作者：靖大为、席燕林 编著
出版社：化学工业出版社
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反渗透系统优化设计与运行试读：
前言
近20年以来，以反渗透技术为核心的分离膜水处理技术得到了高速的发展，广泛应用于化工、冶金、电力、电子、制药、食品、饮品、市政给水处理及市政污水处理等多个工业行业，已经成为海水及苦咸水淡化、纯水及高纯水制备、中水及污废水回用三大水处理领域中的主体工艺技术。目前在国内以反渗透工艺技术为核心，已经构成了相关产品的科研、开发、设计、生产、销售、安装、运行及服务的一个完整产业链条，形成了一个新兴的且高速增长的分离膜水处理行业。
20年前的分离膜水处理工艺，主要还是传统预处理加一级或两级反渗透系统。目前已经发展到了超滤或微滤的预处理工艺、反渗透与纳滤结合的主脱盐工艺、电去离子的淡水深度脱盐工艺以及膜蒸馏等的浓水减排工艺等涉及多项膜技术的综合工艺体系。工程规模也从20年前的每小时几吨或十几吨发展到了目前的每小时几千吨级水平。
近年来，国家及地方的科研立项向膜技术领域倾斜，膜技术原理及工程应用方面的专著大量出版。高等院校中给排水及环境工程专业的本科教学增加了膜技术相关内容，研究生的培养也向膜技术方向转移。这些变化对于反渗透膜技术及相关产业的发展均起到了巨大的推动作用。
但是，由于反渗透技术发展的时间较短，行业发展速度很快，原水水质条件恶化，工程对象要求各异，特别是相关的设计、制造、运行及服务等企业的专业技术水平参差不齐，致使不少工程存在各类设计与运行问题。出现这些问题的主要原因之一是缺乏完整的工艺理论及深入的工艺研究。虽然出版界关于膜技术的原理性著作已经很多，但对于系统设计及系统运行方面的工艺性质论著相对较少。
本书的编著旨在建立一整套较为完整的反渗透系统设计与系统运行的工艺理论，其中讨论的主要内容包括：（1）各类预处理工艺及膜处理工艺的基本原理、基本工艺与基本参数。（2）设计通量、设计收率、分段结构、双恒量模式等膜系统设计概念。（3）反渗透及纳滤系统中膜堆的品种、数量、排列三大基本设计问题。（4）膜系统中淡水背压、浓水回流、段间加压及淡水回流等特殊工艺。（5）膜系统中膜壳、水泵、仪表、控制、清洗等辅助部分的典型设计。（6）系统运行中的安装、调试、检测、诊断、应急、换膜及清洗过程。（7）元件、膜堆及管路的运行数学模型与元件的透水系数及透盐系数。（8）不同工作压力、脱盐率、膜压降三指标元件在系统中的优化排列。（9）系统中给水、浓水及淡水管道或壳腔的结构、规格及流向的优化。（10）原始系统及污染系统中沿流程的各项运行参数的分布及变化趋势。（11）双级系统中提高脱盐率的工艺措施及保证脱盐率的最低元件性能。（12）海水淡化工艺中工作压力、系统收率及膜堆结构等系统设计问题。（13）纳滤膜系统脱盐及脱除有机物的特点与氧化纳滤膜的制备与应用。（14）反渗透或纳滤系统运行模拟软件的基本功能、结构框图及其使用。
书中内容强调了：元件三项特性参数，系统两项极限收率，系统四大特殊工艺，系统设计八项指标，设计指标间十大关系，六支段膜堆结构，均衡通量与均衡污染，不同性能元件配置优化，系统管路结构参数优化，系统设计通量优化，双恒量与泵特性两类运行模式等系统工艺领域中的基本概念；明确了“高温度、重污染及浓给水三条件检验系统脱除盐率，低温度、重污染及浓给水三条件检验水泵工作压力”的设计方案检验原则；涵盖了两级、纳滤与海水淡化等系统工艺，从而形成了关于反渗透系统设计与运行的一套较为完整的工艺理论。
对于膜工艺的研究主要包括系统技术指标、系统基本结构、系统设计优化及系统运行优化等项内容。工艺研究的基本手段是系统运行模拟，运行模拟的基本工具是运行模拟软件，而模拟软件的核心部分是元件、膜堆、管路及系统的相关数学模型。目前，各膜厂商均已推出各自的设计软件中自然内涵了相关模型，但欠缺的是软件功能不足与模型不公开透明，因此限制了系统计算的水平提高与系统研究的深入开展。针对目前现状，书中给出了膜元件的理想数学模型，全面介绍了元件、膜壳、膜段、管路、各类污染层、浓差极化度即一个完整系统的离散数学模型，深入讨论了膜元件的透水与透盐的理论与实用模型，示出了与上述模型相应的“系统运行模拟软件”程序框图，从而为深入研究系统运行规律与深度开发系统模拟软件奠定了基础。
本书关于膜元件及膜系统的特性分析及模型分析的内容，一方面旨在揭示膜工艺技术的内在规律，另一方面也是研究模拟软件过程中阶段性成果的展示，同时也希望这些内容能为更多学者及研究人员深入研究提供资料。
书中相关论述主要包括理论基础、数学模型、模拟计算及试验分析等四种模式，各章节力求由浅入深，旨在为不同技术水平的理论研究人员及工程技术人员提供参考。本书也可作为高等院校相关专业本科或研究生膜技术课程的教材，特别希望相关专业的硕士生及博士生将本书中尚未解得的相关数学模型及尚待改进的软件功能加以完善，使反渗透系统及纳滤系统的工艺研究成为一个更加完善且不断发展的研究方向。
在本书相关的研究过程中，天津城建大学环境与市政工程学院的徐腊梅、毕飞、夏罡、王春艳、孟凤鸣、贾丽媛、贾玉婷、罗浩、苏宏、江海、董翠玲、马晓丽、李宝光、、马孟、朱建平、苏卫国、严丹燕、罗美莲、杨小奇、孙浩、李肖清、李菁杨、韩力伟、杨宇星、翟燕、王文凤、王文娜、黄延平、张智超等研究生同学做了大量且有效的试验与研究工作；业界著名专家徐平先生、海德能公司贾世荣先生与仲怀明工程师、天津城建大学程方教授与苑宏英教授在本书编写过程中给予了诸多帮助；多年来《膜科学与技术》《水处理技术》《工业水处理》《供水技术》《天津城市建设学院学报》等国内专业杂志均给予了大力支持，并特请贾世荣先生作了本书的审核工作，这里一并表示衷心的感谢。
本书内容主要源于笔者的工程经验及研究成果，多有不甚成熟部分，不足之处在所难免，敬请相关专家及广大读者予以批评指正。编著者2015年3月15日第1章 概论1.1 膜工艺技术的定义
