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摘要：本文简述了反渗透的原理，从工艺流程、进水水温方面介绍了华能包头第一热电厂利用反渗透装置进行黄河水制水的情况。
关键词：反渗透（RO）；黄河水制水；工艺流程；水温
Abstract: This paper describes the principle of reverse osmosis processes, from the process flow and water temperature introduced the Yellow River water system using reverse osmosis device of Huaneng Baotou No.1 Power Plant water.Key words: reverse osmosis (RO); Yellow River water system water; process; water temperature
中图分类号：TV882.1 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1前言
华能包头第一热电厂扩建的两台125MW循环流化床机组，于2005年3月相继投产发电。设计日用除盐水量3000吨。水源取自包钢水源地的黄河水。根据机组用水的质量需求建立了两台反渗透制水装置，两套装置总产水量为2×90T/H,并联运行。对水质要求如下表：
2反渗透原理
渗透是水从稀溶液一侧透过半透膜向浓溶液一侧自发流动的过程，半透膜只允许水通过而阻止溶解固形物（盐）通过，见图1-1（a），浓溶液随着水的流入而不断被稀释，当水向浓溶液流动而产生的压力P足以阻止水继续的流入时，渗透处于平衡状态，见图1-1（b）。平衡时，水从任一边透过半透膜向另一边流入数量相等，即处于动态平衡状态，而此时压力P称为溶液的渗透压。（注意：半透膜一边是纯水，一边是盐溶液）。当在浓溶液上有外加压力时，浓溶液的水会通过半透膜流向稀溶液，使得浓溶液的浓度更大，这一过程就是渗透的相反过程，称为反渗透。如图1-1（c）
3包头第一热电厂黄河水净化处理装置
3.1工艺流程
包钢来水#3、4管→厂区净水站→机械加速澄清池→清水池→原水箱→双介质过滤器→超滤装置→活性炭过滤器→保安过滤器→高压泵→反渗透→淡水箱→除盐装置→汽机
整个装置总体分为预处理部分、反渗透部分、出水利用和控制部分等四个部分。下面简述各部分的作用：
3.2预处理部分
工艺流程中：包钢来水#3、4管→机械加速澄清池→清水池→原水箱→双介质过滤器→超滤装置→活性炭过滤器，此流程为预处理部分。
预处理方案的设计由反渗透水源的水质和选用的膜元件两个因素决定。由于膜元件是主要部件，设计中应选其类型。包头第一热电厂地处北方，黄河水一年四季温度变化较大，含沙量很高（泥沙浓度大于5000－10000mg/L）,考虑到水温对反渗透装置的出水率和出水水质的影响，包头第一热电厂采用的是陶氏公司的复合反渗透膜。
根据水源的特点和膜元件的要求：包头第一热电厂反渗透装置采用的预处理方案為：包钢在黄河取水口后对黄河水进行了简单的预处理，主要以沉淀为主要手段，这样进入电厂的黄河水中较大的泥沙颗粒已被沉淀除去。通常情况下包钢来水的泥沙含量小于1000mg/l，机械加速澄清池配备PAC、PAM加药装置，通过混凝原理为充分发挥澄清池的作用创造了有利条件，去除黄河水中大量的泥沙和胶体悬浮物；利用双介质过滤器和活性炭过滤器很好地截留部分悬浮物，保证进入反渗透装置的黄河水的SDI15和浊度（NTU）符合膜原件的要求，同时活性炭过滤器还有吸附有机物和游离氯的作用；超滤装置中加入杀菌剂后除去悬浮物、细菌、大分子有机物、胶体，保证进入反渗透的游离氯（mg/L）满足膜元件的要求。
3.3反渗透部分
反渗透装置是最主要的脱盐装置，系统利用反渗透膜的特性来除去水中绝大部分可溶性盐分、胶体、有机物及微生物。经过预处理后合格的原水进入置于压力容器内的膜组件，水分子和极少量的小分子量有机物通过膜层。经收集管道集中后，通往产水管再注入淡水箱。其膜组件均采用BW30-365FR低压抗污染复合反渗透膜，单根膜脱盐率为99.5%。下表为反渗透装置技术参数：
3.4出水利用部分
包头第一热电厂的反渗透出水经脱气后由淡水泵进行输送，输送到离子交换除盐装置生产除盐水以提供汽机和锅炉补给水。
