反渗透系统优化设计与运行（第二版）

　　本书为反渗透及纳滤水处理系统设计与运行领域的工艺理论专著，共17章，主要介绍了膜元件特性参数、系统极限收回率、多项特殊工艺、膜堆基本结构、均衡通量、均衡污染、元件配置、管路结构及双恒量控制等系统工艺概念；明确了系统的脱盐率与工作压力的设计方案检验原则；涵盖了一级、两级、海水淡化、脱盐与分盐纳滤等系统工艺形式。本次修订主要增加了内压与外压超微滤膜丝及膜组件的数学模型及其运行特性，分盐纳滤膜元件及系统的运行特性，以及分盐纳滤膜负脱盐现象的工作原理等内容。书中关于反渗透元件、膜壳、膜段、管路及系统数学模型的分析，以及膜元件的透盐与透水两系数的讨论，为深入研究反渗透系统运行规律及开发系统模拟软件奠定了基础。本书具有较强的先进性、系统性与参考价值，可供水处理膜技术企业工程技术人员及管理人员、各类设计院的设计人员、业内理论研究人员参考，可作为分离膜水处理行业的员工技术培训教材，也可供高等院校环境科学与工程和市政工程与给排水等专业师生参阅。

　　靖大为，天津城建大学，教授，1994年至2000年任天津悠久机械有限公司（日资）总经理。 该公司为美国海德能公司反渗透膜的代理。该公司业务范围包括产品销售与工程承包。 2001年至2014年任天津城建大学教授进行电气与环境专业的教学与科研。承担国家自然科学基金、建设部与市建委科研项目。 在《膜科学与技术》、《水处理技术》、《工业水处理》 等核心期刊及普通期刊发表几十篇论文。担任学校膜工艺技术研究生课程教学多年。指导学校13届硕士研究生30余人。

第1章反渗透与纳滤技术概论1
1.1膜工艺技术的定义1
1.2反渗透膜技术应用1
1.3反渗透膜产品市场2
1.4反渗透技术的发展3
1.5纳滤膜技术的进步5
1.6反渗透的相关技术6
1.7膜集成水处理工艺8
第2章传统预处理的系统工艺10
2.1预处理工艺分类10
2.2砂滤与炭滤工艺11
2.2.1混凝砂滤工艺11
2.2.2砂滤工艺过程13
2.2.3活性炭滤工艺14
2.3硬水的软化工艺15
2.3.1树脂软化工作原理15
2.3.2树脂软化工艺过程15
2.3.3树脂再生工艺过程16
2.3.4软化工艺设计参数18
2.4自动控制多路阀19
2.4.1过滤用多路阀19
2.4.2软化器多路阀20
2.5除铁及除锰工艺23
2.6精滤器与换热器23
2.6.1精密过滤器23
2.6.2板式换热器24
2.7给水离心加压泵25
2.7.1多级加压离心泵25
2.7.2单级加压离心泵27
2.8预处理系统流程28
2.9系统运行工作点29
2.9.1非控系统的工作点29
2.9.2受控系统的工作点30
2.10系统的常用药剂32
2.10.1混凝剂与助凝剂32
2.10.2杀菌剂与还原剂32
2.10.3阻垢剂与分散剂32
2.10.4系统的加酸加碱33
第3章分离膜工艺的技术基础34
3.1膜分离的性能34
3.2膜分离的分类35
3.3膜过程的机理38
3.3.1多孔膜的筛分理论38
3.3.2致密膜的溶扩理论38
3.4全流与错流运行方式39
3.5浓差极化现象40
3.5.1浓差极化的数学模型40
3.5.2浓差极化的系统影响42
3.6分级工艺处理42
第4章超微滤系统设计与模拟44
4.1超微滤膜工艺技术44
4.2超微滤的系统结构47
4.3超微滤系统前处理48
4.4超微滤的设计导则50
4.5组件的运行与清洗51
4.5.1超微滤膜的跨膜压差51
4.5.2超微滤膜的清洗方式52
4.6膜丝与组件的特性53
4.7内压膜丝运行特性53
4.7.1内压膜丝的特性试验53
4.7.2内压膜丝的数学模型54
4.7.3内压膜丝的纯水通量56
4.7.4内压膜丝的运行特性58
4.8内压组件与容积率62
4.8.1内压组件的数学模型62
4.8.2各参数与组件容积率64
4.8.3内压组件的纯水通量66
4.9外压膜丝运行特性67
4.9.1外压膜丝的特性试验67
4.9.2外压膜丝的运行模型68
4.9.3外压膜丝的纯水通量69