分离膜系指具有组分分离功能的半透膜，理想半透膜应能实现部分组分的绝对透过与其余组分的绝对截留，而现实世界中的半透膜均为能够实现组分相对分离而非绝对分离的非理想半透膜。
按物态划分，物质分为固态、液态与气态，半透膜可以是固态膜、液态膜和气态膜。从组分分离的观点看，被分离物质可以是单相的也可以是混相的，组分分离可分类为固固、固液、固气、气液、气气及液液分离六大类。分离膜水处理领域用膜仅为固态膜，分离过程涉及悬浮物与水的固液分离，溶解气体与水的气液分离，溶解固体与水（或溶剂与溶质）的液液分离。
膜分离技术是多学科交叉的高技术，膜材料与膜制备属于化工材料学科，膜分离过程属于化工传递学科，膜分离设备属于化工机械学科，膜分离的对象又涉及采掘工程、给水工程、化学工程、热力工程、冶炼工程、环境工程、生物工程、制药工程、食品工程等诸多相关工程领域。
按照物质选择透过膜的动力源划分，膜过程可分为两类：一类的动力源于被分离物质之内在能量，物质从高能位流向低能位；另一类的动力源于被分离物质之外的能量，物质从低能位流向高能位。膜过程按推动力性质也可以划分为压力梯度、浓度梯度与电势梯度三类推动力，物质总是从高梯度值处向低梯度值方向移动。
膜分离工艺与蒸馏、离心、混凝-沉淀、硅藻土、陶瓷玻璃及离子交换等其他过滤及分离工艺相比，具有常温度环境、低工作压力、无相变、无滤料溶出、高效、节能、环保、单元化、占地面积小等一系列特点，从而具有显著的市场竞争优势。在国内地价快速上涨形式下，膜工艺仅占地面积优势一项，就已大部抵消掉其价格偏高之劣势。1.2 膜工艺技术的历史
渗透现象很早即被人类所发现，而反渗透膜技术是20世纪后半叶以来得以迅速发展的新型水处理及化工分离技术。法国学者阿贝·诺伦特（Abbe Nollet）早在1784年就发现水能够自发地扩散到装有酒精的猪膀胱内，从而首次揭示了膜分离现象。1864年Schmidt用牛心包膜提取阿拉伯胶的过程堪称世界上的首次超滤试验。1907年Bechhold制取了多孔火棉胶膜，并发表了首篇微滤膜研究报告。19世纪发现的Fick定律促进了膜扩散与渗透压的研究，20世纪20年代Vant Hoff与J·W·Gills建立了稀溶液理论以及渗透压与其他热力学性能间的关系，为渗透现象的研究奠定了理论基础。
1953年美国佛罗里达大学的C·E·Reid发现了醋酸纤维素具有的良好半透性；1960年美国加利福尼亚大学的Yuster，Loeb与Sourirajan制成了第一张高脱盐率、高透水率的非对称型醋酸纤维素膜，为反渗透技术的工业化奠定了基础。1964年美国通用电气公司制成了卷式反渗透膜组件，1965年美国加利福尼亚大学研制出管式反渗透膜组件。20世纪70年代初美国杜邦（Dupont）公司研制出芳香聚酰胺材料中空式反渗透膜组件；80年代初出现了芳香聚酰胺复合型卷式膜；90年代初开始反渗透技术在全球进入了更加广泛和高速的开发与应用时代。进入21世纪以来，反渗透膜产品进入了更大规模工业化生产阶段。
我国1958年开始进行离子交换膜技术的开发，1966年与1975年分别开始反渗透与超滤膜的研究与开发。国家自“六五”计划以来，持续在膜技术特别是反渗透技术领域投入了大量人力与资金进行技术与产品开发，并相继在杭州海洋二所与天津工业大学建立了两个重点研发与生产基地，使国产反渗透膜技术开发取得了巨大进展。随后的辽宁兴城8271厂、江苏常州能源设备总厂、河北石家庄阿欧环境技术有限公司等企业引进设备与技术生产反渗透膜，而目前的北京时代沃顿科技有限公司、浙江杭州北斗星膜产品有限公司等十余家国内知名企业在反渗透膜技术的开发与膜产品的制造领域做出了显著贡献，目前已经占有超过了10％的国内市场；而海南立升、天津膜天、山东招金及北京坎普尔等国内大量超微滤厂商的产品已经相当成熟，不仅在国内占领了大半市场，并早已打入东南亚及其他国际市场。1.3 反渗透膜技术应用
近20年来，国内以反渗透为代表的分离膜水处理技术的应用得到了快速的推广；这一现象既得益于国家经济实力的提升、更高工业水平的要求、膜技术自身水平的提高，也受到环境水体污染与水源逐渐枯竭等因素的促进。
由于微电子行业中需要低含盐量及低悬浮物纯水在电子芯片制备过程进行冲洗之用，电子行业成为膜技术的早期典型应用领域之一。随着反渗透脱盐工艺技术逐步替代多效蒸馏、离子交换及电渗析等早期技术，目前该技术已经成为化工、电力、冶金、电子、制药、食品、饮品及直饮水等多个工业行业给水深加工或污废水回用处理的主流工艺，并开始进入市政给水及市政污水处理领域。甚至在高档花卉等种植业以及观赏鱼类等养殖业等新型农业行业也常采用反渗透工艺制成纯水，再配以相应的营养成分后加以使用。
反渗透为代表的膜工艺技术在纯水与超纯水制备、中水与污废水回用、海水与苦咸水淡化等各个领域中得到广泛应用的同时，逐步形成了一个以反渗透膜技术为核心，保持高速发展的新型膜法水处理行业。1.4 反渗透膜产品市场
半个世纪以来，世界范围内众多相关的教育机构、研究机构与生产企业广泛开展了膜技术的研究与膜产品的开发，其中包括制膜材料、制膜工艺、元件制备、系统设计、应用工艺、清洗工艺等多方面内容。但是，目前世界范围内反渗透及纳滤膜的大型工业规模生产仅集中于美国、日本及韩国等少数国家的少数企业，其中最为著名的卷式反渗透膜厂商包括美国的Dow/Filmtec（陶氏）、Nitto Denko/Hydranautics（海德能）、Koch（科氏）/Fluid system（流体）、GE/Osmonics/Desal、Trisep，日本的Nitto Denko（日东）、Toray（东丽），韩国的TCK/Csm（东玺科）等几家企业。
在反渗透膜产品的销售量方面，1995年国内销售的8in与4in膜元件不超过1000支与5000支。2005年国内销售8in与4in元件分别达到约12万支，2in元件数量达到约25万支。2014年国内销售8in与4in元件已经分别超过60万支与40万支水平。
