命与系统的运行成本息息相关。膜元件的合理设计、系统的正确操作和维护至关重要。膜污染限制了膜技术在许多应用中的应用。

开发膜技术的新应用需要耗费大量的时间和成本。虽然初始测试和应用数据可以相对较快地完成，但要评估该行业中各种情况下对膜性能的长期影响，则需要付出相当大的努力。这可能会导致应用开发项目受挫，甚至提前终止。

在许多废水和工艺应用中，膜系统供应商不愿提供性能或膜寿命保证。另一方面，膜系统用户也不愿冒险采用新技术。设备制造商需要更多的现场经验，而最终用户则需要可靠的验证和长期的性能记录。

最后，必须充分了解每个应用行业及其需求和态度。系统设计可能需要根据每个行业的特殊要求进行修改。

从试点测试到系统设计

系统设计是开发新应用过程中的另一个步骤，对整体成功至关重要。过去，不合理的系统设计会导致膜寿命缩短、清洗频率增加、能源成本上升以及膜效率降低。当然，设计不良的系统还会导致客户和行业对膜技术失去信心。

市场潜力和客户接受度

开发新应用的一个重要考虑因素是其潜在的市场规模。许多机构对膜技术的市场预测过于乐观，导致人们对其真正的潜力感到失望和担忧。在预测每种应用的市场潜力时，必须仔细权衡各种因素的影响，例如技术开发时间、开发成本、客户对膜技术的接受度以及竞争技术的实力。

我将通过我开发的两个应用来说明这一点。第一个应用是乳化含油废水的处理。超滤用于浓缩废水中的油，并将渗透物排入下水道或进行回收利用。1974年，我们进行了一项广泛的实验室和中试项目。我们的工作表明，在许多情况下，节省的废水运输成本可以在不到一年的时间内收回超滤系统的成本。金属表面处理行业对超滤技术持怀疑态度，不愿购买这种设备。最终，我们不得不通过租赁或租用超滤设备来解决这个问题，直到在行业中积累了足够的业绩记录。这个过程耗时超过五年。

在另一个应用中，目标是将枫树汁的含糖量从约1%浓缩至约10%。此时，可以利用低能耗的反渗透技术去除90%的水分。然后，反渗透浓缩液可以通过传统的蒸发器进一步浓缩。1978年，我调查了这项应用，发现市场上已经售出了少量反渗透装置。这些是最初设计用于水处理的标准反渗透装置。我们研究了客户和行业需求，设计了与之相匹配的反渗透系统，并开展了测试和演示项目。枫树汁行业积极响应，在接下来的两年里售出了200多台反渗透装置。

成功申请

下面列出了反渗透和超滤的一些成功应用。

• 饮用水、超纯水、锅炉给水、冲洗水和其他工业用途的水处理。
• 废水处理应用，如电沉积漆、含油水、电镀漂洗水、冷却水、城市污水、奶酪乳清、染料、溶剂、胶体等。
• 食品加工应用，如牛奶浓缩、果汁澄清、低醇啤酒等。

结论

• 开发反渗透和超滤的新市场需要在实验室和现场仔细开发应用和设计数据。
• 市场预测必须考虑技术限制、开发应用程序所需的时间和精力等因素。
• 缺乏对应用行业的透彻了解和应用测试数据不足，导致膜技术引进失败或长期延迟。
• 迄今为止获得的理解和经验有助于膜技术商业化取得更多成功。

作者：GK Dhawan，1985年

膜污染简介

所有膜的性能都会随着时间的推移而下降。性能下降的主要原因之一是膜表面沉积的物质。虽然“污垢”一词指的是膜上任何物质的沉积，但膜表面的沉积可能由以下原因造成：

• 污垢
• 缩放

污垢

膜污染是由于反渗透系统进水中可能存在悬浮物或乳化物造成的。这些物质的例子包括：二氧化硅、油、粘土、铁、硫和腐殖酸。这些物质可能以极细的颗粒或胶体形式存在。即使是反渗透系统上游使用的典型5微米滤芯也可能无法完全去除这些污垢。

膜污染和结垢

进水中所有物质（溶解物和悬浮物）的浓度在膜表面附近最高。当渗透液通过膜去除时，所有杂质都留在膜表面附近。膜表面附近的水层（边界层）中溶解物和悬浮物的浓度不断增加。这些浓度最终达到某个稳定水平，具体取决于进水流速、膜元件回收率和膜渗透液通量（每天每平方英尺渗透液产生的加仑数）。

务必遵循膜制造商关于最小进水流量、最大膜元件回收率和最大膜元件通量的建议。这些建议基于膜元件的尺寸和待处理进水的水质。边界层中溶解和悬浮固体的浓度决定了膜的性能。浓度越高，渗透压就越高，悬浮固体越容易凝结并附着在膜表面，也就越容易结垢。保持膜的良好运行条件是最大程度减少膜污染的关键预防措施。

阻垢剂注入

对于非住宅系统，避免碳酸钙和硫酸钙结垢的另一种方法是使用阻垢剂。这些阻垢剂直接注入筒式过滤器上游的给水中。阻垢剂的剂量取决于给水分析，但通常在 2 至 5 ppm 之间。简而言之，阻垢剂会延缓结垢过程。这种延迟足以避免碳酸钙和硫酸钙在膜表面沉淀。由于这种延迟的时间有限，因此在系统关闭时可能会发生结垢。因此，在关闭时用渗透水或给水冲洗膜是一种很好的做法。通过这种冲洗，膜中的浓缩溶液会被渗透水或给水取代。

分散剂注入

对于悬浮物或胶体物质，可在进水中注入分散剂。分散剂的常用剂量为10 ppm。分散剂可防止细小悬浮固体凝结并沉积在膜表面。正确使用分散剂可以最大限度地减少难以预过滤的颗粒物造成的污染。

酸注入

调节给水pH值是控制碳酸钙结垢的另一种方法。通过注酸降低给水pH值的最终效果是将碳酸氢盐碱度转化为二氧化碳，从而防止碳酸钙的形成。出于操作和安全考虑，住宅或小型商业系统不采用注酸法。

减少恢复

膜回收率定义为该膜的渗透流量与进料流量之比。增加进料流量可以降低回收率。降低回收率的另一种方法是降低操作压力。较低的操作压力会导致渗透量减少。如果进料流量能够保持在原始值附近，则回收率会降低。

降低回收率的效果是降低反渗透系统中所有物质的总浓度。降低系统回收率还可以实现更有利的边界层条件。

膜清洗

即使对反渗透系统采取了所有预防措施，膜仍会受到一定程度的污染。清洁膜可以提高膜的性能。可以使用膜制造商认可的清洁液来清洁膜。清洁家用反渗透系统中使用的膜并不经济。

结论

通过合理的设计和操作条件，可以最大限度地减少膜污染和结垢。在设计和操作反渗透系统时，必须考虑控制膜污染的重要变量。

相关文献：

	膜清洁指南 何时清洁膜、常见污垢及其相关症状、清洁顺序和清洁说明
	膜清洗和支持化学品 酸性清洁剂、碱性清洁剂、阻垢剂、分散剂和防腐剂

作者：Gil K. Dhawan 博士、PE，Applied Membranes, Inc.

