膜分離過程具有無相變，能耗低，工藝簡單，不污染環(huán)境，易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，可以在常溫下進(jìn)行。在污水處理領(lǐng)域，常被用做污水回用前的一種水質(zhì)深度處理工藝，其中電滲析和反滲透有時也被用做高含鹽廢水或含金屬離子廢水進(jìn)人生物法處理系統(tǒng)前的預(yù)處理。
膜分離法的關(guān)鍵是分離膜的性能能夠適應(yīng)水質(zhì)、水量及其他操作環(huán)境的要求，反映膜的性能的主要指標(biāo)是膜的允許使用高溫度和壓力、適用的pH范圍及膜的耐氯、耐氧化和耐有機(jī)溶劑性等。制造膜的材料主要有有機(jī)聚合物、陶瓷及其他材料，諸如醋酸纖維素、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺等有機(jī)聚合物都是制作膜的材料。膜組件的型式有中空纖維型、管型、平板型和卷型，分別又稱為中空纖維膜、管式膜、平板膜和卷式膜。
項目
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電滲析（ED)
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微濾（MF)
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超濾（UF)
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納濾（NF)
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反滲透（RO)
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孔徑//nm
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0.02-1.0
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0.005-0.02
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0.002～0.005
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<0.002
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膜類型
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離子交換膜
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均質(zhì)
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非對稱
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非對稱
或復(fù)合
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非對稱
或復(fù)合
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膜件型式
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平板型
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中空纖維型、管型、平板型和卷型
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分離目的
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水脫鹽、離子濃縮
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去除SS、高分子物質(zhì)
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脫除大分子
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脫除部分離子