回顾国内反渗透技术近20年的发展历程不难发现，该技术的高速发展主要源于六大促进因素：一是反渗透膜技术自身拥有的技术先进性，使多效蒸馏、离子交换、电渗析等早期的脱盐工艺逐一让出了主流工艺位置；二是国内经济的持续高速发展，使国内膜技术市场呈现出迅猛的发展速度与巨大的发展潜力；三是国内水资源的日益短缺与水环境的日趋恶化，使膜法水处理的应用从给水深加工扩展到污废水的资源化处理；四是人民币汇率不断升值、关税持续下调，有效提高了国内企业对于进口膜元件及其相关产品的购买力；五是反渗透工艺配套产品的国产化，使反渗透技术相关工程成本及膜处理工艺运行成本不断下降；六是国内不断引进及开发膜生产技术，不同程度地实现了反渗透膜产品的国产化。
20年前的反渗透膜产品市场几乎是Filmtec的一统天下。当时膜元件的价格不菲，绝大多数国内水处理工程用户不敢问津。随着Hydranautics、CSM、Toray等国外产品的大举进入，世界上具有工业规模的各大反渗透膜厂商的产品全面登陆国内市场。一些国外厂商在沿海地区纷纷建立保税库以缩短贸易周期，Nitto Denko/Hydranautics公司率先于2002年在上海（松江）独家斥资建厂卷膜，日本Toray公司与国内蓝星公司合作在北京生产膜片，以降低生产成本。以北京时代沃顿公司为代表的国产膜厂商，先行技术设备引进，后续自主产品研发，迅速实现市场扩展，进一步加剧了膜市场的多元格局及竞争的激烈程度。膜产品价格战的惨烈及市场信息的快捷使膜产品的研发、生产、销售、服务各环节已无暴利可言，而产品质量战的结果加速了膜产品性能的快速进步。
在反渗透工艺配套产品的发展历程中，早期是国外产品间的相互竞争，后期是进口产品国产化与国内产品争相出口。目前与反渗透工艺配套的膜元件、膜容器、高压泵、流量计、压力表、多路阀、玻璃钢容器、叠片式滤器、纤维过滤器、精密（保安）过滤器及各类管材等进口产品在国内产品面前已无过多优势。这一国产化过程中不仅催生了大量的国内专业企业、产出了各种国产化产品，也降低了此类产品的市场价格、促进了反渗透水处理技术的广泛应用。
近20年来国内市场对于反渗透技术及其产品经历了一个从陌生到熟悉，从缺乏购买力到逐步成为世界上发展最快、最大规模及最具潜力市场的演变过程。在国际贸易的内容方面，从成套设备进口、散件进口国内组装，到配套器件国产化、配套器件出口甚至成套设备出口，国内分离膜水处理设备制造行业已经取得了长足的进步。
反渗透膜产品自20世纪80年代中期开始进入国内市场，最早用于电子、医药行业的高纯水制备，并逐步用于其他工业及民用给水深加工。进入21世纪以来，国内水资源短缺及水污染形势的日趋严峻，使反渗透技术在给水深加工处理、污水资源化处理及海水淡化处理等领域的应用得到大幅扩展。随着工程规模的不断扩大，且为达到减排或零排的目的，甚至反渗透系统浓水的再加工也成为重要的发展方向。1.5 反渗透技术的发展
随着反渗透技术应用领域的不断扩展、相关工程规模的不断扩大，反渗透膜技术的自身水平也在不断地提高。反渗透膜技术与膜工艺主要沿着加强分离功能、提高工艺水平与克服膜体污染三条主线向前发展。加强膜分离功能方面主要包括提高脱盐率、降低工作压力等项内容；提高工艺能力方面主要包括提高抗氧化能力、加大膜元件规格、提高膜元件承受压力、减少过膜元件压力损失等项内容；克服膜体污染方面主要包括增强材料亲水性、降低膜表面粗糙度、膜表面电荷中性化等项内容。1.5.1 膜材料与膜结构
工业用反渗透膜的材料主要分为醋酸纤维素（CA）与芳香聚酰胺（PA）两大类，醋酸纤维膜与芳香聚酰胺膜相比，前者亲水性好、抗氧化性强、表面光滑，而后者的工作压力低、耐酸碱性强、耐生物污染、产水量高，具有更强的化学稳定性。醋酸纤维素膜是反渗透膜的早期产品，日本东洋纺公司目前尚在坚持醋酸纤维素中空膜产品的生产，而绝大部分其他膜厂商已相继转用芳香聚酰胺膜材料。目前芳香聚酰胺膜技术以其优越的性能得到了快速发展与广泛应用。
早期CA单质膜结构的分离材料较厚，同时起着分离与支撑作用，其透速率较低、工作压力较高、膜工艺效率较差。后期PA复合结构的分离层与支撑层材料相异，有效分离层极薄，透速率较高，工作压力较低，大大提高了膜工艺的效率。复合结构不仅已成为卷式膜的基本膜体结构，中空式膜体也开始向复合结构发展。
早期的纳滤膜沿用聚酰胺材料，其脱盐率长期居高不下，因而限制了其使用的效果与范围。近期的纳滤膜材料开始使用磺化聚醚砜等多种材料，有效地降低了脱盐率，扩展了其应用领域。1.5.2 元件结构的演化
反渗透膜元件的结构形式中，板式、中空及管式结构的市场相对狭窄。作为早期中空膜厂商代表的美国杜邦公司（Du Pont）已经停止其中空膜的生产，著名的日本东洋纺（Toyobo）中空膜的销量也极其有限。卷式膜结构因性价比高、对给水预处理要求低、应用领域广，而赢得了巨大的市场份额。目前，卷式膜因发展的高速度及广阔的市场占有率，使其几乎成为反渗透膜的代名词。1.5.3 提高脱盐率水平
反渗透工艺的主要目的是脱除给水中的盐分，反渗透膜的主要技术指标是脱盐率。醋酸纤维素膜脱盐率仅有约95％，芳香聚酰胺复合膜脱盐率可高达99.5％，近年来各膜厂商又相继推出了更高脱盐率的膜品种。高脱盐率膜品种不仅可提高产水水质，提高系统工作效率，减轻树脂交换床或EDI等后处理工艺的负荷，甚至可使一级高脱盐率膜系统的脱盐水平达到两级较低脱盐率系统水平，从而有效地简化了系统结构。1.5.4 降低膜工作压力
反渗透工艺是以膜两侧压差为工作动力，因此施于膜元件给浓水侧的工作压力水平成为重要的技术指标。早期芳香聚酰胺复合膜的工作压力为1.5MPa，近20年来陆续面世的低压及超低压复合膜的工作压力降至1.0MPa及0.7MPa。工作压力的降低既可降低给水泵的设计压力与管路的额定压力，减少了设备投资；更可以直接降低膜系统的电功率损耗，尽显膜技术的低能耗优势。降低工作压力是以特定产水通量（也称水通量、膜通量或通量）为基准，故降低工作压力的另一提法是在特定工作压力条件下提高膜体产水通量。