3.5控制部分简介
黄河水制水装置的控制由上位操作站（1台主站GE90-70PLC+GE Field control从站，结合Genius网络组成）完成。上位操作站完成对系统中各类参数的监视、设置、人机交互、数据保存等操作功能，流程画面清晰实时动态显示工艺流程及生产设备运行情况。可在流程图画面上对现场设备进行软手动操作，向PLC发出指令。生产过程中的运行数据可以进行历史储存。操作站具有自诊断功能、开放的软件和网络通讯接口。控制系统可对整个黄河水制水系统实现程序控制，整个系统的启动、停运、高低压保护及系统保护全部实现自动。
4进水温度对反渗透系统安全经济运行的影响
在实际运行中，对反渗透运行效果的好坏的判断主要是通过脱盐率和产水量两项指标来进行评价。温度的高低对这两项指标的影响比较大，通过实际运行数据统计得出温度对产水量和脱盐率的影响如下图所示：
可以看出，随着进水温度的提高反渗透的脱盐率是逐渐下降的趋势，产水量则以线性增加。但随着温度的降低，水的粘度随之增加，进水温度的提高，水分子的黏度下降。一般进水温度每升高1℃产水量增加2—3%左右。由于粘度的影响，水通量按以下关系式变化：
J=J01.03t-25
式中： t—水温℃
J0—标准条件下的通量
J —温度t下的进料水通量
通量与净施加推动力成正比，净施加推动力为所加压力减去渗透压之差（进料水的渗透压减产品水的渗透压），从上式可以看出较冷的水通量减小，为了提供所要求的流量，应增加相关膜的数量，但是在一些情况中，可增加进料水压力以增加通量，这样可以减少所需膜的数量。通量是温度与所加净压力的函数。然而，穿过膜的盐通过率仅是温度与总盐浓度的函数。就膜而言，这是一个常数。因此，提高净推动压力以提高通量，能够改善产品水的质量。但从包头第一热电厂实际情况来看，在冬季反渗透进水温度仅有4℃左右，持续时间长达3个月以上，如仅从提高净推动压力上出发，对设备的磨损及相关经济指标的控制将产生长久的影响，若想从根本上解决此问题，必须采用生水加热，来提高反渗透进水温度。
包头第一热电厂反渗透装置是在进水温度15-25℃范围内，每套反渗透的设计出力90T/H。每套装置有膜组件12个，每个膜组件内又有6根膜。如果温度降低而其他条件不变产水量必然降低，这一点在实际运行当中充分的体现出来。冬季反渗透的进水温度2℃左右，当压力一定时，产水量为60T/h。产水量较额定值下降了30%。若达到额定出力只有将进水压力提高到2.0MP。这样就超出了进水压力的控制标准，对反渗透制水装置的安全运行极为不利。另外进水压力的增大产水量虽然会增加，当压力增加到一定数值时脱盐率不再增加，而是趋向平稳。同时压力增大使反渗透膜的密度增加，孔径变小，导致脱盐率增大。为此，冬季时只有启动两套反渗透装置运行才能保证生产用水的需求，造成电耗的增加。在冬季压力不变的情况下将进水温度从2℃提高到15℃，产水量会增加26%-39%，可以使反渗透产水量达到额定产水量。
5、针对提高进水温度所采取的措施
5.1措施一：用老厂水源来提高进水温度
由于冬季环境温度的降低，反滲透的前期制水流程中没有任何加热措施，所有的水温都随环境温度的变化而改变。投产初期的生产运行情况非常紧张，为了尽快提高进水温度保证安全生产，便采取了最简单可行的办法，利用老厂的系统和水源来提高扩建的两台125MW循环流化床锅炉补给水制水的进水温度；老厂的除盐系统是旧设备改造工程，其中保留了一些旧的管道和设施作为双备用，原水箱是老设备的清水箱，原有老厂来清水管道进水箱的设施是备用设施，可以将老厂的清水直接补入原水箱；老厂的清水流程为：包钢来水→生水加热器加热到38℃±2→澄清器（经石灰和聚合铁澄清处理后的清水），温度有36℃左右，若每小时补入50吨这样的水和水箱中净水站来清水混合后可将反渗透的进水温度提高到16℃左右，可满足反渗透的进水水温的要求。这一措施暂时缓解了水温度低的问题。在运行了两个多月后反渗透的膜压差开始增大有结垢现象，当时对进水水质进行了分析：老厂来清水水质如下：硬度;4.0mmol/l、碱度1.2mmol/l、PH值10-11,净水站水质：硬度：6.0mmol/l、碱度：4.0mmol/l、PH值6-8， 而扩建的两台125MW循环流化床锅炉采用的反渗透膜是复合膜，要求PH值是2-11，这样进水的PH值有些偏高，而PH值对反渗透膜的化学稳定性影响很大，对脱盐率和产水量影响（如图所示）可见下图：