在讨论膜的特性和性能之前，有必要先简单定义和讨论一下反渗透。

渗透可以定义为液体通过理想的半透膜从稀溶液自发流向浓溶液的过程。该半透膜允许溶剂（水）通过，但不允许溶解的固体（溶质）通过。（见图1。）水从膜的一侧向另一侧的转移持续进行，直到水头或压力（P）足够大，足以阻止溶剂（水）向浓溶液的净转移。在平衡状态下，两个方向的水量相等，此时压力（P）定义为具有特定溶解固体浓度的溶液的渗透压。

如果将一个活塞放置在半透膜浓度较高的溶液侧（见图2），并对溶液施加压力P，则可以实现以下条件：(1) P小于溶液的渗透压，溶剂仍会自发地流向浓度较高的溶液；(2) P等于溶液的渗透压，溶剂以相同的速率向两个方向流动，即水位没有净变化；(3) P大于溶液的渗透压，溶剂从浓度较高的溶液流向膜的“纯”溶剂侧。图II-2所示的条件(3)代表了反渗透现象。

溶液的渗透压会随着浓度的增加而增加。基于氯化钠的经验法则是，每增加毫克/升，渗透压大约增加0.01 psi。这个近似值适用于大多数天然水。然而，高分子量有机物的渗透压要低得多。例如，蔗糖每增加毫克/升，渗透压大约增加0.001 psi。

测量渗透压的方法有很多种。渗透压可以通过降低溶液的蒸汽压、降低凝固点以及通过等效理想气体定律方程来计算。表1列出了一些常用成分的计算值。市面上有几种可以直接测量渗透压的装置。这些装置测量的是阻止水流过膜所需的压力。

我们测量溶液渗透压的方法是测量在多个压力条件下，通过一个模块的水通量。如果将水通量与压力的关系图外推至零水通量，则截距即为渗透压。这给出了有效渗透压，包括任何浓度极化。必须注意保持恒定的回收率或校正浓度变化。

试图通过在刚好达到零流量的压力下操作来直接测量溶液的渗透压是不切实际的，因为膜并非完美的半透膜。该技术可以测量进水和产水之间的渗透压差。在低压下，盐截留率相对较差，因此会测得略低于实际值的假渗透压。

25 摄氏度（77 华氏度）时的典型渗透压

注意：根据以上常见离子种类的数据，估算需要脱盐的天然水源渗透压的有用经验法则是每 1,000 mg/l (ppm) 10 psi。

作者：Applied Membranes, Inc. 总裁 GK Dhawan

超滤是一种使用孔径在0.1至0.001微米范围内的膜进行的分离过程。通常，超滤可以去除高分子量物质、胶体物质以及有机和无机聚合物分子。低分子量有机物和离子，例如钠、钙、氯化镁和硫酸盐，则不会被去除。由于仅去除高分子量物质，因此膜表面的渗透压差可以忽略不计。因此，较低的施加压力足以使超滤膜达到较高的通量。膜通量定义为单位时间内每单位膜面积产生的渗透液量。通常，通量以加仑/平方英尺/天 (GFD) 或立方米/平方米/天表示。

超滤膜可具有极高的通量，但在大多数实际应用中，通量在约 50 psig 的工作压力下在 50 至 200 GFD 之间变化，而反渗透膜在 200 至 400 psig 时仅产生 10 至 30 GFD。

超滤器与传统过滤器

超滤与反渗透类似，是一种错流分离过程。待处理的液流（进料）沿膜表面切向流动，从而产生两股液流。通过膜的液流称为渗透液。渗透液中残留物质的种类和数量取决于膜的特性、操作条件和进料的质量。另一股液流称为浓缩液，浓缩液中被膜去除的物质逐渐浓缩。因此，在错流分离中，膜本身并不充当离子、分子或胶体的收集器，而仅仅是阻挡这些物质的屏障。

另一方面，传统过滤器（例如介质过滤器或筒式过滤器）仅通过将悬浮固体截留在滤料的孔隙中来去除它们。因此，这些过滤器充当了悬浮固体的储存器，必须经常清洗或更换。传统过滤器位于膜系统的上游，用于去除相对较大的悬浮固体，并让膜完成去除细颗粒和溶解固体的工作。在超滤中，许多应用无需使用预过滤器，超滤模块会浓缩所有悬浮物和乳化物。

浓度极化

当使用膜进行分离时，膜表面附近任何被去除物质的浓度都高于其在液流主体中的浓度。这种情况称为浓差极化，存在于所有超滤和反渗透分离中。浓差极化的结果是形成一个边界层，该边界层中被膜去除的物质的浓度相当高。边界层的厚度及其浓度取决于膜系统中的质量传递条件。膜通量和进料流速对于控制边界层的厚度和浓度都很重要。边界层阻碍水流过膜，边界层中物质的高浓度会导致渗透液质量较差。在超滤应用中，沿膜表面保持相对较高的流体速度以降低浓差极化效应。

恢复

超滤系统的回收率定义为转化为渗透液的进水百分比，或：

超滤膜

超滤膜组件有板框式、卷绕式和管式三种结构。所有结构均已成功应用于不同的工艺流程。每种结构都特别适用于某些特定应用，并且在许多应用中，多种结构适用。对于高纯水，通常使用卷绕式和毛细管式结构。所选结构取决于胶体物质或乳液的类型和浓度。对于浓度更高的溶液，则使用更开放的结构，例如板框式和管式。在所有结构中，最佳系统设计必须考虑流速、压降、功耗、膜污染和组件成本。

膜材料

商用超滤膜的材料种类繁多，但最常见的是聚砜和醋酸纤维素。最近，薄膜复合超滤膜已上市。对于高纯水应用，膜组件材料必须与定期用于膜消毒的化学品（例如过氧化氢）兼容。

截留分子量

超滤膜的孔径范围在0.001至0.1微米之间。然而，更常见的做法是按截留分子量对膜进行分类。例如，用于去除分子量为10,000及以上的溶解固体的膜，其截留分子量为10,000。显然，即使截留分子量相同，不同的膜也会具有不同的孔径分布。换句话说，不同的膜对不同分子量物质的去除程度可能不同。然而，在为特定应用选择膜时，截留分子量仍是一个有用的指导。

影响超滤性能的因素

有几个因素会影响超滤系统的性能。这里简要讨论一下这些因素。膜表面的流量：渗透率随着液体流过膜表面的流速而增加。对于含有乳液或悬浮液的液体，流速尤为重要。更高的流量也意味着更高的能耗和更大的泵。提高流速还可以减少膜表面的污垢。通常，最佳流速是通过在泵功率和渗透率增加之间进行折衷而获得的。

工作压力

渗透速率与膜表面施加的压力成正比。然而，由于污垢和压实增加，工作压力很少超过100 psig，通常在50 psig左右。在某些毛细管型超滤膜组件中，由于膜组件的物理强度限制，工作压力甚至更低。