当膜工作压力低于1.0MPa时，系统浓水渗透压将与纯驱动压位于同一数量级。低压膜系统中，在高系统收率、高给水温度、高给水盐量及长系统流程工况下，将造成系统流程中各膜元件通量的严重失衡。因此，超低压膜的优势主要体现于商用及民用小系统或低含盐量给水的限定环境。1.5.5 提高抗污染能力
膜污染是膜过程的伴生现象，故增强膜材料的抗污染能力始终是膜制备技术发展的重要目标之一。提高反渗透膜的抗污染能力，主要是改善膜的粗糙度、电荷性及亲水性等方面。
①降低膜表面粗糙度 由于聚酰胺材质及复合结构的特征，聚酰胺复合膜表面较为粗糙，易于污染且难于清洗，故各膜厂商竞相采取措施以降低膜表面的粗糙程度。海德能公司的低污染膜（LFC1、LFC3系列）在原有的聚酰胺复合膜上再复合一层抗污染材料，以增强复合膜表面的平整度，并增强了膜表面的化学抗污染能力。陶氏化学公司的低污染膜（BW30-FR系列）直接提高了聚酰胺膜表面的光滑度，即具有较强的物理抗污染性能。
②调整膜表面电荷极性 聚酰胺膜表面一般带有少量负电荷，易于形成正电性胶体污染。为了同时降低膜表面的正负电性胶体污染，部分膜厂商推出电中性膜品种。在脱盐效果方面，带正电荷膜对于正离子的脱除率更高，带负电荷膜对于负离子的脱除率更高。如将带不同性质电荷的膜品种用于前后两级反渗透系统，可分别对水体中的正负离子产生较高脱除率，从而有效提高两级系统的整体脱盐率水平。
③提高膜材料的亲水性 聚酰胺等有机膜材料的原始性能是疏水性，而疏水膜的水透过性能及抗有机物污染性能均差，故各膜厂商均在材料改性即提高膜亲水性方面进行各种努力并取得了显著进展。1.5.6 提高抗氧化能力
在水处理工艺领域内，水体中氧化剂含量是一个重要指标，它是工艺流程中染菌或生藻的有效抑制物，也是高分子膜材料降解的主要原因。反渗透工艺流程中最佳的氧化剂分布是：在预处理工艺首端投放适量氧化剂，在各预处理工艺中保持氧化剂浓度，以维护工艺过程的无菌藻状态；在膜处理工艺中截留氧化剂，并防止膜系统的微生物污染。实现这一理想抑菌过程的重要一环是反渗透膜的高抗氧化性。
聚酰胺材料的抗氧化性较差，对给水中的游离氯含量一般只存在1000h·mg/L及0.1mg/L浓度的耐受能力。对自来水水源，游离氯本已经达到杀菌要求浓度，而对地表水等无氯含量水源，预处理系统首端需要加氯灭菌。为满足反渗透膜的低氯浓度要求，预处理系统末端需增加除氯工艺，从而增加了系统的预处理成本。此外，从除氯工艺位置开始至整个膜系统流程均无杀菌剂保护，微生物的滋生在所难免。特别是在膜元件的给浓水流道中，有机物的截留与无杀菌剂保护状态，必然会导致微生物污染。降低系统成本且免于膜系统微生物污染的根本解决方案是提高膜材料自身的抗氧化性能。
目前，时代沃顿等厂商推出的抗氧化聚酰胺反渗透膜的抗氧化能力可达26000h·mg/L及0.5mg/L浓度。1.5.7 提高耐高压能力
对于一般低含盐量水体，以节能为目的的膜工艺，应具有低工作压力性能；但对于高含盐量水体，给浓水的高渗透压推高了膜工艺的工作压力，这一现象在海水淡化工艺中达到了极致。
一般海水淡化用反渗透膜元件的耐压在8.3MPa范围以内。在15℃给水温度及35000mg/L给水含盐量的标准海水条件下，回收率达2到45％时的浓水渗透压已达4.3MPa，保持20L/（m·h）产水通量水平的工作压力超过7MPa，这几乎已达一般海水膜承受压力的极限状态。
如进一步提高海水淡化系统的回收率，膜元件的最高耐压即成为一个重要的限制因素。日本东丽公司等膜厂商已开发出了耐压为10MPa的超高压海水淡化膜。用段间加压泵与超高耐压膜构成的两段式海水淡化系统可以使全系统回收率增至60％。1.5.8 提高耐高温水平
反渗透水处理系统面对的工业环境即地表水、地下水及市政污水的温度多低于45℃，故45℃的最高给水温度工作条件可以满足绝大部分工程要求，但部分化工过程中的水体温度较高。
不少化工分离过程中，被处理料液需要始终保持较高温度，膜元件的低工作温度将限制反渗透工艺的使用。一些可降温处理的料液，在反渗透处理前的降温处理过程将增加工艺流程与工艺成本。一些后续工艺需再次加温的料液处理过程，还将再次增加工艺成本，从而大大削弱了反渗透工艺的节能优势。
美国GE/Osmonics/Desal公司推出的工作温度为70℃的反渗透膜产品，为高温特殊环境下反渗透技术的应用提供了条件。1.5.9 增大膜元件规格
一般而言，膜元件的规格越大，则单位体积内的有效膜面积越大，单位膜面积的成本越低，膜系统配套管路越少，膜系统占用空间越少。由于不同的系统规模需要不同的元件规格与之匹配，随着反渗透系统规模的不断扩大，要求膜元件规格不断增长。
较大规格膜元件的制备具有较高的技术含量，元件规格的增长也具有一个发展过程。20世纪80年代产生了4in膜元件，90年代产生了8in膜元件，近年来各膜厂商不断出现了10in、12in、15in甚至18in膜元件。一支18060规格（18in直径60in长度）元件相当于7支8040规格元件的膜面积与产水量，但占用空间减少了50％，管路长度减少了60％。大规格膜元件的广泛应用将有效降低大型膜系统的元件成本、管路成本与空间成本，并可大幅提高系统可靠性。43
日产淡水62.7×10m的以色列Sorek海水淡化厂，由于采用了16in规格膜元件而节省3/4的系统管路及其他硬件成本。1.5.10 增加膜元件面积
除增大膜元件的规格之外，也可以在特定的膜元件直径与长度规格范围内，通过优化相关的材料、结构与工艺来有效提高元件内的有效膜面积，进而提高特定规格膜元件的工作效率。近二十年来，228040规格膜元件的有效面积已经从早期的34.0m增长到37.2m甚至2达到40.9m。1.5.11 改变隔网的厚度
卷式膜结构优于中空膜结构的主要原因是卷式结构具有更强的耐污染能力，具体体现在由浓水隔网形成的可迂回流道及较大的流道高度。较大的隔网高度，不仅可以防止污染物堵塞流道，还可以降低流道阻力。在特定规格元件内，以保持有效膜面积为基础，不断提高浓2水隔网高度是膜制备技术的又一发展方向。早期34m面积膜元件的[注]浓水隔网高度仅有28mil，而一些膜厂商已将该高度提升到34mil，因而具有了更好的耐污染能力与更小的膜压降指标。1.5.12 改进隔网的形状