当进水PH值太高时产水量趋于稳定，脱盐率下降，使膜造成结垢现象，同时考虑到PH值超过范围时可造成结垢和膜的水解，基于以上原因为了保护反渗透膜的性能将老厂来清水停止使用，这种提高进水温度的措施也就停止使用。
5.2措施二：采用生水加热器来提高水温
针对现场的实际设施情况，从机械加速澄清池到原水泵这段系统进行了逐一排查，决定在不改变原水水质的基础上直接对原水箱进行加热来提高反渗透的进水温度，既要保证原水的水质又要保证施工简单、费用低、效果好等多方因素。决定采用生水加热器来提高水温。生水加热器汽源取自锅炉零米的0.8-1.3MP的蒸汽，水源为工业水。在施工前根据能量守恒定律得出：原水箱每台体积为200立方米，共两台。净水站来水温度为2℃，预备将原水温度提高到15-25℃，以中限20℃为准进行了计算统计，0.8-1.3MP蒸汽的温度为320℃所释放的能量必须满足将水箱水位（满5.0米）提高到2/3以上所需能量；经过计算确定进气管道的直径ф108mm蒸汽量为20T/H。这样进气量和进水量可以同时控制，完全能按要求达到所需要的水温度，这一改造项目从投入使用，一直效果很好，温度值能完全控制在10-25℃。保证了设备的安全、经济运行，满足了供水需求。
6几点认识和体会
6.1黄河水预处理的合理设计和正常运行，对反渗透的进水水质（SDI<5）起着关键性的作用，是保证利用反渗透装置进行黄河水制水正常运行的重要因素。
6.2保证进水水温（15—25℃），是保证反渗透系统安全经济运行的重要指标。
6.3制水设备运行时间短，启停比较频繁，这就要求反渗透值班员在启停设备时一定要提前和生水加热器值班人员取得联系，等到生水加热器完全停运后才开始停运反渗透设备。
6.4在工业水压力低时生水加热器的水量会降低，出现水温波动的现象，需专业值班员及时调整运行参数。
参考文献：
[1]黄征青;延长反渗透膜使用寿命的方法[J];水处理技术;2000年06期
[2]陈益棠;《脱盐》文摘[J];水处理技术;1992年01期
[3]吴存永;反渗透膜技术在污水回用中的应用[D];南京理工大学;2004年
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：反渗透（RO）；黄河水制水；工艺流程；水温
Abstract: This paper describes the principle of reverse osmosis processes, from the process flow and water temperature introduced the Yellow River water system using reverse osmosis device of Huaneng Baotou No.1 Power Plant water.Key words: reverse osmosis (RO); Yellow River water system water; process; water temperature
中图分类号：TV882.1 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1前言
华能包头第一热电厂扩建的两台125MW循环流化床机组，于2005年3月相继投产发电。设计日用除盐水量3000吨。水源取自包钢水源地的黄河水。根据机组用水的质量需求建立了两台反渗透制水装置，两套装置总产水量为2×90T/H,并联运行。对水质要求如下表：
2反渗透原理
渗透是水从稀溶液一侧透过半透膜向浓溶液一侧自发流动的过程，半透膜只允许水通过而阻止溶解固形物（盐）通过，见图1-1（a），浓溶液随着水的流入而不断被稀释，当水向浓溶液流动而产生的压力P足以阻止水继续的流入时，渗透处于平衡状态，见图1-1（b）。平衡时，水从任一边透过半透膜向另一边流入数量相等，即处于动态平衡状态，而此时压力P称为溶液的渗透压。（注意：半透膜一边是纯水，一边是盐溶液）。当在浓溶液上有外加压力时，浓溶液的水会通过半透膜流向稀溶液，使得浓溶液的浓度更大，这一过程就是渗透的相反过程，称为反渗透。如图1-1（c）
3包头第一热电厂黄河水净化处理装置
3.1工艺流程