工作温度

渗透速率随温度升高而增加。然而，温度通常不是一个可控变量。了解温度对膜通量的影响非常重要，这样才能区分渗透速率的下降是由温度下降引起的，还是由其他参数的影响引起的。

超滤系统的性能

在高纯水系统中，超滤正在慢慢取代传统的0.2微米筒式过滤器。在日本，几乎所有的半导体行业都采用这种做法。截留分子量为10,000的超滤膜的标称孔径为0.003微米。当使用超滤膜代替0.2微米筒式过滤器时，颗粒去除效率会大大提高。此外，超滤膜不像0.2微米过滤器那样容易受到细菌透过的影响。在最近的一项研究 (1) 中，对超滤器的性能与0.2微米筒式过滤器的性能进行了比较。部分结果列于表 A。研究中使用的超滤器的截留分子量为100,000（孔径为0.006微米）。随着对高纯水质量的要求越来越严格，我们预计超滤作为最终过滤器的使用将会越来越多。

表 A - 超滤颗粒计数对水的有效性

*超滤后的管道未升级

超滤系统的操作和维护

超滤系统的操作和维护与反渗透系统类似。应每日记录进水和产水流量、进水压力和温度以及整个系统的压降。当系统产水量下降10%或更多时，应清洗膜。进水流量对超滤系统的运行至关重要。进水流量下降可能是由于预过滤器（如有）、流量控制阀或泵本身出现问题。当系统关闭超过两天时，应在膜内循环杀菌剂。重新启动时，产水应排至排水管，直至杀菌剂全部去除。

结论

超滤在高纯水生产中的应用将日益广泛。本文概述的基本原理将有助于理解和使用这项技术。

参考：

¹ Gaudet，PW，“去离子水的现场超滤及其对微电子设备质量的影响”，美国材料与试验协会，1984 年。

术语表

• 进料——超滤系统要处理的液体。
• 渗透物——穿过膜的液体流。
• 浓缩液 - 渗透液经过浓缩后剩余的液体部分
• 回收率 - 以百分比表示，定义为渗透速率与进料速率的比值。回收率可以即时衡量系统中的最大浓度，并影响渗透质量、泵尺寸、功耗和膜污染。
• 通量——单位时间内每单位膜面积的渗透流量（加仑/平方英尺/天）
• 阻隔率 - 膜对特定物质的去除率。表示为 1-CP CF，其中 CP 为渗透液中的浓度，CF 为进料中的浓度。
• 流速——液体沿膜表面流动的速率，以单位时间的长度表示（英尺/秒）。

作者：GK Dhawan 博士、PE、Applied Membranes, Inc.

介绍

反渗透技术已发展成为一种广泛应用的水净化工艺。设计精良、操作规范的系统能够长期稳定运行。这些系统中的膜具有较长的使用寿命。另一方面，反渗透系统的设计或操作失误可能会导致持续出现问题，并缩短膜的使用寿命。

本文回顾了反渗透系统设计和操作过程中的一些常见错误。

膜性能

要保持膜的最佳性能，有一个简单但极其重要的事实： “保持膜表面清洁”。

水中的所有杂质都会在膜表面被去除。该分离步骤的动力学必须确保浓缩物不会在膜表面积聚。如果浓缩物在膜附近积聚，低溶解度物质就会沉淀，从而导致膜性能下降。

水质分析

了解水质分析以及难溶性物质可能造成的问题对于反渗透系统的成功至关重要。许多反渗透系统在设计和销售时都没有进行水质分析，或者分析不完整。有些错误在现场很难修复，甚至可能需要丢弃现有系统，重新开始。

恢复

回收率定义为渗透流量与进料流量的比例。

回收率% = (渗透流量÷进料流量) × 100

在家用系统中，回收率以盐水流量与渗透流量之比表示。例如，盐水与渗透流量之比可能为 5:1。这可以转化为回收率，如下所示：

进料流量=渗透流量+盐水流量
回收率% = (渗透流量 × 100) ÷ 进料流量
或 = 100 ÷ 6 = 16.7%

对于大多数自来水，建议每个膜的回收率保持在10%至15%之间。高于建议回收率的膜操作将导致膜表面污染。

膜通量

所有膜都有一个共同的局限性：对于给定的水量，它们只能产生一定的最大渗透流量。该限制取决于进水水质，而非膜的制造商。例如，大多数自来水应用的最大渗透流量为每平方英尺每天25加仑。当膜的运行通量高于此值时，就会发生污染。

进料流

必须保持整个膜的最低进料流量。进料速度有助于减少浓缩物在膜表面的积聚。当使用多个膜时，这些膜的布置对于保持适当的流速至关重要。这种布置必须与其他相关因素（例如更高的泵送成本、循环流量等）进行核对。

系统关闭

进水流经膜时的结垢趋势与停机时的静止水截然不同。某些悬浮固体可能会在静止期间沉积在膜表面。另一方面，二氧化硅会在停机期间结晶。适当的冲洗周期可以消除这些问题。

住宅系统

家用反渗透系统需要考虑上述所有部件。此外，家用系统还有一些其他需要特别注意的因素。这些问题大多是由于系统制造过程中某些关键部件选择不当造成的。

• 流量限制器：质量差的流量限制器可能会导致系统以更高的回收率运行，从而缩短膜的寿命。
• 预过滤器：住宅系统预处理中使用的沉积物和碳过滤器不得脱落纤维或释放碳细粉。
• 止回阀：故障的止回阀可能导致膜元件渗透侧产生背压，从而导致膜的物理损坏。

概括

遵循本文概述的建议，可以避免反渗透系统设计和操作中的错误。打造性能稳定、膜使用寿命长的系统没有捷径。

图表和参考

作者：Gil K. Dhawan 博士、PE，Applied Membranes, Inc.

世界各地都在使用海水淡化技术将海水转化为饮用水。采用薄膜复合膜的反渗透工艺在过去20年中不断发展，降低了海水淡化成本。膜、能量回收、泵和压力容器方面的重大改进显著降低了淡化水的成本。

海水淡化工艺的关键技术是反渗透。在该工艺中，海水在压力作用下以连续流动的方式被压向半透膜。由于海水含盐量高，反渗透的操作压力必须在60-70巴之间。当海水渗透过膜时，大部分溶解杂质被去除，99.5%的总盐量也被去除。杂质留在流动的水中，而浓缩的海水则从膜中排出，最终排入海洋。整个系统的设计必须优化流量、膜面积和其他条件，以确保系统以尽可能高的效率运行。

应用膜公司已安装多套用于海水淡化的反渗透系统。一套典型的系统由过滤、紫外线、化学药剂注入以及反渗透膜组成。下表列出了海水淡化系统的典型性能：

海水RO水质

• 恢复：45% 运营
• 压力： 900 PSI

成功的海水淡化系统需要充分理解和设计，以克服海水中高盐分和大量微生物的问题。海水的高浊度和腐蚀性也需要采取措施来克服这些问题。海水淡化的经验以及近年来能量回收和低能膜技术的改进，已使海水淡化成本降低，如下所示：