早期膜元件浓水隔网多成正方形网格，而为形成更好的紊流流态，以降低浓差极化指标，一些膜厂商已将隔网形状改为不同经纬线夹角的菱形，以形成更好的耐污染能力与更小的膜压降指标。此外，一些厂商还采用具有抑菌性能的隔网材料，以有效抑制浓水流道中微生物的滋生，降低微生物污染的速度，延长膜元件的清洗与寿命周期。1.5.13 增加膜袋的数量
以膜两侧压力差为推动力的反渗透工艺中，降低膜元件的淡水背压可有效降低工作压力与工艺能耗。构成淡水背压的各项内容中，元件淡水流道压降占据一定比例。提高元件淡水流道的高度受到元件内膜面积容积率的限值；而膜袋数量越少，淡水流道越长，淡水背压越高。因此，各厂商将8040元件中膜袋数量不断增加，以有效降低膜元件的淡水背压。1.5.14 改进膜元件端板
一般8in膜元件的端板呈圆形平面，串联膜元件之间只有很小的缝隙。在初装系统的启动过程中，膜壳与元件间的空气通过端板缝隙被逐步压入元件给浓水流道，并随元件浓水排出系统。由于元件间的缝隙狭窄，空气排出速度较慢，致使系统启动过程较长。
海德能公司在元件端板处设置了排气槽，使串联膜元件之间形成了较大间隙，大大加快了系统启动时膜壳与元件间气体的排出速度，有效减少了系统的启动时间，降低了水锤效应损伤膜元件的概率。
反渗透膜技术是一项高速发展的工业技术，各膜厂商竞相推出更高性能的膜产品。如海德能公司1989年推出其低压聚酰胺复合膜CPA2，1995年推出超低压复合膜ESPA1，1996年推出纳滤膜ESNA，1998年推出更高脱盐率的ESPA2与更高产水通量的ESPA3，并在同年推出耐污染膜LFC系列，2000年推出更低工作压力膜ESPA4，2003年推出的CPA2-HR具有更高的脱盐率与产水通量，2004年推出2膜面积为40.9m的ESPA2+，2005年推出低压降膜CPA3-LD，2009年推出PROC-10与PROC-20等更低压降膜，2010年推出抗菌性34mil隔网。
反渗透膜材料与制膜技术的进步，提高了材料性能、降低了工作能耗，增加了膜系统的效率、减小了预处理的负荷，使反渗透膜技术具有了更大的技术优势与市场竞争力。1.6 纳滤膜技术的进步
纳滤与反渗透同属脱盐性质的膜技术范畴，但应用领域却有很大差异，反渗透膜属于全无机盐谱系的无选择高比例脱除，而纳滤膜属于有选择的无机盐脱除，即对高价离子具有高脱除率而对低价离子具有低脱除率。纳滤膜材料也有聚酰胺及磺化聚醚砜等多种类别。
纳滤膜工艺在低脱盐率的同时，降低了膜两侧的渗透压差，降低了工作压力与工艺能耗，并可有效截留病毒、细菌、氨氮、杀虫剂、除草剂、三卤代烷前驱物等多类有机物质，从而降低BOD、TOC及色度等指标。
由于纳滤膜具有的特殊优势，其应用遍及化工、制药、食品、饮料、直饮水等诸多领域，并在市政给水及污水处理领域存在更大的应用潜力。在20世纪末，早期纳滤膜产品的脱盐率在80％～90％之间，其性能优势尚未充分展现；近年来各膜厂商相继推出更低脱盐率的纳滤产品，极大地丰富了纳滤膜产品系列，为膜技术的应用创造了更好的环境。1.7 反渗透的相关技术
随着反渗透膜技术的发展，以反渗透工艺为核心衍生出了一系列相关技术与工艺，其中主要包括能量回收、超微滤预处理、膜生物反应器、电去离子装置、系统浓水利用、压力容器制造等多项工艺技术。1.7.1 能量回收技术
反渗透膜系统的输入功率为给水压力与给水流量的乘积，系统的有功能耗为沿系统流程的给浓水压力与产水流量的积分，系统中最大的能量损失为浓水压力与浓水流量的乘积。高工作压力及低系统收率的海水淡化系统的能量损失几乎占到了输入能量的一半，故海水淡化工艺的经济性主要决定于对浓水径流中的能量回收。
早期的涡流、透平、水轮等离心式能量回收装置的回收率仅为50％～80％，而美国Energy Recovery等企业开发的正位移式转轮能量回收装置可使系统浓水能量的回收率达到97％，进而使海水淡化3的电耗指标降至2.4kW·h/m。高效能量回收装置的应用还可以扩展到高含盐量的亚海水甚至苦咸水淡化领域。1.7.2 超微滤预处理
反渗透系统的预处理工艺目前面临着两大局面：一是提高预处理工艺水平以保证反渗透工艺的运行稳定性；二是环境污染造成预处理系统的原水水质在不断恶化。随着国内水资源短缺现象的加剧，反渗透工艺一改以给水深加工为主要目标的历史面目，转而以污水资源化处理为主要目标的崭新形象立于水处理工艺之林。20世纪末，火电厂中反渗透工艺的目标仅为锅炉补给水除盐，而21世纪以来北方电厂反渗透工艺的主题已转至冷却循环水浓缩排放水体的淡化回收。
针对预处理工艺面临的两大局面，超微滤工艺更显现出作为反渗透预处理工艺的优越性。超微滤预处理工艺的出现，不仅彻底改变了反渗透系统传统的预处理工艺模式，充分发挥出了膜集成工艺技术的优势，甚至引起了反渗透膜系统设计与运行领域的一系列变革。超微滤工艺不仅展宽了反渗透处理水源范围，消减了反渗透膜系统的污染负荷，延长了膜元件的清洗周期与更换周期，甚至提高了反渗透工艺的设计通量，从而降低了反渗透系统的设备投资。美国Koch公司提出的使用传统预处理工艺与超滤预处理工艺对于反渗透膜产水通量影响的具体数值见于表1.1。表1.1 不同预处理工艺对应的反渗透膜系统设计通量1.7.3 膜生物反应器
随着水资源短缺形势的日益严重，生化处理已不再只是污废水达标排放的基本工艺，而开始成为污废水资源化回收处理的重要环节。污废水的生物降解处理与反渗透的资源化处理全过程中，膜生物反应器（MBR）起着重要的作用。
在生化反应工艺中，膜生物反应器较传统活性淤泥法具有污泥浓度高、水力停留时间长、抗冲击负荷能力强、无污泥膨胀现象及出水水质稳定等特点。随着各类膜生物反应技术的日臻成熟，膜生物反应器与反渗透的联合工艺将成为市政及工业污水资源化处理的典型工艺。1.7.4 电去离子技术
