膜分離過(guò)程具有無(wú)相變，能耗低，工藝簡(jiǎn)單，不污染環(huán)境，易于實(shí)現自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)也被用做高含鹽廢水或含金屬離子廢水進(jìn)人生物法處理系統前的預處理。
膜分離法的關(guān)鍵是分離膜的性能能夠適應水質(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、耐氧化和耐有機溶劑性等。制造膜的材料主要有有機聚合物、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(chēng)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(lèi)型
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離子交換膜
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均質(zhì)
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非對稱(chēng)
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非對稱(chēng)
或復合
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非對稱(chēng)
或復合
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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(guò)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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分離機理
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反離子經(jīng)離子交換膜定向遷移
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機械篩分
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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(dòng)力
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電場(chǎng)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(guò)濾的一種精密過(guò)濾技術(shù)。微濾進(jìn)水壓力一般小于0.2MPa，過(guò)濾精度介于常規過(guò)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、細菌、病毒、藻類(lèi)等。超濾是利用截留孔徑為0.002~0.1_的濾膜對水進(jìn)行過(guò)濾的一種精密過(guò)濾技術(shù)。超濾膜允許小分子物質(zhì)和溶解性固體(無(wú)機鹽）等通過(guò)，但有效阻擋膠體、蛋白質(zhì)、微生物和大分子有機物。
1.工藝原理及過(guò)程
微濾和超濾的基本原理屬于
篩網(wǎng)狀過(guò)濾，在靜壓差作用下，小于膜孔的粒子通過(guò)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，以及膜內部的網(wǎng)絡(luò )中截留。
2.操作工藝
微濾和超濾裝置工作過(guò)程分過(guò)濾(產(chǎn)水）、反洗和化學(xué)清洗三個(gè)方面。
(1)過(guò)濾過(guò)程
微濾和超濾的過(guò)濾過(guò)程有兩種操作工藝：死端過(guò)濾及錯流過(guò)濾，如圖5- [#]5所示。
(a)無(wú)流動(dòng)操作（b)錯流操作
圖5-15死端過(guò)濾和錯流過(guò)濾示意圖
死端過(guò)濾是將原水置于膜的上游，在壓力差的推動(dòng)下，水和小于膜孔的顆粒透過(guò)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加壓，也可以是在濾出液側抽真空。死端過(guò)濾隨著(zhù)過(guò)濾時(shí)間的延長(cháng)，被截留顆粒將在膜表面形成污染層，使過(guò)濾阻力增加，在操作壓力不變的情況下，膜的過(guò)濾透過(guò)率將下降。因此，死端過(guò)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(guò)濾運行時(shí)，水流在膜表面產(chǎn)生兩個(gè)分力，一個(gè)是垂直于膜面的法向力，使水分子透過(guò)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(guò)濾透過(guò)率下降時(shí)，只要設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，使膜恢復原有性能。因此，錯流過(guò)濾的濾膜表面不易產(chǎn)生結垢問(wèn)題，過(guò)濾透過(guò)率衰減較慢。錯流過(guò)濾的運行方式比較靈活，既可以間歇運行，又可以實(shí)現連續運行。