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水脫鹽、溶質(zhì)濃縮
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截留組分
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水和非電解質(zhì)分子
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SS
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大分子溶質(zhì)
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鈣、鎂等
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除水、CO2以外的所有成分
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透過組分
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小離子
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溶液
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小分子溶液
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水、CO2XT等
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水、CO2等
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分離機(jī)理
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反離子經(jīng)離子交換膜定向遷移
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機(jī)械篩分
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篩分和表面作用
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篩分和表面作用
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篩分和表面作用
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推動力
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電場力
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O.1MPa
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0.1～1MPa
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1～3MPa
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1-10MPa
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一、微濾和超濾
微濾是利用孔徑為0.1~ 1.5um的濾膜對水進(jìn)行過濾的一種精密過濾技術(shù)。微濾進(jìn)水壓力一般小于0.2MPa，過濾精度介于常規(guī)過濾和超濾之間，可分離水中直徑為0.03-15^?的組分,能去除水中的顆粒物、濁度、細(xì)菌、病毒、藻類等。超濾是利用截留孔徑為0.002~0.1_的濾膜對水進(jìn)行過濾的一種精密過濾技術(shù)。超濾膜允許小分子物質(zhì)和溶解性固體(無機(jī)鹽）等通過，但有效阻擋膠體、蛋白質(zhì)、微生物和大分子有機(jī)物。
1.工藝原理及過程
微濾和超濾的基本原理屬于
篩網(wǎng)狀過濾，在靜壓差作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，大于膜孔的粒子則被截留到膜面上，使大小不同的組分得以分離，操作壓力為0.1~0.7MPa。除此以