电渗析技术与离子交换技术结合而成的电去离子技术，作为离子交换复床的替代技术，更高效地解决了从1～15MΩ水平的高纯水制备过程。该技术因具有性能稳定、维护量低、节能环保及无需频繁再生等优势，已经成为对一级或两级反渗透系统产水进行深度除盐的成熟工艺技术。1.7.5 浓水利用技术3
目前国内反渗透系统的规模已超过2000m/h量级，加之水源短缺严重，大型系统中约25％排放浓水的进一步回收利用也成为反渗透工艺的典型问题。浓水回收的传统工艺是用石灰法使浓水中过饱和的碳酸钙析出沉淀，经过对沉淀物的过滤，降低水体硬度，并再次进行更高工作压力反渗透工艺的脱盐处理，以提高整个脱盐工艺的回收率。
膜蒸馏等浓水回收工艺的新型技术，可将反渗透浓水得到更高水平的浓缩处理，以达到更高减排水平，从而更加接近或真正实现工业污废水的零排放。1.7.6 压力容器技术
反渗透膜组件一般由膜元件与膜容器（又称压力容器或膜壳）组成，为满足强度、耐压、平直及成本等要求，8in膜容器基本采用玻璃钢（FRP）材质。目前，哈尔滨乐普实业发展中心等企业在国内率先开发出了1.5in、2.0in、2.5in、3.0in及4.0in等给浓水接口直径系列的8in膜容器，为系统的管路形成壳联结构、降低系统造价创造了有利条件。乐普公司还开发出多膜壳组合单元结构，该结构将多只膜壳并联后用特制的连接管与捆带集束形成膜壳组合，节省了卡箍及短管等并联膜壳部件，减少了膜堆占用空间，特别适用于大型系统膜堆。图1.1示出该结构的剖面。图1.1 乐普公司开发的膜壳组合单元剖面
由于国产玻璃钢膜容器的规模化生产及其价格的不断降低，其用途从原来高压的反渗透配套设备，扩展到了低压的超滤甚至超低压的精滤配套设备，促进了水处理成套设备的集成化与模块化。
早期的4in膜容器均为玻璃钢材料，20世纪末期开始出现用不锈钢有缝装饰管加工出的卷边式膜容器。目前更为流行的是不锈钢无缝管经卷边制成的膜容器，因其价格低廉、性能优良，而成为4in膜容器的主流形式之一。1.7.7 膜清洗与保运
随着反渗透技术应用的推广、工程规模的扩大及膜清洗问题的普遍压力，早期由广大工程企业或应用企业分散完成的膜清洗作业，已开始转由少数专业的膜清洗企业集中完成，从而大幅提高了膜清洗的水平。而且，一些专业清洗企业，不仅承担业主系统的药剂供应与专业的在线清洗与离线清洗，甚至发展出保运业务，以保运年费形式收取服务费用，负责业主系统的药剂、清洗、换膜及运行指导，甚至直接参与运行管理。专业的清洗企业及保运企业的出现，代表了膜工艺服务行业的产生，不仅更加细分了膜工业行业，也有效提高了膜工程系统的运行水平、维护水平与清洗水平，提高了系统运行的连续性与可靠性，是膜法水处理行业走向成熟的重要标志。
正是由于膜工艺相关技术的不断发展与进步，降低了工艺设备成本，改善了给水水质，提高了系统运行效率，为充分发挥反渗透技术优势创造了良好的环境，加速了膜技术的推广，扩展了膜技术的应用领域。第2章 传统预处理工艺与技术
包括混凝砂滤、活性炭过滤、离子交换树脂软化及精密保安过滤等工序在内的传统预处理工艺，是20世纪90年代初国内外广泛采用的反渗透系统预处理工艺。国内大量的早期投运项目多为此工艺，目前部分新上项目也在沿用此工艺，而传统工艺中的砂滤、炭滤、软化等工序在特定条件下也是超滤为核心的新型预处理工艺中的前处理部分。2.1 预处理工艺分类
反渗透或纳滤的整体水处理系统流程如图2.1所示。这里，需要处理的自来水体、自然水体（江河水、地下水或海水）、工业污水、市政污水等总称为系统原水，经预处理系统加工处理后产出的水体称为预处理系统出水或膜处理系统进水，经膜处理系统加工处理后产出的水体称为系统产水。图2.1 反渗透或纳滤整体水处理系统流程
由于系统原水中可能存在大量的泥沙与悬浮物，藻类、霉菌、真菌等微生物，碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐等难溶盐，铁、锰、铜、镍、铝等金属氧化物，各类天然或合成有机物，余氯或其他氧化剂等各类污染物或致损物。用膜处理系统对其进行直接处理时，这些污染物或致损物的绝大部分将被膜体截留，致使膜体在短时间内受到严重的污染或损伤，破坏了系统长期稳定运行。因此，没有预处理或预处理较弱的膜系统，在经济上成本高，在技术上不可行。为防止系统被破坏，以使系统安全稳定运行，需要在膜系统进水之前对系统原水进行有效的预处理。
由于反渗透或纳滤膜处理系统对进水水质的要求基本一致，预处理系统所采用的工艺及参数主要取决于系统原水的水体性质与水质参数。针对自来水体或自然水体，预处理工艺主要是砂滤、炭滤、软化及精滤等传统预处理工艺。针对工业或市政污水，首先需要采用生化预处理工艺，包括格栅、气浮、初沉、厌氧、好氧、二沉等典型的污水处理工艺，使其出水水质达到某级污水排放标准。接下来再采用传统预处理工艺，以期达到膜系统的进水水质要求。关于生化预处理工艺，读者可以查阅相关论著，这里不再详加讨论。本章只集中讨论传统预处理工艺，以区别于超微滤的新型预处理工艺。
传统预处理工艺的进水，无论是自来水体、自然水体或是生化工艺的二沉池出水，其水质条件一般不劣于表2.1所示某类污水排放标准，而预处理工艺的出水均应达到见 表2.2所示膜系统的进水要求。针对特定的进水条件及一般出水要求，传统预处理系统应配置相应的工艺项目、工艺流程及工艺参数。表2.1 污水处理厂出水标准部分指标表2.2 反渗透膜系统进水水质指标
反渗透系统的预处理工艺一般由砂滤、炭滤、软化、精滤、氧化、还原、调温等多项工序构成。
①砂滤工艺 采用混凝砂滤器，过滤进水中的悬浮物，以降低浊度与污染指数。
②炭滤工艺 采用活性炭过滤器，吸附进水中的有机物，以降低出水中的有机物含量。
③软化工艺 采用树脂交换方法，以降低进水难溶盐相关离子浓度；或投加阻垢剂以提高系统浓水的难溶盐饱和度限值。此两类方法的目的均为阻止难溶盐在膜系统给浓水流道中的饱和析出。当原水硬度较高时，还可在原水中加入石灰，以形成碳酸钙沉淀，但必须进行相应的过滤以及后期的pH值调整。