运营成本——海水淡化

费用不包含：

• 进水
• 浓缩排放
• 建筑成本
• 设备摊销
• 监控和维护的劳动力

海水淡化前景一片光明。世界许多沿海地区饮用水短缺和干旱加剧的问题可以通过海水淡化得到解决。数百个海水淡化系统正在为市政当局、度假村、酒店、海上钻井平台、船舶、游艇和军方生产饮用水或工艺用水。这些系统的规模从每天100加仑到数百万加仑不等。

结论

• 由于海水淡化成本较低，反渗透海水淡化将会得到更广泛的应用。
• 适当的设计、操作和维护对于进一步降低这些成本至关重要。
• 必须仔细考虑海水进入系统的吸入和 RO 膜浓缩液的排出。

作者：William H. Stroman，圣地亚哥天然气与电力公司实验室项目分析师，1995 年
演讲地点：Applied Membranes, Inc. 研讨会：反渗透系统的设计、操作和维护，演讲者：Gil Dhawan 博士。

迄今为止在解决 Encina 发电厂反渗透系统遇到的问题方面的经验

抽象的

20世纪80年代初，发电机组从基本负荷运行转为循环运行，这增加了锅炉补给水的需求。由于机组蒸发器在低负荷运行时会造成产量损失，或者在发电机组因经济原因停运时，蒸发器也会停止运行，因此决定在现有电厂除盐器（DI）前安装一套反渗透系统（RO）。由于20世纪80年代初的预算限制，公司决定与一家供应商签订合同，生产和销售RO产品，将服务运行用水量从10万加仑增加到180万加仑，并因此拆除了其他4台机组上现有的蒸发器。在签订了为期五年的合同的四年之后，于 1988 年 6 月行使了购买供应商运营系统的选择权。本文讨论了自接管供应商的运营责任以来，在排除 RO 系统故障、解决膜结垢问题以及改进 SDG&E 的 Encina 发电厂反渗透系统运行的改造方面的经验。

背景

SDG&E 签订了两份反渗透系统合同，由供应商负责建造、运营、服务和维护，为现有发电厂的除盐装置提供反渗透产品进料。每份合同都提供了 4 年和 5 年的选择权，可以选择购买反渗透系统并终止服务合同。这两套反渗透系统均通过竞争性投标，主要标准要求回收率为 75%，并将给水成分的去除率至少达到 92%，达到规定的加仑数，例如，Encina 发电厂为 160 gpm，South Bay 发电厂为 60 gpm。Encina 反渗透系统包括初级过滤、筒式过滤、用于控制 pH 值的酸注入、高压泵、容器和按 4:3:2 排列的醋酸纤维素 (CA) 膜、脱气器和脱气器产品泵，参考图 1。如果无法满足合同规格，则要求供应商引入便携式除盐装置。

四年后，评估结果显示，SDG&E 购买恩西纳发电厂的反渗透系统并重新招标服务/维护合同具有经济效益。购买反渗透系统后，我们原本打算将服务和维护合同招标给其他供应商。但原供应商的服务/维护合同却落入了竞争对手手中。在更换服务供应商的两天前，高压泵发生故障，导致故障泵产生的碎屑损坏了首次通过膜。系统大约花了30天时间才恢复到可接受的生产状态。由于锅炉中燃烧残油，需要额外用水进行燃料雾化。这进一步增加了反渗透/去离子水的补充量要求，而由于反渗透系统的产水量仅为约90加仑/分钟，因此我们引入了便携式除盐器来满足用水需求。

新的供应商不愿承担反渗透系统的维修和维护责任，除非高压泵修好，系统恢复到合同规格要求。反渗透系统性能下降，导致进水压力超过500 psi，导致两个压力容器的玻璃纤维包裹层发生泄漏。

在修复期间，新供应商对系统设计、系统设备状况以及较高的膜污染率表示担忧（注：此信息在招标过程中已提供）。因此，SDG&E 更换了反渗透膜，检修了主过滤器，更换了两个泄漏的压力容器，安装了更大的滤芯过滤器，并增加了氯注入系统。双方重新协商了新的短期合同，最终 SDG&E 于 1989 年接管了反渗透系统的维护和服务工作。

自1984年RO系统首次投入使用以来，城市供水中铝膜结垢一直是个老大难问题。系统从泵故障中恢复后，便着手解决铝结垢问题。解决该问题的方案是将进水pH值从正常的5.7降低到4.8-5.0。在4.8-5.0的pH值范围内，铝的溶解度会恢复到其在给水中的溶解度范围内。

泵故障也指出了 RO 系统的许多值得关注的地方，其中最主要的是 RO 系统出现问题时的操作或系统灵活性非常小。例如，原始系统需要两台高压泵才能达到 160 gpm 的设计流量。在 1989 年接管运营和维护责任后，设计进行了修改，并于 1991 年将原来的单一系统 4:3:2 阵列分成两路配置，参考图 2。两路配置可以与净 224 gpm 并联运行，也可以与净 120 gpm 的 RO 产品串联运行。串联模式允许将 A 组的产品作为 B 组的进料，以产生低于 10 ppm 的脱气产品，作为脱盐器的进料供应。

范围

由于反渗透装置性能不佳，且服务供应商存在问题，工厂需要使用便携式除盐器来满足补水要求。由于费用昂贵（5万美元），工厂工程和实验室人员对反渗透系统进行了评估。评估的目的是找出反渗透系统组件存在的问题，并确定需要采取哪些措施来改进系统运行、提高可靠性，并方便工厂人员接管维护/维修工作。

反渗透装置问题解决

与多家服务公司、膜制造商、承包商和其他反渗透系统用户进行讨论后，提出了许多改进系统的方案。为了协助调查，我们与 Process Scientific, Inc. (PSI) 签订了合同，对系统进行评估，并根据 SDG&E 编制的具体项目清单进行响应。在整理了来自 PSI、供应商、制造商和其他反渗透系统用户的各种反馈后，我们制定了一项纠正措施计划。

第一个决定是确定由谁来操作和维护反渗透系统，是供应商还是工厂员工。最终决定重新协商服务合同，将合同期限缩短至15个月，然后接管反渗透装置的服务和维护。制定的计划是利用这15个月的时间实施系统改进，以降低系统维护强度，建造一个化学清洗装置，实施标准化程序，并对工厂操作和维护人员进行培训。

第二步是评估反渗透 (RO) 性能。调查发现，铝结垢加上设计欠佳的反渗透系统，需要大量人力才能维持装置达到预期规格，例如，在 160 加仑/分钟的产品流量下，给水成分的最低去除率为 92%。

RO 组件的评估：

城市供水

南加州都会水务局使用的明矾预处理化学品是导致反渗透膜首道元件结垢的主要原因。铝垢会导致产品流量损失，并根据需要增加反渗透进水压力以维持所需的产品流量。如果膜未及时进行化学清洗，较高的膜压会导致膜发生不可逆的压实。我们与服务公司、膜制造商、承包商和其他反渗透系统用户就预处理进行了讨论，并提出了许多不同的纠正措施，其中一些将在以下组件评估中讨论。