外，還有膜表面層的吸附截留和架橋截留，以及膜內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)中截留。
2.操作工藝
微濾和超濾裝置工作過程分過濾(產(chǎn)水）、反洗和化學(xué)清洗三個方面。
(1)過濾過程
微濾和超濾的過濾過程有兩種操作工藝：死端過濾及錯流過濾，如圖5- [#]5所示。
(a)無流動操作（b)錯流操作
圖5-15死端過濾和錯流過濾示意圖
死端過濾是將原水置于膜的上游，在壓力差的推動下，水和小于膜孔的顆粒透過膜，大于膜孔的顆粒則被膜截留。形成壓差的方式可以是在水側(cè)加壓，也可以是在濾出液側(cè)抽真空。死端過濾隨著過濾時間的延長，被截留顆粒將在膜表面形成污染層，使過濾阻力增加，在操作壓力不變的情況下，膜的過濾透過率將下降。因此，死端過濾只能間歇進(jìn)行，且必須周期性地清除膜表面的污染物層或更換膜。
錯流過濾運行時，水流在膜表面產(chǎn)生兩個分力，一個是垂直于膜面的法向力，使水分子透過膜面，另一種是平行于膜面的切向力，把膜面的截留物沖刷掉。過濾透過率下降時，只要設(shè)法降低膜面的法向力、提高膜面的切向力，就可以對膜進(jìn)行有效清洗，使膜恢復(fù)原有性能。因此，錯流過濾的濾膜表面不易產(chǎn)生結(jié)垢問題，過濾透過率衰減較慢。錯流過濾的運行方式比較靈活，既可以間歇運行，又可以實現(xiàn)連續(xù)運行。
(2)反洗
微濾和超濾系統(tǒng)運行一段時間后，大量的截留物存留在膜面上，如不及時清洗，過濾效果將無法保障。目前微濾和超濾系統(tǒng)的自動化程度很高，多數(shù)裝置的反洗過程采用系統(tǒng)自動控制。其一般的反洗過程如下：當(dāng)某個模塊符合反洗啟動程序的條件時（出水水量或過濾持續(xù)時間），開始在線反洗程序。首先關(guān)閉進(jìn)水閥終止該模塊的進(jìn)水，然后依次開啟每個微濾單元的反洗進(jìn)水閥和反洗放水閥，使每個微濾或超濾單元都得到反洗。當(dāng)后一個微濾或超濾單元反洗完成后，各個閥門復(fù)位，下一個過濾過程開始。
微濾或超濾裝置反洗時的技術(shù)參數(shù)和程序可依據(jù)進(jìn)水壓力和原水濁度手動設(shè)置和調(diào)整。
(3)化學(xué)清洗
微濾和超濾系統(tǒng)運行中會有許多生物絮體黏附在膜表面上，僅依靠水力反洗無法將其徹底去除，必須間隔一定時間（一般為3~ [#]個月）進(jìn)行一次化學(xué)清洗�；瘜W(xué)清洗是向微濾或超濾系統(tǒng)中加人適當(dāng)殺菌劑（控制生物污染）、酸液(控制無機(jī)垢污染）、堿液(控制油類污染）等化學(xué)溶液進(jìn)行較長時間的浸泡和沖刷，使附著在膜上的污染物被徹底洗掉。針對污染的性質(zhì)和膜材質(zhì)的不同，可能采用不同種類的化學(xué)藥劑輪流清洗。經(jīng)過化學(xué)清洗以后，微濾或超濾膜的透水性一般可以恢復(fù)到化學(xué)清洗前的99%以上。
3.運行管理與維護(hù)
(1)微濾和超濾膜在一般情況下不會由于受到壓力或者流量的變化而損壞。但是，嚴(yán)重的水錘或劇烈的壓力變化有可能對裝置造成機(jī)械損傷，因此應(yīng)當(dāng)有效防止水錘的發(fā)生，在微濾或超濾系統(tǒng)每次化學(xué)清洗之后再次投人到過濾運行狀態(tài)時應(yīng)當(dāng)緩緩開啟進(jìn)水閥門，使得流量和壓力平穩(wěn)上升，緩慢到達(dá)正常水平，此過程好達(dá)到5min以上。
(2)長期停止運行前，必須對所有要停止的微濾或超濾裝置進(jìn)行在線盡洗和化學(xué)清洗，并讓膜元件保持浸水狀態(tài)。
4.工藝控制
(1)運行周斯和膜的反洗技術(shù)參數(shù)
隨著過濾的不斷進(jìn)行，膜的通量逐步下降，當(dāng)通量達(dá)到某一低數(shù)值時，必須進(jìn)行清洗以恢復(fù)通量，這段時間稱為一個運行周期。適當(dāng)縮短運行周期，可以增加總的產(chǎn)水量，但會縮短膜的使用壽命，而且運行周期的長短與清洗的效果有關(guān)。反洗時間間隔，反沖洗歷時應(yīng)依據(jù)進(jìn)水壓力和原水濁度及時設(shè)置和調(diào)整。一般反洗時間間隔為20~ 30min,反洗歷時30~ 60s。
