2.8 预处理系统流程
预处理系统各工艺过程之间形成串联关系，故各工艺之间存在工艺次序及流量与压力的量值梯度。工艺次序系指不同工艺的相对位置，涉及各工艺功能的相互配合与协调；流量梯度系指具有流量损失的各工艺间产水流量的配合，涉及工艺产水流量与工艺回收率指标；压力梯度系指具有压力损失的各工艺间工作压力的配合，涉及工艺设备承压与水泵工作压力。
2.8.1 预处理的工艺顺序
反渗透预处理系统的砂滤、超滤、炭滤、软化、精滤、杀菌等工艺过程，除需进行各自运行方式及运行参数的优化设计外，各工艺间还存在一个顺序的优化排列问题。工艺排列顺序的合理性是系统设计水平的体现，也是充分发挥各工艺功能以及提高全系统功能的重要措施。
（1）砂滤与超滤的工艺位置
在以混凝砂滤工艺为核心的预处理系统中，混凝砂滤工艺的滤料成本最低、滤料损失最小，截留悬浮物及降低浊度效果明显，不存在工艺性能衰减问题，自然成为预处理系统处理一般原水的首端工艺。
在超微滤为核心的预处理系统中，超微滤工艺的主要功能是截留悬浮物、胶体及大粒径有机物，其功能与混凝砂滤工艺相接近，其在工艺流程中的位置也与混凝砂滤工艺相当。但由于超微滤的过滤精度较混凝砂滤更高、工艺成本更高、污染后性能衰减严重，对于高浊度、高COD原水，一般需要盘式过滤、纤维过滤等100μm过滤精度的高效前处理工艺，必要时甚至需要混凝砂滤工艺为超微滤的前处理工艺。
（2）炭滤与软化的工艺位置
活性炭滤工艺存在吸附有机物及还原氧化剂的双重功效。在吸附有机物方面，活性炭既可以其巨大的深孔内表面积吸附小粒径有机物，又可以其有限的颗粒表面积吸附胶体与大粒径有机物。由于胶体与大粒径有机物在活性炭表面的附着将阻塞小粒径有机物进入深孔的通路，该工艺更适合于对小粒径有机物的吸附。而混凝砂滤或超滤工艺对悬浮物、胶体与大粒径有机物的截留起到了对活性炭的保护作用。
活性炭对小粒径有机物的去除作用，不仅可以保护反渗透膜免于有机物污染，还可有效保护软化用交换树脂不被有机物污染。因此活性炭工艺在预处理工艺流程中的位置可以在混凝砂滤或超滤工艺之后，在树脂软化工艺之前。
氧化剂在预处理系统中扮演着双重角色，它既对交换树脂形成氧化降解作用，又对预处理各工艺及管线中的微生物污染具有抑制作用。活性炭工艺还原氧化剂之后，系统流程各后续工艺将不受氧化剂保护，当系统原水温度较高或微生物含量较高时，后续的交换树脂将受微生物的威胁。因此，对于微生物含量较高、原水温度较高、氧化剂含量较低的情况，活性炭滤工艺应置于离子交换工艺之后；对于微生物含量较低、原水温度较低、氧化剂含量较高的情况，活性炭滤工艺应置于离子交换工艺之前。
（3）精密过滤及其工艺位置
传统预处理系统中的砂滤、炭滤、软化等工艺，均为粒状滤料。系统运行过程中始终存在滤料碎屑下泄现象，甚至存在滤料本身事故下泄的威胁。此外，混凝剂的不合理投放也可能构成对膜系统的威胁。为防止预处理系统滤料及混凝剂下泄对膜系统的污染，传统预处理系统的最后一项多为精滤工艺。精滤工艺在此处的正常负荷极小，故称为保安过滤器。
（4）投放阻垢剂的工艺位置
在中小型预处理系统中处理难溶盐问题多采用软化工艺，而大型系统则多采用阻垢剂工艺。阻垢剂的投放点一般选在精滤工艺之前。在此位置投放，避免了有效药液被砂滤截留，可利用精滤截留药液中的杂质，并借用精滤做再次药液混合。
（5）投放杀菌剂的工艺位置
在非自来水的系统原水中一般不含余氯等杀菌剂，为防止预处理及膜处理系统的微生物污染，预处理系统中应具有杀菌工艺，且杀菌的重点对象是砂滤工艺。当系统中存在炭滤工艺时，二氧化氯、次氯酸钠等氧化性杀菌剂应投放在砂滤之前，这既可阻止砂滤工艺中的微生物滋生，又可与活性炭构成典型的所谓生物活性炭工艺。
当系统中不存在炭滤工艺，而投放氧化性杀菌剂时，需要投放亚硫酸氢钠还原剂使之还原，以防对反渗透膜系统的氧化损伤。为保护预处理全系统，氧化性杀菌剂应投放于砂滤工艺之前，还原剂应投放于精滤工艺之后。当超滤工艺置于此杀菌环内时，也可有效防止超滤膜的微生物污染。
当投放的杀菌剂不具有氧化性时，无需投放还原剂，而且非氧化性杀菌剂进入反渗透膜系统后，还可有效抑制膜系统的微生物污染。