沙滤器

根据对滤池出水进行的粉尘密度指数 (SDI) 测试，沙滤器（初级过滤）未能提供良好的城市供水预处理效果。在滤池大修之前，SDI 平均值为 5.5。大修后，SDI 值在 4.5 至 5.6 之间变化（会因季节性水质变化而变化）。通常，SDI 为 5 表示污垢率高，SDI 为 5 表示污垢程度中等，SDI 为 3 表示污垢程度达到需要每 3 至 6 个月清洗一次膜的程度。

对SDI测试中使用的微米过滤器进行分析发现，有机物含量较低（1%），铝（58%）和铁（42%）污垢含量较高。对每个过滤器的进水和出水进行了取样，以确定是否发生了内部腐蚀。分析发现，铁存在于进水中，而不是来自过滤器。

其中一项建议是向砂滤器入口注入酸液，使滤料中的铝沉淀出来。沉淀的铝随后在反冲洗过程中被去除。然而，砂滤器在反冲洗过程中并未被去除。砂滤器并非设计用于低pH值（5.7）的进水。低pH值环境会导致滤料内部腐蚀，腐蚀副产物还会造成膜内铁垢问题。

升级过滤器以提高其耐腐蚀性能将花费约 75,000 美元。此外，还需要额外花费改造进水管道，以便在拆卸后与沙滤器保持 10-30 秒的接触时间。由于该方案成本过高，因此在整改措施清单中被列为低优先级。

过滤器制造商代表检查了过滤器，并建议在大修期间用30号砂代替无烟煤和沙子的混合物重新铺设滤垫。砂介质的过滤粒度比无烟煤/沙子混合物的粒度更小，而且在现有容器高度下，混合物无法实现适当的滤垫膨胀。

筒式过滤器

筒式过滤器的额定流量允许进水流量为230加仑/分钟。5微米过滤器出现污垢，并在1-7天内达到更换压力（差值10 psig）。该地区其他反渗透用户也遇到了同样的污垢速度。为了增加过滤面积，我们更换了更大的筒式过滤器。注意：更换筒式过滤器并将进水pH值降至4.8-5.0后，更换频率通常超过30天。

氯气注入

作为紧急纠正措施计划的一部分，安装了氯注入系统，将产品中的游离氯残留量控制在0.05至0.1 ppm之间。这有助于控制膜中的生物污垢。

控制铝垢的方法

一些供应商建议，在进入砂滤器之前，通过调节给水的pH值来去除溶液中的铝，以便通过过滤工艺去除。如前所述，砂滤器与pH值较低的给水不兼容。由于更换原有过滤器并改造给水管道以达到所需的接触时间在经济上不切实际，因此该方案在纠正措施清单中被列在最后。

另一项建议是软化城市用水，并将反渗透醋酸纤维素膜更换为薄膜膜。这项建议并未考虑到经济因素（例如，176,000 美元的资本支出）、软水器再生的年度软水器运行成本（9,000 美元）以及软水器再生产生的额外废水。注意：如果这是一个新建的工厂设计，并且该设计将反渗透盐水废水用于其他用途（例如，冷却塔补给、泵冷却），以减少总用水量并最大程度地减少工厂废水，那么使用软水器进行预处理可能是一个不错的选择。

最后考虑并实施的方案是将进水pH值从最初的控制值5.7降低到砂滤器下游、筒式过滤器之前的4.8-5.0。此举使铝的溶解度与自来水的溶解度相匹配，并防止铝从溶液中析出到膜上。

降低pH值控制（4.8-5.0）也改善了CA膜的水解，从而有助于延长膜的使用寿命。4.8-5.0的pH值控制确实会使每月酸成本增加约35美元，但仅更换滤芯过滤器所获得的收益就远远超过了额外酸成本的增加。自实施这一改变以来，膜清洗间隔已从5周延长至约3-5个月。此外，滤芯更换频率也从每2-7天一次更改为每4周一次，每月节省约500美元的耗材和人工成本。

为了将进水pH值从5.7降低到4.8-5.0而额外添加的硫酸，也增加了可用于沉淀硫酸钡、硫酸钙、硫酸镁和硫酸锶的硫酸根离子数量。Fluid Systems对反渗透装置性能的预测表明，在75%的回收率下，反渗透盐水中只有钡超过饱和状态。将阵列分成两道系统并消除铝结垢问题后，我们开始注意到第二道系统中存在钡结垢问题，本文稍后将对此进行更详细的讨论。

反渗透膜

CA 膜于 1989 年 4 月更换。在完成纠正措施计划中列出的项目后，更换了膜，例如检修主过滤器、安装氯注入装置、更大的滤芯过滤器、降低进料 pH 值（4.8-5.0）、新的压力调节器和级间压力表。

压力表

在第一个容器阵列（第一内级压力）的出料口处添加了压力表（共2个）。结合现有的系统进料和浓缩压力表，新压力表可以确定系统中哪个部分的压差增大。利用各个通道压差读数的变化，可以将清洁工作定向到实际需要清洁的特定通道（例如，根据需要仅清洁第一通道、第二通道或第三通道，以保持系统处于所需的运行规格范围内）。

性能监控

系统性能监控使用 Fluid Systems 提供的 NORMPRO 标准化软件包进行。标准化数据的目的是将日常运行数据与一组标准运行条件进行比较。

标准化程序基于 ASTM D-4516《反渗透性能数据标准化标准规范》。膜清洗的基准是当前浓水/进水压差与基准浓水/进水压差之间最大增幅为 10%。这有助于防止膜过度污染/结垢以及不可逆的膜损坏。（注：根据结垢或污染的原因以及清洗对系统恢复的效果，最多可采用 15% 的增幅作为确定清洗时间的标准。）

1991年10月：原系统改为双程配置

1988年高压泵发生故障，充分表明了在出现问题时拥有一个灵活可靠的RO系统是多么重要。如果一个RO系统配备两台高压泵，且每台泵的容量都未达到设计容量的100%，则不利于提高整个系统的可靠性和效率。

1991年10月，现有的4:3:2阵列反渗透系统被拆分为两级反渗透系统，其中A组采用5:2阵列，B组采用4:2阵列，可根据系统用水需求串联或并联运行，参考图2。并联运行期间，总出水量为224加仑/分钟，脱气产品质量低于50 ppm；串联运行期间，总出水量为120加仑/分钟，脱气产品质量低于10 ppm。

串联运行带来的水质改善还可使脱盐器的总处理量额外增加2-3倍。注意：如果RO产品储罐配备浮顶或氮气盖，以降低二氧化碳的再吸收率，则DI阴离子交换器的总处理量可提高20-40%。

下游装置（B组）自采用双程配置启动以来（约3年），未出现任何污垢或结垢问题，也无需进行膜清洗。下游装置的膜使用寿命也应显著长于主装置。

阵列更换还包含停机后使用自来水冲洗（酸化和氯化），以清除膜中的浓缩反渗透盐水。冲洗有助于防止停机期间出现沉淀和有机物生长。注意：如果可能，应使用反渗透产品进行停机后冲洗，以确保彻底去除或稀释膜盐水进料通道中可能处于或接近饱和状态的浓缩成分。此外，当反渗透系统处于待机状态时，用于冲洗的反渗透产品可能会与膜表面可能存在的各种矿物质达到离子平衡，这些矿物质可以在反渗透系统恢复运行时被去除。