(2)反洗
微濾和超濾系統運行一段時(shí)間后，大量的截留物存留在膜面上，如不及時(shí)清洗，過(guò)濾效果將無(wú)法保障。目前微濾和超濾系統的自動(dòng)化程度很高，多數裝置的反洗過(guò)程采用系統自動(dòng)控制。其一般的反洗過(guò)程如下：當某個(gè)模塊符合反洗啟動(dòng)程序的條件時(shí)（出水水量或過(guò)濾持續時(shí)間），開(kāi)始在線(xiàn)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(kāi)啟每個(gè)微濾單元的反洗進(jìn)水閥和反洗放水閥，使每個(gè)微濾或超濾單元都得到反洗。當后一個(gè)微濾或超濾單元反洗完成后，各個(gè)閥門(mén)復位，下一個(gè)過(guò)濾過(guò)程開(kāi)始。
微濾或超濾裝置反洗時(shí)的技術(shù)參數和程序可依據進(jìn)水壓力和原水濁度手動(dòng)設置和調整。
(3)化學(xué)清洗
微濾和超濾系統運行中會(huì )有許多生物絮體黏附在膜表面上，僅依靠水力反洗無(wú)法將其徹底去除，必須間隔一定時(shí)間（一般為3~ [#]個(gè)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中加人適當殺菌劑（控制生物污染）、酸液(控制無(wú)機垢污染）、堿液(控制油類(lèi)污染）等化學(xué)溶液進(jìn)行較長(cháng)時(shí)間的浸泡和沖刷，使附著(zhù)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(lèi)的化學(xué)藥劑輪流清洗。經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗以后，微濾或超濾膜的透水性一般可以恢復到化學(xué)清洗前的99%以上。
3.運行管理與維護
(1)微濾和超濾膜在一般情況下不會(huì )由于受到壓力或者流量的變化而損壞。但是，嚴重的水錘或劇烈的壓力變化有可能對裝置造成機械損傷，因此應當有效防止水錘的發(fā)生，在微濾或超濾系統每次化學(xué)清洗之后再次投人到過(guò)濾運行狀態(tài)時(shí)應當緩緩開(kāi)啟進(jìn)水閥門(mén)，使得流量和壓力平穩上升，緩慢到達正常水平，此過(guò)程好達到5min以上。
(2)長(cháng)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(xiàn)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
隨著(zhù)過(guò)濾的不斷進(jìn)行，膜的通量逐步下降，當通量達到某一低數值時(shí)，必須進(jìn)行清洗以恢復通量，這段時(shí)間稱(chēng)為一個(gè)運行周期。適當縮短運行周期，可以增加總的產(chǎn)水量，但會(huì )縮短膜的使用壽命，而且運行周期的長(cháng)短與清洗的效果有關(guān)。反洗時(shí)間間隔，反沖洗歷時(shí)應依據進(jìn)水壓力和原水濁度及時(shí)設置和調整。一般反洗時(shí)間間隔為20~ 30min,反洗歷時(shí)30~ 60s。
絮凝劑和消毒劑的投加劑量應根據原水水質(zhì)的不同，通過(guò)實(shí)驗和生產(chǎn)經(jīng)驗進(jìn)行調整。一般情況下，消毒劑的投加量應能保證微濾出水余氯在0.2mg/L以上。
(3)過(guò)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(guò)通量，因此，可以在膜材料允許的情況下，盡可能提高過(guò)濾水溫度。
(4)過(guò)濾壓力
過(guò)濾壓力除了克服通過(guò)膜的阻力外，還要克服水流的沿程和局部水頭損失。在達到臨界壓力之前，膜的通量與過(guò)濾壓力成正比，為了實(shí)現大的總產(chǎn)水量，應控制過(guò)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(huì )增加能耗，一般將平行流速控制在l~3m/s。
(6)進(jìn)水濃度和預處理
微濾或超濾膜的過(guò)濾精度在0.1~ 0.5(mn或0.002也就是說(shuō)直徑大于0.l^tm或0.002pm的污染物在理論上都可以通過(guò)微濾或超濾去除。但進(jìn)水濁度不應該過(guò)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(shí)延長(cháng)，終導致產(chǎn)水量嚴重降低。因此，為了保證膜過(guò)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)水濁度應控制在100NTU以下，如進(jìn)水濃度過(guò)高，則需對進(jìn)水進(jìn)行充分的預處理，有時(shí)在進(jìn)膜過(guò)濾裝置之前還要根據不同的膜設置5~ [#]00,um不等的保安篩網(wǎng)。
(7)濃差極化