絮凝劑和消毒劑的投加劑量應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)的不同，通過實驗和生產(chǎn)經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)整。一般情況下，消毒劑的投加量應(yīng)能保證微濾出水余氯在0.2mg/L以上。
(3)過濾溫度
高溫可以降低水的粘度，提高傳質(zhì)效率，增加水的透過通量，因此，可以在膜材料允許的情況下，盡可能提高過濾水溫度。
(4)過濾壓力
過濾壓力除了克服通過膜的阻力外，還要克服水流的沿程和局部水頭損失。在達(dá)到臨界壓力之前，膜的通量與過濾壓力成正比，為了實現(xiàn)大的總產(chǎn)水量，應(yīng)控制過濾壓力接近臨界壓力。
(5)流速
加快平行于膜面的水流速度，可以提高膜通量，但會增加能耗，一般將平行流速控制在l~3m/s。
(6)進(jìn)水濃度和預(yù)處理
微濾或超濾膜的過濾精度在0.1~ 0.5(mn或0.002也就是說直徑大于0.l^tm或0.002pm的污染物在理論上都可以通過微濾或超濾去除。但進(jìn)水濁度不應(yīng)該過高，否則大量的污染物堆積在膜面上，使反洗周期縮短，反洗歷時延長，終導(dǎo)致產(chǎn)水量嚴(yán)重降低。因此，為了保證膜過濾的正常進(jìn)行，必須限制進(jìn)水濃度，一般微濾和超濾的進(jìn)水濁度應(yīng)控制在100NTU以下，如進(jìn)水濃度過高，則需對進(jìn)水進(jìn)行充分的預(yù)處理，有時在進(jìn)膜過濾裝置之前還要根據(jù)不同的膜設(shè)置5~ [#]00,um不等的保安篩網(wǎng)。
(7)濃差極化
在膜法過濾工藝中，由于大分子的低擴(kuò)散性和水分子的高滲透性，水中的溶質(zhì)會在膜表面積聚并形成從膜面到主體溶液之間的濃度梯度，這種現(xiàn)象被稱為膜的濃差極化。水中溶質(zhì)在膜表面的積聚終將導(dǎo)致形成凝膠極化層，通常把與此相對應(yīng)的壓力稱為臨界壓力。在達(dá)到臨界壓力后，膜的水通量將不再隨過濾壓力的增加而增長。
防止?jié)獠顦O化的方法除了選擇合適的膜材料外，還可以通過控制運行條件。具體措施有：
①加快平行于膜面的水流速度，即提高錯流過濾的錯流速度。
②提高操作溫度，高溫下運行有利于降低粘度，提高凝膠物質(zhì)的再擴(kuò)散速度，還能提高積聚物的臨界凝膠濃度；工作溫度自151提高到251，水通量幾乎增大1倍; 操作溫度視材質(zhì)而定，纖維素質(zhì)膜的高溫度范圍為50尤~ [#]01，非纖維素質(zhì)膜的高工作溫度范圍可達(dá)50T以上。
③選擇適當(dāng)?shù)膒H值，比如對蛋白質(zhì)溶液的分離，PH值在等電點以上時，用帶負(fù)電的聚砜膜吸附量就少，而PH值在等電點以下時，膜的吸附量就會較多。
5.分析測量與記錄
每班應(yīng)記錄微濾總進(jìn)水量、進(jìn)水池度、溫度，每個微濾機(jī)組的出水濁度、產(chǎn)水量、產(chǎn)水PH，絮凝劑及消毒劑投加量及運行壓力等，每天應(yīng)分析進(jìn)出水COD、SS等。
二、反滲透和納濾
反滲透是精密的膜法液體分離技術(shù)，它能阻擋所有溶解性鹽及分子量大于100的有機(jī)物，但允許水分子透過。醋酸纖維素反滲透膜脫鹽率一般可大于95%，反滲透復(fù)合膜脫鹽率一般大于98%。
納濾因能截留物質(zhì)的大小約為lnm而得名，納濾介于超濾和反滲透之間，它截留有機(jī)物的分子量大約為200~ 300左右，截留溶解性鹽的能力為20%~95%之間。
1.工藝過程
(1)反滲透原理
在進(jìn)水(濃溶液)側(cè)施加操作壓力以克服自然滲透壓，當(dāng)高于自然滲透壓的操作壓力施加于濃溶液側(cè)時，水分子自然滲透的流動方向就會逆轉(zhuǎn)，進(jìn)水(濃溶液）中的水分子部分通過膜成為稀溶液側(cè)的凈化產(chǎn)水（見圖5-16)。
圖5-16反滲透原理圖
(2)納濾工作原理
納濾與反滲透沒有明顯的界限。納濾膜對溶解性鹽或溶質(zhì)不能完全去除，這些溶質(zhì)對納濾膜的透過率取決于鹽分或溶質(zhì)及納濾膜的種類，透過率越低，納濾膜兩側(cè)的滲透壓就越高，也就越接近反滲透過程，相反，如果透過率越高，納濾膜兩側(cè)的滲透壓就越低，滲透壓對納濾過程的影響就越小。
(3)反滲透和納濾過程一般反滲透流程見圖5-17。