持续努力防止钡垢形成

根据NORMPRO标准化程序，确定反渗透（RO）A组膜需要清洗，参见图3。A组膜第二次清洗于1992年4月23日进行，第一次清洗于1992年4月24日进行。这是自1991年10月RO系统改造为双组膜系统以来的首次清洗。两步清洗过程采用Flocon 103，通过第二组膜的压差进行清洗。

清洗后，进料压力下降，压差上升。这意味着膜表面已被清洗，但盐水进料通道仍然堵塞。1992年5月7日，更换了第二级反应器的最后两片膜元件（共四片）。更换膜元件后，第二级反应器的压降恢复到最初分离成双级反应器时的水平。

从第二道工序中取出的膜元件，每个膜元件的入口处都存在钡沉积，其中最严重的是每个容器中串联的最后一个膜元件。从第二道工序容器中取出的四个膜元件中，有两个被送往流体系统公司进行切开检查。四个膜元件中的3号膜元件在膜的底部区域有带状沉积物（后经确定为钡），参考图4和图5。压力容器中串联的四个膜元件中的4号膜元件的钡带比3号膜元件宽4-6倍，并且在膜元件的顶部有更普遍的沉积物，参考图6 。

根据底部或六点钟位置的钡带，似乎当速度发生变化（即装置关闭）时，过饱和状态下的钡会从溶液中沉淀出来。初始沉淀发生后，它会成为其他颗粒生长的种子，并诱导凝结胶体颗粒的形成，从而增加膜污染率。膜结垢还会增加跨膜压降。初始沉淀发生后，会形成其他颗粒生长的种子，从而诱导凝结胶体颗粒的形成，这会增加跨膜压降。随着污染的增加，跨膜元件的压降也会增加到需要进行膜清洗以防止损坏膜元件的程度。

对RO系统待机状态下，为消除潜在的钡、钙、镁和锶饱和度而采用的停机后冲洗进行了评估。（注：冲洗水的浓度应与运行规格保持一致，例如pH值4.8-5.0，氯浓度0.05-0.1 ppm）。评估发现，即使在市政水压（调节至约60 psi）下，RO产品的回收率也只有50%，而且冲洗水无法充分去除膜元件中的盐水浓缩液。建议在停机后冲洗期间绕过盐水控制阀，并予以实施。此改进减少了产品流量，提高了冲洗流速，但冲洗水中的成分浓度并未增加。

看来，在反渗透膜清洗过程中，第二道清洗过程中的清洗液会造成第一道膜的交叉污染。污染发生在清洗液进入第一道和第二道清洗之间的共用盐水集管时。当第一道膜的入口给水阀关闭时，清洗液（估计流量约为3加仑/分钟）通过级间集管进入第一道膜并穿过膜。3加仑/分钟的流速会将第二道清洗过程中产生的清洗剂、碎屑和溶解成分浓缩到第一道膜的给水侧。第二道清洗过程中溶液中的任何污染物（例如钡、钙、锶）都会进入第一道膜，导致膜上形成一些水垢沉积。

根据以往的清洗经验，钡和锶通常不会像清洗过程中那样出现在第一道清洗中（参见图7 ，清洗分析）。由于反渗透系统中各种元素的浓缩（即产品去除将给水浓缩成盐水），钡、钙、镁和锶达到饱和状态的可能性通常会发生在第二道下游元件中，而不是第一道中。

在转换为双程RO系统之前，RO集管被断开，并安装了一个清洗集管。这使得需要清洗的RO段与未清洗的RO段完全隔离。

反渗透系统升级时，行业清洗方法使用现有的盐水、给水和产品总管进行清洗。这种清洗方法的原理是，由于给水阀门关闭，未清洗的流道流量很小甚至没有流量。然而，大多数清洗程序不像我们的程序一样，对每次清洗后的冲洗过程进行彻底的监控。我们的程序使用去离子水进行冲洗，并持续测量电导率，直至达到10毫欧姆，以监测交叉污染。

1993年8月，A组反渗透系统安装了隔离阀，以确保在膜清洗期间100%隔离第一道或第二道膜。除了消除未清洗膜的交叉污染外，这项改造还缩短了清洗装置的连接和拆卸时间，并提高了整体清洗的便捷性。此外，清洗后冲洗速度也更快，有助于减少浪费，并降低清洗停机时间和成本。注意：反渗透行业担心，如果在反渗透系统运行时关闭隔离清洗总阀，可能会造成不可逆的膜损坏。通过正确的操作程序，包括恢复服务检查程序和锁定服务阀，可以消除这一风险。

阻垢剂化学

用于预处理反渗透给水的阻垢剂主要借鉴了冷却塔和锅炉给水项目中的阻垢剂。虽然有记录证明反渗透阻垢剂预处理取得了成功，但也有一些不太成功的案例。目前还没有一种通用的阻垢剂能够适用于预处理反渗透和冷却塔给水中所有成分。

冷却塔化学主要涉及冷却塔内循环水和热交换器，并通过塔内蒸发浓缩。限制因素通常包括建筑材料、冷却表面温度、塔内补给水中的成分以及化学方案目标（例如，防止和控制结垢、腐蚀和生物活性）。

锅炉化学处理的是锅炉水的总体浓度，而锅炉水的浓度取决于运行压力，运行压力会使给水成分循环20至100次，在高热流密度区域，杂质浓度可能非常高。因此，锅炉补水质量至关重要，要去除锅炉中不需要的成分，并制定专门的锅炉化学方案，以防止腐蚀和结垢，从而保持锅炉清洁。

尽管过去几年来，业界在定制反渗透预处理化学品方面做出了巨大努力，但我们对六种不同的阻垢剂和分散剂化学品进行了评估，但收效甚微，这促使我们尝试更换用于调节给水pH值的酸。

目前使用的预处理化学品是膦酸盐和分散剂的混合物，有助于控制硫酸钡、硫酸钙、硫酸镁、硫酸硅和硫酸锶结垢。然而，当给水pH值降低时，分散剂的有效性会显著降低，就像目前控制铝垢时所做的那样。那么，必须决定要处理哪种结垢物及其后续后果？

通常的做法是增加预处理化学品的投加量，以弥补分散剂效能的损失。然而，增加投加量也会增加膦酸盐的含量，这会导致钙、镁和二氧化硅发生相互作用，最终导致膜结垢。

阻垢剂注入

在1994年7月6日的反渗透（RO）清洗过程中，实验室人员发现首道清洗液的浊度很高（通常只有在第二道清洗中才会出现浊度和杂质，例如钡沉积）。清洗液和锶的分析结果（参考图8中的沉积物分析）表明。在筒式过滤器前方注入可能存在问题。分散剂可能会将筒式过滤器中捕获的杂质分散到首道清洗元件中，从而导致进料通道垫片堵塞。为了解决这个问题，将注入管线重新定位到筒式过滤器的下游。