包钢来水#3、4管→厂区净水站→机械加速澄清池→清水池→原水箱→双介质过滤器→超滤装置→活性炭过滤器→保安过滤器→高压泵→反渗透→淡水箱→除盐装置→汽机
整个装置总体分为预处理部分、反渗透部分、出水利用和控制部分等四个部分。下面简述各部分的作用：
3.2预处理部分
工艺流程中：包钢来水#3、4管→机械加速澄清池→清水池→原水箱→双介质过滤器→超滤装置→活性炭过滤器，此流程为预处理部分。
预处理方案的设计由反渗透水源的水质和选用的膜元件两个因素决定。由于膜元件是主要部件，设计中应选其类型。包头第一热电厂地处北方，黄河水一年四季温度变化较大，含沙量很高（泥沙浓度大于5000－10000mg/L）,考虑到水温对反渗透装置的出水率和出水水质的影响，包头第一热电厂采用的是陶氏公司的复合反渗透膜。
根据水源的特点和膜元件的要求：包头第一热电厂反渗透装置采用的预处理方案為：包钢在黄河取水口后对黄河水进行了简单的预处理，主要以沉淀为主要手段，这样进入电厂的黄河水中较大的泥沙颗粒已被沉淀除去。通常情况下包钢来水的泥沙含量小于1000mg/l，机械加速澄清池配备PAC、PAM加药装置，通过混凝原理为充分发挥澄清池的作用创造了有利条件，去除黄河水中大量的泥沙和胶体悬浮物；利用双介质过滤器和活性炭过滤器很好地截留部分悬浮物，保证进入反渗透装置的黄河水的SDI15和浊度（NTU）符合膜原件的要求，同时活性炭过滤器还有吸附有机物和游离氯的作用；超滤装置中加入杀菌剂后除去悬浮物、细菌、大分子有机物、胶体，保证进入反渗透的游离氯（mg/L）满足膜元件的要求。
3.3反渗透部分
反渗透装置是最主要的脱盐装置，系统利用反渗透膜的特性来除去水中绝大部分可溶性盐分、胶体、有机物及微生物。经过预处理后合格的原水进入置于压力容器内的膜组件，水分子和极少量的小分子量有机物通过膜层。经收集管道集中后，通往产水管再注入淡水箱。其膜组件均采用BW30-365FR低压抗污染复合反渗透膜，单根膜脱盐率为99.5%。下表为反渗透装置技术参数：
3.4出水利用部分
包头第一热电厂的反渗透出水经脱气后由淡水泵进行输送，输送到离子交换除盐装置生产除盐水以提供汽机和锅炉补给水。
3.5控制部分简介
黄河水制水装置的控制由上位操作站（1台主站GE90-70PLC+GE Field control从站，结合Genius网络组成）完成。上位操作站完成对系统中各类参数的监视、设置、人机交互、数据保存等操作功能，流程画面清晰实时动态显示工艺流程及生产设备运行情况。可在流程图画面上对现场设备进行软手动操作，向PLC发出指令。生产过程中的运行数据可以进行历史储存。操作站具有自诊断功能、开放的软件和网络通讯接口。控制系统可对整个黄河水制水系统实现程序控制，整个系统的启动、停运、高低压保护及系统保护全部实现自动。
4进水温度对反渗透系统安全经济运行的影响
在实际运行中，对反渗透运行效果的好坏的判断主要是通过脱盐率和产水量两项指标来进行评价。温度的高低对这两项指标的影响比较大，通过实际运行数据统计得出温度对产水量和脱盐率的影响如下图所示：
可以看出，随着进水温度的提高反渗透的脱盐率是逐渐下降的趋势，产水量则以线性增加。但随着温度的降低，水的粘度随之增加，进水温度的提高，水分子的黏度下降。一般进水温度每升高1℃产水量增加2—3%左右。由于粘度的影响，水通量按以下关系式变化：
J=J01.03t-25
式中： t—水温℃
J0—标准条件下的通量
J —温度t下的进料水通量
通量与净施加推动力成正比，净施加推动力为所加压力减去渗透压之差（进料水的渗透压减产品水的渗透压），从上式可以看出较冷的水通量减小，为了提供所要求的流量，应增加相关膜的数量，但是在一些情况中，可增加进料水压力以增加通量，这样可以减少所需膜的数量。通量是温度与所加净压力的函数。然而，穿过膜的盐通过率仅是温度与总盐浓度的函数。就膜而言，这是一个常数。因此，提高净推动压力以提高通量，能够改善产品水的质量。但从包头第一热电厂实际情况来看，在冬季反渗透进水温度仅有4℃左右，持续时间长达3个月以上，如仅从提高净推动压力上出发，对设备的磨损及相关经济指标的控制将产生长久的影响，若想从根本上解决此问题，必须采用生水加热，来提高反渗透进水温度。