4.9.4外压膜丝的运行特性71
4.10外压组件与容积率74
4.10.1外压组件的数学模型74
4.10.2各参数与组件容积率75
4.10.3外压组件的纯水通量78
4.11浸没式超滤膜特性78
4.12新型超微滤膜技术80
第5章反渗透膜性能与膜参数82
5.1反渗透膜工艺原理82
5.1.1半透膜与渗透压强82
5.1.2反渗透膜过程原理83
5.1.3膜片及膜元件结构85
5.2膜元件的主要参数86
5.2.1膜元件的标准性能参数86
5.2.2标准参数与现场测试值88
5.2.3元件给水水质限制参数88
5.2.4膜元件的运行极限参数89
5.3膜元件的运行特性90
5.3.1膜元件给水温度特性90
5.3.2膜元件产水通量特性91
5.3.3膜元件给水含盐量特性91
5.3.4膜元件的回收率特性91
5.3.5膜元件压降影响因素92
5.4膜元件的参数特性93
5.4.1膜元件的透盐率特性93
5.4.2膜元件产水pH值特性94
5.4.3膜元件浓水pH值特性95
5.4.4膜过程的碳酸盐平衡96
5.5膜元件浓差极化度97
5.6各类物质的透过率97
5.7恒通量的性能指标98
5.8两类恒量测试分析100
5.8.1恒压力膜元件测试100
5.8.2恒通量膜元件测试100
5.8.3两种元件测试方式101
第6章反渗透系统的典型工艺103
6.1系统结构与技术术语103
6.2设计依据与设计指标104
6.2.1系统设计依据104
6.2.2系统设计指标105
6.3膜品种与系统透盐率106
6.4设计导则与元件数量107
6.4.1系统设计导则107
6.4.2系统元件数量109
6.4.3元件品种选择109
6.5膜系统的极限回收率109
6.5.1难溶盐的极限回收率110
6.5.2浓差极化极限回收率114
6.5.3壳浓流量极限回收率118
6.5.4系统的极限回收率118
6.6膜堆结构与参数分布119
6.6.1元件的串并联形式119
6.6.2膜系统的分段结构120
6.6.3系统沿程参数分布121
6.7恒量运行与运行余量124
6.7.1给水高压泵的规格124
6.7.2浓水截流阀门设置125
6.7.3膜系统的单元数量126
6.7.4系统回收率的余量127
6.7.5系统产水量的余量127
6.7.6系统产水质的余量128
6.8系统的能耗与水电费129
6.8.1膜品种与运行能耗129
6.8.2水费与电费的比较130
6.8.3系统优化设计概念130
6.9反渗透系统典型设计130
6.9.1难溶盐浓度与最高回收率130
6.9.2水体温度等与最高回收率131
6.9.3膜系统设计的范例分析131
第7章反渗透系统的特殊工艺137
7.1通量均衡工艺137
7.1.1系统通量失衡影响138
7.1.2前段淡水背压工艺140
7.1.3前后段间加压工艺141
7.1.4分段元件配置工艺142
7.1.5能量回收段间加压143
7.1.6均衡通量其他功效144
7.1.7端通量比与膜品种145
7.2浓水回流工艺145
7.2.1泵前浓水回流145
7.2.2泵后浓水回流147
7.2.3后段浓水回流148
7.3分段供水工艺149
7.4淡水回流工艺149
7.4.1系统淡水回流149
7.4.2后段淡水回流150
7.4.3附加三段工艺151
7.5倒向运行工艺151
7.5.1高回收率系统特征152
7.5.2长流程系统特征152
7.5.3膜系统污染分布153
7.5.4倒向工艺153
7.5.5倒向运行的控制154
7.6半级系统与级半系统155
7.6.1半级系统工艺155
7.6.2级半系统工艺156
7.7有机污染系统156
7.8监测控制系统159
7.8.1仪表监控系统159
7.8.2集散监控系统161
7.9特殊工艺范例161
第8章不同规模系统结构设计164
8.1小型规模系统结构164
8.1.1一至六支膜系统164
8.1.2单段的系统结构165
8.1.3两段的系统结构167
8.1.4三段的系统结构168