④杀菌工艺 在预处理工艺前端投放氧化性或非氧化性杀菌剂，以杀灭系统原水中的藻类及细菌，直接防止预处理系统各工艺过程中的微生物污染，间接防止膜系统工艺中的微生物污染。
⑤还原工艺 由于市政管网取用的系统原水中已存在一定浓度的余氯，或针对自然水体的杀菌工艺中所投放的二氧化氯、次氯酸钠等氧化性杀菌剂，需要在预处理系统末端用活性炭或亚硫酸氢钠进行还原处理，以防止膜系统被氧化。
在预处理系统始端加入非氧化性杀菌剂时，无需在预处理系统末端将其去除，而应利用其在膜系统中杀灭微生物，从而全程保护反渗透工艺的预处理系统及膜处理系统。但是，因非氧化性杀菌剂价格较高，实际工程中采用得较少。
⑥除铁工艺 对于地下水为水源的系统中所含的高价铁、锰物质，常采用锰砂、曝气及过滤工艺加以去除。
⑦调温工艺 反渗透膜的工作压力存在明显的温度特性，低温条件下保持产水通量所需的工作压力明显上升，产水能耗显著增加。在系统原水温度过低且具有廉价热源的条件下，可在预处理系统末端进行热交换以提高反渗透系统进水温度。
国内较为流行的传统预处理工艺如图2.2所示。图2.2 反渗透预处理系统工艺流程2.2 砂滤与炭滤工艺
传统预处理工艺中混凝砂滤与活性炭滤是两个基本工艺，工艺过程与工艺设备近似。2.2.1 混凝砂滤工艺
砂滤工艺中，不用混凝剂且滤速在0.1～0.3m/h范围的称为慢滤。慢滤机理主要是靠附着在滤料上的生物膜对悬浮物及胶体的吸附截留。慢滤的滤料粒径小，过滤流速慢，设备效率低，一般不用于工业过程。在工业水处理过程及反渗透预处理系统中常用8～20m/h滤速的混凝与砂滤合成快滤工艺。（1）混凝沉淀工作原理
水体中的杂质按照粒径规格划分为悬浮物、胶体与溶解物。悬浮-1物系指1mm～10μm粒径的微粒，包括泥沙、黏土、藻类、原生动-3-1物及高分子有机物。胶体系指10～10μm粒径的微粒，包括铁、铝、硅化合物等无机胶体与腐殖质等有机胶体。水体中悬浮物与胶体去除的有效方法之一就是混凝沉淀。混凝沉淀工艺使用有机或无机混凝剂，使水中悬浮物与胶体形成凝聚和絮凝，即生成较大颗粒而形成沉淀。再用砂滤工艺将沉淀物滤出即构成了混凝砂滤的完整工艺。
混凝与砂滤的合成工艺中，砂滤的截留效果主要是依靠脱稳的悬浮物与胶体在滤料中的筛分、黏附等作用。当滤料粒径较小且为单层结构时，过滤作用主要发生在滤层表面，过滤机理主要是筛分与架桥作用，可称为表层过滤。当滤料粒径较大或为多层结构时，过滤作用主要发生在滤层中间，过滤机理主要是混凝与吸附作用，可称为深层过滤。
预处理系统使用的混凝剂包括硫酸铝、偏铝酸钠等铝盐，硫酸亚铁、三氯化铁等铁盐，聚合铝、聚合铁等无机高分子混凝剂，以及众多有机高分子混凝剂。影响混凝效果的主要因素包括水体温度、pH值、悬浮物浓度、混凝剂种类与浓度、混合效果与反应时间等。（2）单层滤料砂滤工艺
产生混凝沉淀现象后，需用砂层过滤方法将沉淀物滤除。砂滤工艺按滤层的数量分为单层、双层及三层过滤工艺。单层砂滤工艺的滤料一般为石英砂，砂料粒径为0.5～1.2mm，滤层厚度为0.70～0.75m。
由于反冲洗时会造成滤料膨胀分层，表层滤料颗粒小，比表面积大，过滤孔隙窄，截留效果好，而下层滤层则相反。因此，单滤层砂滤器的容污量沿滤层深度成指数下降，下层滤料的截留效果明显降低，总容污量有限。单层砂滤工艺在理论上的深层过滤，表现为实际上的类表层过滤。单层过滤的优势为砂层简单，劣势为容污量小、工作压力大、易于产生泄漏。（3）多层滤料砂滤工艺
为实现实际意义的深层过滤，可采用双层或三层滤料的多介质过滤。双层或三层滤料过滤器中，上层滤料一般为相对的大粒径、低密度滤料，下层滤料为相对的小粒径、高密度滤料。常用的上层滤料为无烟煤，密度1.5～1.8kg/L、粒径1.0～1.8mm，中层滤料为石英砂，密度2.6～2.7kg/L、粒径0.5～1.2mm，当存在最下层滤料时，可以是石榴石或磁铁矿砂，密度5～6kg/L、粒径0.25～0.8mm。滤层厚度应采取上层厚度高于下层厚度的原则，总滤层厚度应保持在0.70～0.75m水平。
深层过滤在反洗过程中将使每个滤料层均形成小粒径表层，致使砂滤器的总容污量加大，形成相对的深层过滤。深层过滤的砂层复杂，但容污量大，工作压力小，不易产生泄漏。因此，砂滤工艺应尽量采取深层过滤方式，其容污量一般是表层过滤方式容污量的1倍以上。（4）流速、压降与截面
砂滤器运行过程中，滤速是重要的设计参数之一。滤速过慢或过快都将减弱颗粒的迁移与黏附作用，使过滤效率下降。单、双及三滤层滤器的滤速应分别控制在8～10m/h、10～14m/h与18～20m/h的范围之内。
滤层的压力损失是滤料粒径、滤料形状、滤料层数、滤层厚度、过滤速度、水体温度及污染程度的函数。在8～20m/h滤速范围内，滤层的压力损失与滤速成线性关系。在0.70～0.75m层高的一般砂滤器中，滤速每增加1m/h，清洁滤料的压力损失将增加0.45～0.50kPa。滤层污染后的压力损失将随污染程度而增加。23
砂滤器及滤层的截面积S（m）是产水流量Q（m/h）与滤层滤速V（m/h）的比值：S=Q/V （2.1）
在滤层厚度基础上增加30％的滤层膨胀裕量，即可得到砂滤器的高度。根据滤层的截面积，即可得到砂滤器的直径，从而得到了砂滤器的规格。（5）滤料及其级配曲线
砂滤器用滤料的一个重要指标是所谓的级配曲线，用不同孔径的筛网筛分料样将得到如图2.3所示滤料中不同粒径的累积概率曲线即滤料的级配曲线。图2.3 滤料的级配示意曲线
滤料级配曲线中累计概率为50％点处对应的粒径（如0.8mm）为滤料的平均粒径，即商品滤料的标称粒径。累计概率为10％点处对应的粒径（如0.6mm）为滤料的有效粒径，是决定滤料实际过滤精度的滤料粒径。所以称为有效粒径是因为经反冲洗后，滤料层顶部形成表面有效滤层的粒径一般是整个滤料累计概率为10％所对应的粒径。累计概率为80％所对应的粒径与有效粒径的比值成为滤料的不均匀系数K。多介质过滤器中各层滤料级配曲线越窄，粒径越一致，80滤层的深层截留效果越显著，容污量越大。