①系統(tǒng)構(gòu)成：能實現(xiàn)進(jìn)水與產(chǎn)水分開的反滲透或納濾過程的小單元稱為膜元件，膜元件安裝在受壓的壓力容器外殼內(nèi)構(gòu)成膜組件。由膜組件、儀表、管道、閥門、高壓泵、保安過濾器、就地控制盤柜和機(jī)架組成的可獨立運行的成套單元膜設(shè)備稱為膜裝置；由預(yù)處理、加藥裝置、增壓栗、水箱、膜裝置和電氣儀表連鎖控制的完整膜法水處理工藝過程稱為膜系統(tǒng)。
②產(chǎn)品水和濃水：待處理的進(jìn)水經(jīng)過高擇栗被連續(xù)升壓送人膜裝置內(nèi)，在膜元件內(nèi)進(jìn)水被分離成濃度極高和極低的兩股水，分別稱為濃水和產(chǎn)品水。
③回收率：產(chǎn)品水量和進(jìn)水量的比例稱為裝置回收率。
④脫鹽率：指通過反滲透膜從系統(tǒng)進(jìn)水中除去的總?cè)芙庑怨腆w的百分率，或通過納濾膜去除特定組分如二價離子或有機(jī)物的百分?jǐn)?shù)。
⑤通量：單位膜面積所透過液體的流量，通常用每小時每平方米升數(shù)(L/㎡*h)或每天每平方英尺加侖數(shù)表示（gfd)。
(4)膜種類及膜元件構(gòu)成
納濾與反滲透膜按結(jié)構(gòu)形態(tài)分為均質(zhì)膜、復(fù)合膜兩類。均質(zhì)膜是指膜表皮層和多孔支持層由同一種材質(zhì)制成，其表皮層厚度為O.l-Ojfmi,對鹽分起分離作用。復(fù)合膜為不同材質(zhì)制成的幾層膜的復(fù)合體。表層為致密屏障表皮（起阻止并分離鹽分的作用），厚約0.2jum，因表皮層過薄，故敷在強(qiáng)度較高的多孔層上，多孔層厚約40jLun，底層為無紡織物支撐層，厚約120/Lim,起支撐整個膜的作用。
管狀膜元件是將管狀膜襯在耐壓微孔管上，并把許多單管以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接裝配成管束，有內(nèi)壓式和外壓式兩種。平板式膜元件是由一定數(shù)量的承壓板兩側(cè)覆蓋微孔支撐板，其表面再敷以平面膜成為基本的反滲透單元。中空纖維膜元件是將中空纖維膜絲成束地以U形彎的形式把中空纖維開口端鑄于管板上，在給水壓力作用下，淡水透過纖維管進(jìn)入管內(nèi)，由開口端匯集流出壓力容器成為產(chǎn)品水。卷式膜元件類似一個長信封狀的膜口袋，開口的一邊粘接在含有開孔的產(chǎn)品水中心管上。將多個膜口袋卷繞到同一個產(chǎn)品水中心管上，使給水水流從膜的外側(cè)流過，在給水壓力下，使淡水通過膜進(jìn)入膜口袋后匯流到產(chǎn)品水中心管。為了便于產(chǎn)品水在膜袋內(nèi)流動，使信封狀的膜袋內(nèi)夾有一層產(chǎn)品水導(dǎo)流織物支撐層；為了使給水均勻流過膜袋表面并給水流以擾動，在膜袋與膜袋之間的給水通道上夾有隔網(wǎng)層。
(5)進(jìn)水污染指數(shù)SDI
SDI是確定反滲透系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)的綜合指標(biāo)，其測定方法是用有效直徑42.7_、平均孔徑0.45@的微孔濾膜，在0.2MPa的壓力下，測定初500mL的進(jìn)料液的濾過時間q，在加壓 [#]5min后，再次測定500mL的進(jìn)料液的濾過時間《2，則SDI=(1—t\/12^)x [#]00/15o
不同的膜組件要求進(jìn)水的SDI值不同，中空纖維膜組件一般要求SDI值小于3，卷式膜組件一般要求SDI值小于5。
2.工藝控制
(1)壓力
增加進(jìn)水壓力可以增加脫鹽率，但是兩者間的變化并不是線性關(guān)系，達(dá)到一定程度后脫鹽率將不再增加，如壓力過高，某些鹽分還會與水分子耦合一同透過膜。因此，反滲透進(jìn)水壓力應(yīng)控制在合適的范圍。
(2)溫度
膜系統(tǒng)的通量對進(jìn)水溫度的變化非常敏感，隨著水溫的增加，水通量幾乎線性地增大，這主要是因為水溫增加使透過膜的水分子粘度下降、擴(kuò)散能力增加。同時，水溫升高會導(dǎo)致脫鹽率降低，這主要是因為鹽分透過膜的擴(kuò)散速率會因溫度的提高而加快。因此，應(yīng)根據(jù)所采用的膜材質(zhì)的不同將溫度控制在30~ [#]0t：o
(3)進(jìn)水含鹽量
進(jìn)水含鹽量增加，滲透壓也會增加，因此需要的反滲透壓力越大。如果進(jìn)水壓力保持恒定，含鹽量越高，通量就越低。