盐水污堵监测器

为了妥善解决盐水化学反应中出现的问题，我们构建了一个采用 2.5 英寸 x 2.5 英寸清除元件的膜污染监测器。该污染监测器的目标是评估不同阻垢剂的投加率，以 RO 盐水废水作为污染监测器的进料，参考图 9 。

由于结垢在数月内不断累积，且 NORMPRO 膜正常化程序也观察到了同样的趋势，因此该项工作后来被停止。然而，膜活检分析证实存在高浓度的钡、锶垢成分。这些结果也与第二轮移除的最后一级膜片的活检结果相符，参见图 10中的结垢分析。

改用盐酸预处理后（下一节将讨论），污垢监测器将用作长期监测设备（例如，该方法类似于在冷却塔化学程序中使用腐蚀试样测量腐蚀速率）。每当清洗 RO 系统 A 第二遍时，都会取出并切开清除剂元件以分析膜中的成分（注意：清除剂元件的成本为 25-50 美元，切开它比切开最后阶段的元件（约 1,250 美元）便宜得多）。这些分析将用于分析第二遍后端元件中的成分趋势。如果钡垢可以得到缓解，那么水垢成分趋势将有助于确定预处理化学程序的其他长期限制或改进（例如阻垢剂、分散剂、盐酸、RO 系统回收率、pH 控制点）。

酸性预处理由硫酸改为盐酸

由于在第二次膜清洗过程中难以去除钡和较小程度的硫酸锶垢，因此需要采取额外措施来恢复RO系统的性能，使其符合规格要求。迄今为止，已采取两种方案来将RO系统恢复到原始规格：

1) 用化学方法清洗第二道工序，然后从第二道工序容器（共四根膜元件）中取出后两根膜元件（参见图4中的3号和4号膜元件）。取出的膜元件将送去供应商进行单独清洗，以去除钡沉积物。注意：供应商使用单根膜元件容器，使用各种清洁剂，采用正向和反向清洗流清洗膜元件，以恢复膜元件的性能并符合规格。

2) 每两个月将A组第二道末级膜元件与B组第二道末级膜元件轮换一次。B组膜元件的进水为A组膜元件的反渗透产品，大约需要7天才能将钡冲洗干净。每两个月轮换一次的成本为346美元（需要约16个工时，另加更换O形圈/润滑脂）。轮换方法可以将每年的膜清洗需求降低至约3次，并无需采用方案1，即将膜送去进行单独清洗。注意：由于操作环节的增加可能会导致A组或B组膜元件出现问题，并迅速抵消任何潜在的成本节约，因此建议采用方案1。

除非开发出专门针对钡垢的新化学方法，否则剩下的选择是降低反渗透系统回收率，或用盐酸代替硫酸预处理。降低反渗透系统回收率会显著增加生产反渗透产品的总成本，因此除非绝对必要，否则不会考虑。

使用盐酸可减少盐水浓缩液中的硫酸盐含量，从而有助于降低硫酸钡形成的可能性。根据计算机预测，使用盐酸进料时，膜表面的硫酸钡饱和度将降低至饱和度的38倍，而使用硫酸进料时则为饱和度的54倍。由于末级元件存在结垢问题，因此改用盐酸并将其中硫酸钡的形成量减少30%，或许可以降低结垢速度，甚至可能消除结垢问题。

由于36%硫酸和31%盐酸之间的价格差异，预处理运营成本在50%运营能力下增加1,782美元，在100%运营能力下增加3,653美元。注意：为了确保工厂人员的安全，使用36%硫酸代替价格更便宜的93%硫酸。供应商会根据需要前往工厂，加满500加仑的储罐，无需工厂人员到场。稀释的36%硫酸比浓缩的93%硫酸pH值控制得更好。31%盐酸也有望实现良好的pH值控制。

如果成功转换为盐酸并减少或消除钡垢形成，则膜清洗频率有望降至每年两次以下。此外，无需进行必要的膜旋转/修复，每年可节省 3,483 美元（基于每年 3.5 次清洗）。这两项优势相结合，每年可降低膜清洗总成本约 5,800 美元。基于目前 50% 的运行容量系数，膜清洗总节省成本与预处理酸成本增加 1,782 美元相比，每年可节省约 4,000 美元。转换为盐酸的预计成本为 955 美元，预计将于 1994 年 11 月完成。

概括

当我们最初调查反渗透装置性能不佳的原因时，很快就发现主要问题是第一次运行的膜结垢。经过广泛的分析，确定主要的结垢物是铝。减少铝结垢物有三种方案：(1) 升级预过滤系统以去除铝；(2) 安装软水器并通过软化给水进行预处理；(3) 降低初效过滤器后的进水pH值，使铝保留在溶液中，并将其排放到反渗透盐水排放器中。我们选择了^第三种方案，因为它易于实施且经济实惠。我们成功地将膜清洗间隔从5周缩短至约3-5个月。

铝垢得到控制后，接下来出现的问题是第二道工序元件中的钡垢问题。迄今为止，已采取了多种措施来降低钡垢的影响。最简单的方法是评估各种阻垢剂以及阻垢剂/分散剂的配方。总体而言，阻垢剂/分散剂的组合效果最佳（尽管效果有限）。然而，结合使用盐酸调节给水pH值，硫酸盐含量降低，硫酸钡饱和度的降低可能足以使第二道工序最后一级元件排出，从而消除或延长与钡垢相关的膜清洗间隔。

尽管供应商通常是该领域的专家，但最终用户也需要积极参与最初的投标规范。根据我们的经验，反渗透系统运行的最低考虑和要求如下：

• 最低可接受标准（例如去除92-98％的给水成分，所需的加仑率）应围绕最坏情况的水成分和最低给水温度进行设计。
  
  
• 为了提高系统灵活性和可靠性，系统应至少包含两套“占预期产量50-70%”的RO装置。即使其中一套RO装置出现故障，例如泵故障、膜清洗停机，工厂仍然能够生产用于补充的RO产品。
  
  
• 每个 RO 系统都应具有：1) 关闭后盐水冲洗，在冲洗过程中绕过盐水控制阀（RO 产品水可提供最佳效果，如果使用城市水，则 pH 值和氯应保持在正常服务规格范围内）；2) 酸、阻垢剂和氯化学品注入；3) 级间压力指示；4) 充分设计的初级和二级筒式过滤器。
  
  
• 阵列级之间的级间集管应配备隔离阀，以便在化学清洗时使用。这有助于防止清洗液的交叉污染，从而影响未清洗的通道。
  
  
• 膜清洗过程中，流速需要确保膜片之间盐水通道网格垫片有足够的流速，以防止清洗过程中盐水进料通道结垢和堵塞。如果流速过低，可能会形成沉淀，成为凝结胶体颗粒进一步结垢的种子，导致膜压降增加，最终导致需要进行更多清洗。
  