在膜法過(guò)濾工藝中，由于大分子的低擴散性和水分子的高滲透性，水中的溶質(zhì)會(huì )在膜表面積聚并形成從膜面到主體溶液之間的濃度梯度，這種現象被稱(chēng)為膜的濃差極化。水中溶質(zhì)在膜表面的積聚終將導致形成凝膠極化層，通常把與此相對應的壓力稱(chēng)為臨界壓力。在達到臨界壓力后，膜的水通量將不再隨過(guò)濾壓力的增加而增長(cháng)。
防止濃差極化的方法除了選擇合適的膜材料外，還可以通過(guò)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(guò)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50T以上。
③選擇適當的pH值，比如對蛋白質(zhì)溶液的分離，PH值在等電點(diǎn)以上時(shí)，用帶負電的聚砜膜吸附量就少，而PH值在等電點(diǎn)以下時(shí)，膜的吸附量就會(huì )較多。
5.分析測量與記錄
每班應記錄微濾總進(jìn)水量、進(jìn)水池度、溫度，每個(gè)微濾機組的出水濁度、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的有機物，但允許水分子透過(guò)。醋酸纖維素反滲透膜脫鹽率一般可大于95%，反滲透復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(guò)程
(1)反滲透原理
在進(jìn)水(濃溶液)側施加操作壓力以克服自然滲透壓，當高于自然滲透壓的操作壓力施加于濃溶液側時(shí)，水分子自然滲透的流動(dòng)方向就會(huì )逆轉，進(jìn)水(濃溶液）中的水分子部分通過(guò)膜成為稀溶液側的凈化產(chǎn)水（見(jiàn)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(méi)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(guò)率取決于鹽分或溶質(zhì)及納濾膜的種類(lèi)，透過(guò)率越低，納濾膜兩側的滲透壓就越高，也就越接近反滲透過(guò)程，相反，如果透過(guò)率越高，納濾膜兩側的滲透壓就越低，滲透壓對納濾過(guò)程的影響就越小。
(3)反滲透和納濾過(guò)程一般反滲透流程見(jiàn)圖5-17。
①系統構成：能實(shí)現進(jìn)水與產(chǎn)水分開(kāi)的反滲透或納濾過(guò)程的小單元稱(chēng)為膜元件，膜元件安裝在受壓的壓力容器外殼內構成膜組件。由膜組件、儀表、管道、閥門(mén)、高壓泵、保安過(guò)濾器、就地控制盤(pán)柜和機架組成的可獨立運行的成套單元膜設備稱(chēng)為膜裝置；由預處理、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(guò)程稱(chēng)為膜系統。
②產(chǎn)品水和濃水：待處理的進(jìn)水經(jīng)過(guò)高擇栗被連續升壓送人膜裝置內，在膜元件內進(jìn)水被分離成濃度極高和極低的兩股水，分別稱(chēng)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(chēng)為裝置回收率。
④脫鹽率：指通過(guò)反滲透膜從系統進(jìn)水中除去的總溶解性固體的百分率，或通過(guò)納濾膜去除特定組分如二價(jià)離子或有機物的百分數。
⑤通量：?jiǎn)挝荒っ娣e所透過(guò)液體的流量，通常用每小時(shí)每平方米升數(L/㎡*h)或每天每平方英尺加侖數表示（gfd)。
(4)膜種類(lèi)及膜元件構成
納濾與反滲透膜按結構形態(tài)分為均質(zhì)膜、復合膜兩類(lèi)。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。復合膜為不同材質(zhì)制成的幾層膜的復合體。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(guò)薄，故敷在強度較高的多孔層上，多孔層厚約40jLun，底層為無(wú)紡織物支撐層，厚約120/Lim,起支撐整個(gè)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，有內壓式和外壓式兩種。平板式膜元件是由一定數量的承壓板兩側覆蓋微孔支撐板，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(kāi)口端鑄于管板上，在給水壓力作用下，淡水透過(guò)纖維管進(jìn)入管內，由開(kāi)口端匯集流出壓力容器成為產(chǎn)品水。卷式膜元件類(lèi)似一個(gè)長(cháng)信封狀的膜口袋，開(kāi)口的一邊粘接在含有開(kāi)孔的產(chǎn)品水中心管上。將多個(gè)膜口袋卷繞到同一個(gè)產(chǎn)品水中心管上，使給水水流從膜的外側流過(guò)，在給水壓力下，使淡水通過(guò)膜進(jìn)入膜口袋后匯流到產(chǎn)品水中心管。為了便于產(chǎn)品水在膜袋內流動(dòng)，使信封狀的膜袋內夾有一層產(chǎn)品水導流織物支撐層；為了使給水均勻流過(guò)膜袋表面并給水流以擾動(dòng)，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SDI