8.2混型元件系统结构169
8.3中型规模系统结构170
8.4大型规模系统结构170
8.4.1系统段壳浓水比值170
8.4.2大型规模膜堆结构171
8.4.3大型系统膜堆特征174
8.5主辅设备注意事项175
8.6工程项目中试过程176
8.6.1中试的必要与可行176
8.6.2中试过程注意事项177
第9章反渗透系统的运行分析179
9.1系统的三项平衡关系179
9.1.1流量与盐量平衡179
9.1.2流量与压力平衡179
9.1.3压力与功率平衡181
9.2可调节水泵系统的运行182
9.3无调节水泵系统的运行184
9.4提高产水量的应急措施186
9.5提高脱盐率的应急措施187
9.6膜壳给水浓水流量越限187
9.7系统的装卸与启停过程188
9.7.1元件的装卸过程188
9.7.2系统的启动过程189
9.7.3系统的运行过程190
9.7.4系统开停机过程190
9.7.5系统的清洗周期191
9.8系统的运行调节与功耗191
9.8.1运行调节与水泵特性191
9.8.2回流调节与截流调节193
9.8.3变频调速的运行调节194
9.8.4变换工况的功耗比较196
第10章系统污染、清洗与加药198
10.1污染的分类与分布198
10.1.1膜系统污染分类198
10.1.2沿流程污染分布199
10.1.3沿高程污染分布200
10.1.4元件内污染分布201
10.2膜系统污染的影响202
10.2.1无机污染的影响203
10.2.2有机污染的影响204
10.2.3生物污染的影响204
10.2.4混合污染的影响204
10.3系统的污染与运行205
10.4污染的发展与对策206
10.4.1膜系统污染的发展206
10.4.2污染膜元件的重排207
10.5污染与故障的甄别207
10.5.1各类系统污染甄别207
10.5.2浓水陷阱现象甄别208
10.6在线与离线的清洗209
10.6.1在线清洗系统209
10.6.2在线水力冲洗209
10.6.3在线化学清洗210
10.6.4元件离线清洗212
10.7运行指标的标准化213
10.7.1参数标准化的概念213
10.7.2海德能标准化模型214
10.7.3陶氏的标准化模型216
10.7.4段压系统的标准化216
10.8三类泵的加药系统217
10.8.1机械计量泵系统218
10.8.2电磁计量泵系统219
10.8.3磁力加药泵系统219
10.8.4加药系统自动化221
10.9元件性能指标计算221
10.9.1运行条件下计算221
10.9.2衰减程度的计算222
第11章元件及系统的数学模型223
11.1膜元件的理论数学模型223
11.1.1元件理想结构模型223
11.1.2元件理论数学模型224
11.2膜系统的离散数学模型225
11.2.1单一元件离散模型225
11.2.2串联元件离散模型228
11.2.3并联膜壳离散模型228
11.2.4单一膜段离散模型229
11.2.5多段系统离散模型229
11.3膜系统的管路数学模型230
11.3.1给浓水管道结构模型230
11.3.2产淡水管道结构模型234
11.3.3给浓水壳联结构模型235
11.4元件的透水及透盐系数236
11.4.1透过系数函数与算法236
11.4.2透过系数的特性表征237
11.5元件的阻力与极化系数238
11.5.1给浓水流道阻力系数238
11.5.2膜元件浓差极化系数238
11.6元件的污染层透过系数238
11.6.1有机污染层特性239
11.6.2无机污染层特性240
第12章元件、管路及通量优化242
12.1系统元件的优化配置242
12.1.1元件差异与系统透盐率242
12.1.2元件差异与两段通量比244
12.1.3单指标差异元件的配置244
12.1.4优化配置与系统透盐率245
12.1.5优化配置与两段通量比248
12.1.6洗后及新旧元件的配置250
12.1.7系统中的元件更换方式250