(4)回收率
進(jìn)水壓力恒定時，反滲透過程回收率增加，殘留在原水中的含鹽量會更高，自然滲透壓將不斷增加直至與施加的壓力相同，這將抵消進(jìn)水壓力的推動作用，減慢或停止反滲透過程，使?jié)B透通量降低甚至停止。另外，R0系統(tǒng)大回收率并不一定取決于滲透壓的限制，往往取決于原水中的含鹽量和它們在膜面上要發(fā)生沉淀的傾向，常見的微溶鹽類是碳酸鈣、硫酸鈣和硅，當(dāng)原水含有這些物質(zhì)時，應(yīng)該向原水投加阻垢劑以阻止因鹽類濃縮而引發(fā)的結(jié)垢現(xiàn)象。
3.運行管理與維護(hù)
(1)在第一次投運反滲透及納濾系統(tǒng)之前，必須認(rèn)真做好預(yù)處理檢查、膜元件安裝、儀表的校正和系統(tǒng)的其他檢查工作。
(2)膜系統(tǒng)每一次的啟動和停止，都牽涉到系統(tǒng)壓力與流量的突變，對膜元件產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。因此，應(yīng)盡量減少系統(tǒng)設(shè)備的啟動和停止次數(shù)，且正常的啟動和停止應(yīng)確保進(jìn)水流量和壓力的上升為緩慢上升。
(3)日常啟動常常由自控系統(tǒng)來實現(xiàn)自動控制，因此應(yīng)定期校正儀表、檢查報警器和安全保護(hù)裝置的靈敏性，經(jīng)常進(jìn)行防腐和防漏維護(hù)。
(4)定時分析進(jìn)水水質(zhì)和透過水的水質(zhì)，尤其是要嚴(yán)格控制進(jìn)水水質(zhì)，確保進(jìn)水的預(yù)處理措施運行可靠，以保證進(jìn)水的SDI在3以下。當(dāng)透過水水量降低過多或水質(zhì)不合格時，要立即對膜進(jìn)行清洗再生，如果再生后仍不見好轉(zhuǎn)，就應(yīng)當(dāng)及時更換膜組件。
(5)當(dāng)原水中所含的難溶解性鹽類含量較高時，要有防止在反滲透膜濃水脷出現(xiàn)水垢的措施。具體方法有：①加酸（一般用鹽酸)將進(jìn)水PH值調(diào)整到5.5,②進(jìn)水中加石灰軟化或投加阻垢劑，③對進(jìn)水采用陽離子樹脂或納濾進(jìn)行預(yù)處理使進(jìn)水軟化或脫鹽。
(6)生物污染往往是R0膜使用中突出的問題，可以引起過水通量的下降，甚至污染透過水水質(zhì)，由于生物污染很難去除，因此生物污染的預(yù)防必須以預(yù)處理為主要手段。雖然污水深度處理中使用的R0膜大多是進(jìn)口的抗污染膜，但由于進(jìn)水中的微生物含量豐富，即使經(jīng)過微濾、超濾等預(yù)處理，進(jìn)水中不可避免地存在微生物。通�？梢圆捎檬惯M(jìn)水中保證0.5?lmg/L余氯的方法(在進(jìn)人RO膜之前再用還原劑還原），并定期使用其他非氧化型消毒劑對膜進(jìn)行清洗。
(7)為了防止反滲透壓力波動，要有穩(wěn)壓措施，高壓栗應(yīng)設(shè)置旁路調(diào)節(jié)閥門以調(diào)節(jié)供水量。為了防止高壓泵啟動時膜組件受到高壓給水的突然襲擊，在高壓水泵出口閥門上安裝控制閥門開啟速度的裝置，使閥門慢慢打開(一般控制在2~3min)。
(8)RO膜對C02等小分子沒有去除能力，因此反滲透出水pH偏酸性，根據(jù)用途需要對其進(jìn)行脫除或加堿調(diào)整PH值。由于水中沒有余氯，如果出水需要長距離輸送使用，必須投加消毒劑，并維持一定的余氯量。
4.反滲透和納濾常見故障分析與解決
反滲透和納濾常見的故障及解決措施見表5-2。
5.分析測量與記錄
每班至少一次記錄操作時間及系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時數(shù)，每個膜組件前后壓降，每段進(jìn)水、產(chǎn)水及濃水壓力、流量、電導(dǎo)、PH值，進(jìn)水SDI和濁度、水溫，每周對進(jìn)水、產(chǎn)水、濃水及水源原水做水質(zhì)全分析，并記錄所有維修保養(yǎng)和故障情況。
三、電滲析
電滲析是為提高滲析作用的推動力，在半滲透膜的兩側(cè)通人s流電壓，促使污水中的陰陽離子分別趨向于直流電的正極和負(fù)極，使水中離子有選擇地透過半滲透膜的過程。電滲析過程在常溫常壓下進(jìn)行，與反滲透相比，電滲析的工作壓力只有0.2MPa,因而不需使用高壓泵和壓力容器。