SDI是確定反滲透系統進(jìn)水水質(zhì)的綜合指標，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(guò)時(shí)間q，在加壓 [#]5min后，再次測定500mL的進(jìn)料液的濾過(guò)時(shí)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(xiàn)性關(guān)系，達到一定程度后脫鹽率將不再增加，如壓力過(guò)高，某些鹽分還會(huì )與水分子耦合一同透過(guò)膜。因此，反滲透進(jìn)水壓力應控制在合適的范圍。
(2)溫度
膜系統的通量對進(jìn)水溫度的變化非常敏感，隨著(zhù)水溫的增加，水通量幾乎線(xiàn)性地增大，這主要是因為水溫增加使透過(guò)膜的水分子粘度下降、擴散能力增加。同時(shí)，水溫升高會(huì )導致脫鹽率降低，這主要是因為鹽分透過(guò)膜的擴散速率會(huì )因溫度的提高而加快。因此，應根據所采用的膜材質(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(huì )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(shí)，反滲透過(guò)程回收率增加，殘留在原水中的含鹽量會(huì )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(dòng)作用，減慢或停止反滲透過(guò)程，使滲透通量降低甚至停止。另外，R0系統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(jiàn)的微溶鹽類(lèi)是碳酸鈣、硫酸鈣和硅，當原水含有這些物質(zhì)時(shí)，應該向原水投加阻垢劑以阻止因鹽類(lèi)濃縮而引發(fā)的結垢現象。
3.運行管理與維護
(1)在第一次投運反滲透及納濾系統之前，必須認真做好預處理檢查、膜元件安裝、儀表的校正和系統的其他檢查工作。
(2)膜系統每一次的啟動(dòng)和停止，都牽涉到系統壓力與流量的突變，對膜元件產(chǎn)生機械應力。因此，應盡量減少系統設備的啟動(dòng)和停止次數，且正常的啟動(dòng)和停止應確保進(jìn)水流量和壓力的上升為緩慢上升。
(3)日常啟動(dòng)常常由自控系統來(lái)實(shí)現自動(dòng)控制，因此應定期校正儀表、檢查報警器和安全保護裝置的靈敏性，經(jīng)常進(jìn)行防腐和防漏維護。
(4)定時(shí)分析進(jìn)水水質(zhì)和透過(guò)水的水質(zhì)，尤其是要嚴格控制進(jìn)水水質(zhì)，確保進(jìn)水的預處理措施運行可靠，以保證進(jìn)水的SDI在3以下。當透過(guò)水水量降低過(guò)多或水質(zhì)不合格時(shí)，要立即對膜進(jìn)行清洗再生，如果再生后仍不見(jiàn)好轉，就應當及時(shí)更換膜組件。
(5)當原水中所含的難溶解性鹽類(lèi)含量較高時(shí)，要有防止在反滲透膜濃水脷出現水垢的措施。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(yáng)離子樹(shù)脂或納濾進(jìn)行預處理使進(jìn)水軟化或脫鹽。
(6)生物污染往往是R0膜使用中突出的問(wèn)題，可以引起過(guò)水通量的下降，甚至污染透過(guò)水水質(zhì)，由于生物污染很難去除，因此生物污染的預防必須以預處理為主要手段。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(guò)微濾、超濾等預處理，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(dòng)，要有穩壓措施，高壓栗應設置旁路調節閥門(mén)以調節供水量。為了防止高壓泵啟動(dòng)時(shí)膜組件受到高壓給水的突然襲擊，在高壓水泵出口閥門(mén)上安裝控制閥門(mén)開(kāi)啟速度的裝置，使閥門(mén)慢慢打開(kāi)(一般控制在2~3min)。
(8)RO膜對C02等小分子沒(méi)有去除能力，因此反滲透出水pH偏酸性，根據用途需要對其進(jìn)行脫除或加堿調整PH值。由于水中沒(méi)有余氯，如果出水需要長(cháng)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(jiàn)故障分析與解決
反滲透和納濾常見(jiàn)的故障及解決措施見(jiàn)表5-2。
5.分析測量與記錄
每班至少一次記錄操作時(shí)間及系統運轉時(shí)數，每個(gè)膜組件前后壓降，每段進(jìn)水、產(chǎn)水及濃水壓力、流量、電導、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和故障情況。
三、電滲析
電滲析是為提高滲析作用的推動(dòng)力，在半滲透膜的兩側通人s流電壓，促使污水中的陰陽(yáng)離子分別趨向于直流電的正極和負極，使水中離子有選擇地透過(guò)半滲透膜的過(guò)程。電滲析過(guò)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。