12.2管道结构参数的优化252
12.2.1系统管道结构的影响252
12.2.2给浓水管道压差分析253
12.2.3膜段的各项管道压降254
12.2.4径流方向的系统影响256
12.2.5管道结构优化的措施259
12.3壳联结构参数的优化259
12.3.1系统规模与侧口规格260
12.3.2径流模式与运行指标261
12.3.3设计参数与结构优化262
12.4通量优化与通量调整262
12.4.1峰谷性系统流量调整263
12.4.2时变性系统流量调整264
第13章两级系统与超纯水工艺265
13.1两级系统的工艺结构265
13.2二级系统的工艺特征266
13.2.1设计通量与产水回收率266
13.2.2浓差极化与元件品种266
13.2.3流程长度与段壳数量267
13.3二级系统的给水脱气269
13.4加碱提高给水的pH值270
13.5两级系统的试验分析271
13.5.1透盐率与给水的pH值271
13.5.2二级系统透盐率特性271
13.5.3两级系统元件配置272
13.6两级系统清洗与换膜273
13.7超纯水多级制备工艺274
13.7.1离子交换树脂工艺274
13.7.2电渗析设备与工艺275
13.7.3树脂填充电渗析装置277
13.7.4精混抛光树脂工艺278
第14章海水淡化与浓盐水减排279
14.1海水成分与脱硼处理279
14.1.1海水成分与总含盐量279
14.1.2元件品种与脱硼处理280
14.2工作压力与最高回收率280
14.2.1海水淡化系统的工作压力280
14.2.2海水淡化系统所用柱塞泵281
14.2.3设备材质与最高回收率282
14.3温度调节与能量回收282
14.3.1海水淡化系统的温度调节282
14.3.2海水淡化系统的能量回收283
14.4海水淡化的系统设计284
14.4.1流程长度与段结构284
14.4.2典型海水淡化系统285
14.4.3亚海水的淡化系统286
14.5浓盐水体减排与零排288
14.5.1碟管与卷管式膜组件288
14.5.2超级碟管式系列组件289
14.5.3机械蒸汽再压缩设备291
第15章脱盐纳滤系统特性分析293
15.1纳滤膜工艺技术293
15.2纳滤脱除有机物294
15.3纳滤膜系统应用296
15.4氧化改性纳滤膜297
15.4.1废弃反渗透膜现状297
15.4.2氧化膜的处理过程297
15.4.3氧化膜的性能稳定298
15.4.4氧化膜的工程应用299
15.5纳滤元件运行特性300
15.6纳滤元件透过系数302
15.7纳滤系统工艺设计303
15.7.1设计通量与系统回收率304
15.7.2工作压力与通量均衡304
15.7.3浓差极化与流程长度305
15.7.4流程长度与系统成本306
15.7.5元件位置与管路结构306
第16章分盐纳滤工艺性能分析308
16.1纳滤膜的单电解质截留308
16.2纳滤膜元件的运行特性310
16.3分盐纳滤系统运行特性311
16.4分盐纳滤的负脱盐现象313
16.5三离子浓度的计算平衡314
16.6分离膜的计算电荷平衡315
16.6.1单电解质的电荷平衡315
16.6.2双电解质的电荷平衡316
第17章膜系统的运行模拟软件318
17.1系统设计与运行模拟318
17.2模拟软件的基本功能319
17.2.1系统基本参数输入319
17.2.2特殊运行方式设置320
17.2.3运行模拟计算报告321
17.3系统各项参数的设置322
17.3.1元件参数设置322
17.3.2管道参数设置322
17.3.3壳联参数设置323
17.4系统模拟的程序框图324
17.4.1系统模拟计算框图324
17.4.2膜段模拟计算框图326
17.4.3膜壳模拟计算框图328
17.4.4元件模拟计算框图328
17.5模拟软件的应用实例329
17.6元件参数的影响实例330
17.7管路参数的影响实例332
17.8模拟软件的开发前景334
参考文献335