为避免滤料成为新的污染源，应保证滤料的化学稳定性。对于呈中性或酸性的水源，一般使用石英砂为主要滤料；对于碱性水源，一般使用大理石、无烟煤或白云石为主要滤料。2.2.2 砂滤工艺过程
砂滤工艺存在正向产水运行过程和反洗、正洗两个清洗过程。（1）产水运行过程
砂滤工艺的产水运行过程中，原水径流从上端进入砂滤器，经布水器均匀地从滤层上端流向下端。原水经滤层滤清后，过隔砂板或水帽脱离滤层，在砂滤器下端形成净水径流。
一些小型系统中无混凝剂工艺砂滤器的过滤效果很差，只能截留较大粒径的悬浮物。对于投放混凝剂工艺，为实现混凝剂与原水的有效混合需要一个混合器，当混凝剂投放点在加压泵前时可以加压泵作混合器。混凝剂从投放至矾花形成需要一定的时间，对于特定流速系统，矾花形成时间表现为混凝剂投放点与滤层的流程距离。投放点距离过远，会使矾花形成于砂滤之前，在滤层表面形成截留层，降低深层过滤效果。投放点距离过近，会使矾花形成于砂滤之后，不仅失去砂滤作用，还会污染后续工艺，甚至威胁膜系统。最佳的投放点应使矾花形成于滤层前与滤层中上部，从而构成典型的深层过滤。
在产水运行过程中，滤料层不断截留悬浮物与胶体，加重了滤层的污染，滤层压力损失在洁净滤料压力损失基础上不断增长。当滤层压差过高而产生滤层泥膜破裂时，产水水质突然下降。砂滤工艺应在恒流状态下的工作压力上升到一定水平（或恒压状态下的产水流量下降到一定水平）时，中止运行并进行砂层的清洗。砂滤器一般应在工作压力损失达到50～60kPa水平时进行清洗。（2）反向清洗过程
反洗过程是将反洗径流从滤料层下端引入，使被压实的滤料层松动与膨胀以达到流动状态。在水流剪切力与滤料颗粒间碰撞摩擦力的双重作用下，黏附在滤料表面的悬浮物与胶体逐步脱落，并随反洗径流从滤料层上端排出，以达到清淤之目的。反洗过程的效果与反洗流速、反洗时间、反洗水源及冲洗方式有关。
反洗效果首先与反洗流速密切相关。流速过低时，滤料层膨胀不足，水流剪切力与碰撞摩擦力较小，清洗效果较差。流速过高时，滤料层过度膨胀，水流剪切力与碰撞摩擦力也会下降，清洗效果仍差。反洗的流速一般大于过滤流速，反洗压力大于过滤压力。单、双及三层滤器的反洗流速应分别控制在43～54m/h、46～58m/h与58～62m/h范围，反洗时间分别控制在5～7min、6～8min与5～7min范围。由于滤料的吸附作用，滤料表面常有黏稠的附着胶体，可能条件下反洗2径流中应混入10～20L/（s·m）的气流，实现对滤料的气水擦洗以提高反洗效率。
反洗用水采用正常运行时的砂滤工艺产水为佳，采用系统原水时切忌含有混凝剂。反洗过程中排出的污水夹杂着大量的矾花与污染物质，一般应直接排放而不易回用。（3）正向清洗过程
反洗过程结束时，整个砂层成疏松状态，砂层的顶部或中部尚未形成污物滤饼及混凝体层，即无法截留污染物。特别是整个滤器滤层内充斥的水体均为反洗水，直接进入过滤运行方式则产出水质必然很差，因此反洗过程结束后应持续一定时间的正洗过程。
正洗过程的给水径流方向与工作产水径流方向一致，但正洗水一般也作污水排出。正洗流量一般低于产水流量，目的仅在于将滤器内污水有效排出，恢复产水过程的滤料层形，且初步形成滤料表面上的污物滤饼及滤层中的混凝体层，逐步提高排放水质，为恢复产水过程奠定基础。2.2.3 砂滤工艺特征
混凝砂滤工艺产水的SDI值可达4～5，基本满足反渗透膜系统的进水质要求。预处理工艺中承压式砂滤器结构的成本低廉、运行操作简便，易于和后续的承压式炭滤、软化、精滤等设备结构相连接，无需缓冲水箱调节流量。封闭承压式砂滤器结构较敞开式快滤池结构占地面积小、便于控制，因此广泛用于各类规模的反渗透预处理工艺。
混凝砂滤工艺与超滤工艺相比产水SDI值偏高，提高产水水质的潜力有限。尽管砂滤器的运行控制简便，但混凝剂投放效果的影响因素过多，最佳投放控制较难，且反洗时间较长，连续运行时的清洗备用容量比例较大，其效率与稳定性不及超滤工艺。2.2.4 活性炭滤工艺
活性炭是由无烟煤、褐煤或果壳经缺氧条件下加温碳化与活化制成的黑色多孔颗粒。活性炭表面布满平均直径为20～30Å的微孔，具2有500～1500m/g的比表面积，颗粒状活性炭的粒径为1～4mm，填充密度约为0.5kg/L。活性炭可吸附60％～80％的胶体，吸附50％～70％的有机物，还原几乎全部游离氯等氧化剂，对降低总有机碳（TOC）也存在一定功效。
活性炭工艺的设计参数一般在如下范围：过滤流速8～20m/h，炭层厚度1.2～1.5m，接触时间10～20min，反洗流速28～33m/h，反洗时间4～10min。由于炭滤与砂滤的工作原理不同，炭滤反洗仅能部分洗掉炭粒表面的污染物，而不可能洗掉吸附在炭粒内孔中的大量污染物。因活性炭难于再生，当炭粒内孔吸附饱和时，中小型系统只能换炭，仅有超大型系统的活性炭再生才具有实际经济价值。2.2.5 多路阀与容器
美国Osmonics、Pentair公司推出的多路阀与美国Park、Structural公司推出的单孔玻璃钢容器，合成了“自控多路阀-单孔玻璃钢容器”型砂滤与炭滤工艺设备。该设备的单元式结构、简易管路形式、连续运行方式等特点与反渗透膜工艺结构特点实现了完美的结合。近年来，国内润新等公司推出的各类多路阀及众多国内公司推出的单孔玻璃钢容器，占领了大部分国内市场。（1）单孔的玻璃钢容器
过滤用玻璃钢容器具有玻璃钢材质与上单孔结构两大特征。玻璃钢材质减轻了设备重量、降低了设备成本、满足了防腐要求。上单孔、中心管、上布水器、下集水器等部件相配合替代传统过滤器的上下开孔方式，实现了过滤器的管道式结构，并为简化玻璃钢容器的成型工艺奠定了基础。
玻璃钢容器通过上端内螺纹孔与多路阀连接，内部的上布水器、中心导管、下集水器预埋于滤料层并连接于多路阀而非连接于容器内壁。该结构形式在技术合理基础上有效地降低了设备的材料成本与加工成本。（2）自控的多路阀装置
图2.4所示的自控多路阀内分为控制器与多路阀两部分。控制器
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