包头第一热电厂反渗透装置是在进水温度15-25℃范围内，每套反渗透的设计出力90T/H。每套装置有膜组件12个，每个膜组件内又有6根膜。如果温度降低而其他条件不变产水量必然降低，这一点在实际运行当中充分的体现出来。冬季反渗透的进水温度2℃左右，当压力一定时，产水量为60T/h。产水量较额定值下降了30%。若达到额定出力只有将进水压力提高到2.0MP。这样就超出了进水压力的控制标准，对反渗透制水装置的安全运行极为不利。另外进水压力的增大产水量虽然会增加，当压力增加到一定数值时脱盐率不再增加，而是趋向平稳。同时压力增大使反渗透膜的密度增加，孔径变小，导致脱盐率增大。为此，冬季时只有启动两套反渗透装置运行才能保证生产用水的需求，造成电耗的增加。在冬季压力不变的情况下将进水温度从2℃提高到15℃，产水量会增加26%-39%，可以使反渗透产水量达到额定产水量。
5、针对提高进水温度所采取的措施
5.1措施一：用老厂水源来提高进水温度
由于冬季环境温度的降低，反滲透的前期制水流程中没有任何加热措施，所有的水温都随环境温度的变化而改变。投产初期的生产运行情况非常紧张，为了尽快提高进水温度保证安全生产，便采取了最简单可行的办法，利用老厂的系统和水源来提高扩建的两台125MW循环流化床锅炉补给水制水的进水温度；老厂的除盐系统是旧设备改造工程，其中保留了一些旧的管道和设施作为双备用，原水箱是老设备的清水箱，原有老厂来清水管道进水箱的设施是备用设施，可以将老厂的清水直接补入原水箱；老厂的清水流程为：包钢来水→生水加热器加热到38℃±2→澄清器（经石灰和聚合铁澄清处理后的清水），温度有36℃左右，若每小时补入50吨这样的水和水箱中净水站来清水混合后可将反渗透的进水温度提高到16℃左右，可满足反渗透的进水水温的要求。这一措施暂时缓解了水温度低的问题。在运行了两个多月后反渗透的膜压差开始增大有结垢现象，当时对进水水质进行了分析：老厂来清水水质如下：硬度;4.0mmol/l、碱度1.2mmol/l、PH值10-11,净水站水质：硬度：6.0mmol/l、碱度：4.0mmol/l、PH值6-8， 而扩建的两台125MW循环流化床锅炉采用的反渗透膜是复合膜，要求PH值是2-11，这样进水的PH值有些偏高，而PH值对反渗透膜的化学稳定性影响很大，对脱盐率和产水量影响（如图所示）可见下图：
当进水PH值太高时产水量趋于稳定，脱盐率下降，使膜造成结垢现象，同时考虑到PH值超过范围时可造成结垢和膜的水解，基于以上原因为了保护反渗透膜的性能将老厂来清水停止使用，这种提高进水温度的措施也就停止使用。
5.2措施二：采用生水加热器来提高水温
针对现场的实际设施情况，从机械加速澄清池到原水泵这段系统进行了逐一排查，决定在不改变原水水质的基础上直接对原水箱进行加热来提高反渗透的进水温度，既要保证原水的水质又要保证施工简单、费用低、效果好等多方因素。决定采用生水加热器来提高水温。生水加热器汽源取自锅炉零米的0.8-1.3MP的蒸汽，水源为工业水。在施工前根据能量守恒定律得出：原水箱每台体积为200立方米，共两台。净水站来水温度为2℃，预备将原水温度提高到15-25℃，以中限20℃为准进行了计算统计，0.8-1.3MP蒸汽的温度为320℃所释放的能量必须满足将水箱水位（满5.0米）提高到2/3以上所需能量；经过计算确定进气管道的直径ф108mm蒸汽量为20T/H。这样进气量和进水量可以同时控制，完全能按要求达到所需要的水温度，这一改造项目从投入使用，一直效果很好，温度值能完全控制在10-25℃。保证了设备的安全、经济运行，满足了供水需求。
6几点认识和体会
6.1黄河水预处理的合理设计和正常运行，对反渗透的进水水质（SDI<5）起着关键性的作用，是保证利用反渗透装置进行黄河水制水正常运行的重要因素。
6.2保证进水水温（15—25℃），是保证反渗透系统安全经济运行的重要指标。
6.3制水设备运行时间短，启停比较频繁，这就要求反渗透值班员在启停设备时一定要提前和生水加热器值班人员取得联系，等到生水加热器完全停运后才开始停运反渗透设备。
6.4在工业水压力低时生水加热器的水量会降低，出现水温波动的现象，需专业值班员及时调整运行参数。
参考文献：
[1]黄征青;延长反渗透膜使用寿命的方法[J];水处理技术;2000年06期
[2]陈益棠;《脱盐》文摘[J];水处理技术;1992年01期
[3]吴存永;反渗透膜技术在污水回用中的应用[D];南京理工大学;2004年
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。