  
• 购买二手反渗透系统时，应至少按照合同原定要求更换新膜。卖方还应提供膜元件序列号、生产日期、性能保证以及每片膜元件的准确安装位置图纸。
  
  
• 如果 RO 运营商是供应商，则应向最终用户提供 RO 系统性能数据（例如压力、电导率、系统流速、pH 值）并提供每周报告。报告应使用商定的软件标准化程序来确定膜性能（例如 Fluid Systems NORMPRO）。标准化程序应基于 ASTM-D4516《反渗透性能数据标准化标准规范》、ASTM 标准年鉴《水与环境技术》第 11 节。这些报告将提供有关 RO 系统运行情况的文档，并有助于做出购买或继续由供应商运营 RO 系统的决策。如果最终用户是 OR 系统的运营商，则此标准也适用。百分比截留标准（例如 92%）应基于添加任何预处理化学品之前的给水成分。这可以防止最终用户因过量添加处理化学品而受到处罚。
  
  
• 在膜检查过程中，我们注意到有机污垢的存在，这与系统暴露在阳光下有关。1993年，反渗透系统加装了顶棚。随后进行的第二次膜循环运行表明，自顶棚安装以来，膜元件上的藻类数量显著下降。反渗透膜上的顶棚有助于防止紫外线对PVC管道造成腐蚀，并保护过程监控仪表免受恶劣天气的影响。
  
  
• 分散剂预处理化学药剂的一个潜在问题是，化学药剂的注入点位于筒式过滤器的前方。分散剂可能会将筒式过滤器中捕获的碎屑分散到第一道过滤元件中，从而导致进料通道隔板堵塞。为了消除这个问题，注入管线应位于筒式过滤器的下游。
  
  
• 为了降低二氧化碳回到 RO 产品的吸附率（这会增加阴离子交换树脂的负荷），应将 RO 产品直接送入脱盐器，或者如果送入产品储罐，则采用浮顶或氮气盖系统。
  
  
• 由于反渗透 (RO) 去除二氧化硅会导致二氧化硅含量发生显著变化，因此应评估强碱性 I 型和 II 型树脂的优缺点。在大多数情况下，选择使用 II 型阴离子树脂将显著提高去离子 (DI) 的总运行加仑数。对于反渗透 (RO) 预处理，去离子 (DI) 阳离子再生可以用一步酸再生取代两步再生。
  
  
• 沉积物分析方法在准确测定钡的真实含量方面遇到了困难，因此采用了一种新方法。新方法采用助熔剂法，该方法需要将固体废物干燥、灰化，并用偏硼酸锂（Libo2）溶解，然后采用熔融法通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP）或原子吸收法（AA）测定无机成分。

本方法为ASTM“偏硼酸锂熔融法溶解固体废物的标准规范”，旨在溶解固体废物中的非挥发性无机成分，尤其是钡。熔融法也适用于硅酸盐基质的分析。当经典溶解法SW-846无法获得钡样品的估算浓度时，实验室便会采用此方法。

致谢

我要感谢恩西纳发电厂维护、运行和工程人员，特别是两名工厂实验室人员汤姆·麦克拉斯基和佩德罗·洛佩兹所做出的巨大努力。

作为战略增长的一部分，Applied Membranes Inc. 计划扩大其在美国乳制品行业的独特膜产品供应。

作者：Alyssa Mitchell，奶酪市场新闻
2020年8月21日

加利福尼亚州维斯塔 — Applied Membranes Inc. 是一家总部位于加利福尼亚州维斯塔的商业和住宅反渗透 (RO) 膜、系统和组件的全球制造商和分销商，正在寻求扩大其在美国乳制品行业的影响力。

应用膜公司首席执行官 Gil Dhawan 于 1983 年创立了该公司，当时他发现市场需要一家能够为各种规模的公司生产独特膜和系统的供应商。当时，Dhawan 正在为大型膜公司工作，并与首款反渗透膜的共同发明人 Srinivasa Sourirajan 博士合作。Dhawan 在许多应用中进行了广泛的中试工作，并销售了完整的系统，应用范围包括奶酪乳清中乳糖和蛋白质的分离、果汁浓缩、枫树汁浓缩和明胶浓缩。

当Dhawan决定创立Applied Membranes Inc.时，反渗透技术还相对较新，他意识到需要一家不仅能销售产品，还能培训人们如何创建这些系统的公司。他首先举办了一系列教育研讨会，其中许多参会者至今仍是公司客户。客户们也表达了对构建适合自身运营的系统的兴趣。

“Applied Membranes Inc. 的发展确实可以体现为客户驱动，”Dhawan 说道。“我们最初并没有明确的市场。当时客户需要什么，我就开发什么系统，我们提供什么解决方案，这增强了我们的专业知识和多样化的应用。当时，这个行业像我们这样的公司并不多。”

35 多年来，该公司一直以 Applied Membranes 品牌生产 RO 系统、RO 膜和水过滤组件。
Dhawan 补充道，自成立以来，Applied Membranes 一直采取与客户合作开发解决方案的方式。

我们根据实际工艺和处理需求，提供了中试装置和测试支持。我们是全球唯一一家采用现有最佳膜材料，自主生产微滤 (MF)、超滤 (UF)、纳滤 (NF) 和反渗透 (RO) 膜的公司。我们根据具体应用的特殊需求进行定制设计。我们使用不同的织物和进料通道，以最大限度地减少膜污染，并延长膜元件的使用寿命。
除了为自己的客户提供服务外，Applied Membranes 还与更大的公司合作，为这些公司的客户开发这些应用程序。
“大公司没有资源去开发这些小众应用。而这正是我们的用武之地，”达万说道。“我们可以以其他公司的名义开发系统，然后他们就可以向客户供货。”

他补充说，Applied Membranes 还提供用于透析的可热消毒膜和可反冲洗的螺旋卷式元件。
“我们在 RO、NF、UF 和 MF 系统的超高纯度、饮料和食品应用方面的现场经验，使我们对定制螺旋缠绕元件以达到最佳性能有着独到的见解，”Dhawan 说道。

Dhawan 指出，尽管应用膜公司已经供应乳制品膜元件五年多了，但这些元件已经出口到亚洲客户。
“我们在上海设立了销售办事处，为这些客户提供服务，他们对我们的质量和性能非常满意，”他说，“我们想在美国也做同样的事，但需要一位在美国市场经验丰富的销售人员。”

考虑到这一点，Applied Membranes 今年早些时候聘请 Rich Pankau 加入其团队，以帮助开发美国市场。
Dhawan 指出，这符合公司的战略增长计划，因为公司最近搬进了一座占地 156,000 平方英尺的新大楼，比以前的面积大得多，这将使公司能够专注于扩大特种膜。

他补充说，水净化和膜水处理是所有膜应用的基础，但他指出，每种应用都有其特定的需求以及与每种膜的相互作用。
“为了取得成功，我们必须对应用和行业需求的各个方面有深入的了解，几乎能达到该领域专家的水平，”Dhawan说道。“我们将结合我们在其他应用领域的丰富经验以及乳制品行业的独特需求，打造最佳解决方案。”

“就像我们开发的其他市场一样，我们计划在全国范围内拓展对其他供应商有需求的市场，”他补充道。“我们将保持竞争力，并积极响应客户需求。” CMN