预处理系统环境复杂、工艺多样，各工艺间的相对位置与具体的原水条件及膜系统要求密切相关，各工艺次序的设计具有一定的灵活性。
2.8.2 预处理的流量梯度
在反渗透系统的各工艺设计领域中，工艺流量与工艺回收率为两大重要指标。就膜系统而言，无论是一级系统、二级系统或其他非典型系统结构，膜系统设计产水流量Qd膜系统与膜系统回收率Re膜系统之比构成了预处理系统产水流量Qd预处理。
Qd预处理=Qd膜系统/Re膜系统 （2.11）
（1）传统工艺的流量梯度
传统预处理系统的特征之一是各工艺均为全量过滤运行方式，各工艺的回收率仅涉及清洗水量损失，因此存在设计流量与工作流量的区别。工作流量Qw系指正常工作时间Tw内的工艺产水流量，设计产水流量Qd系指工作与清洗时间内工艺的平均产水流量。此外，清洗时间Tc内的清洗用水流量为Qc。
对于无备用设备的工艺而言，工艺自身因清洗或再生而间歇式运行，但可用缓冲水箱调节流量，以使系统维持连续运行方式。当清洗或再生使用工艺自身产水时，无备用设备工艺的设计产水流量Qd与工艺回收率Re分别为：
Qd=（TwQw-TcQc）/（Tw+Tc） （2.12）
Re=（TwQw-TcQc）/（TwQw） （2.13）
对于有备用设备与专用清洗水箱的工艺而言，因设备清洗与工艺产水同时完成，无需缓冲水箱即可实现系统的连续运行。因此，有备用设备的工艺设计产水流量Qd可表示为：
Qd=（TwQw-TcQc）/Tw （2.14）
无论是否存在备用设备，上游工艺设计产水流量Qdi为下游工艺设计产水流量Qdi+1与下游工艺回收率Rei+1之比：
Qdi=Qdi+1/Rei+1 （2.15）
由于式（2.13）表征的工艺回收率恒低于1，预处理系统上下游工艺的设计产水流量在沿系统流程方向呈递减趋势。
如图2.22所示，系统工艺流程中的各工艺设计流量之间的关系如下：
Qd精滤=Qd预处理；Qd软化=Qd精滤；Qd炭滤=Qd软化/Re软化；
Qd砂滤=Qd炭滤/Re炭滤；Qw水泵=Qw砂 （2.16）
图2.22 预处理系统流量与压力配合示意图
（2）超微滤工艺流量梯度
以超微滤工艺为核心的超微滤预处理系统中，典型的系统流程为：
大型超微滤工艺多具有错流与连续运行两大特点，错流运行方式形成了超微滤工艺的特定的回收率，运行组件轮流清洗的连续运行方式相当于多开一组设备。超微滤工艺回收率Re超滤与错流回收率Re错流、清洗流量Qc、工作流量Qw、工作时间Tw、清洗时间Tc之间成下式关系：
Re超滤=（TwQw-TcQc）Re错流/（QwTw） （2.17）
2.8.3 预处理的压力梯度
当预处理系统各工艺间均设有缓冲水箱即形成开放式结构时，各工艺需自备加压水泵，工艺间无压力传递现象。当预处理系统各工艺间不设缓冲水箱即形成封闭式结构时，前后各工艺共用原水加压泵，则各工艺间存在严格的压力传递规律。
（1）开放结构的静态压力平衡
开放式结构的运行控制相对简单，清洗用水源于缓冲水箱，各工艺清洗对上游工艺影响较小，各工艺短时维护与清洗不妨碍全系统连续运行。开放式结构在运行控制方面的优势以增加水箱、水泵的设备投资及占地面积为代价，甚至以运行设备的频繁启停来弥补前后工艺的运行流量失衡。
以多路阀设备为例进行预处理工艺压降分析时可知，单工艺过程的压力损失Δploss应包括管路压力损失Δptube、多路阀压力损失Δpvalve、中心管布水器压力损失Δpdistribute、滤料层损失压力Δpfilter等项目。计及工艺末端缓冲水箱最高水位等末端压力要求pend及滤层污染造成的压力损失Δppollute，工艺加压水泵的设计压力pprocess应为各压力损失之和：
Δploss=Δptube+Δpvalve+Δpdistribute+Δpfilter （2.18）
pprocess=Δploss+Δppollute+pend （2.19）
（2）封闭结构的静态压力平衡
封闭式结构的运行控制相对复杂，前后工艺设备间用管路连接，由前级加压泵驱动前后级工艺运行。各工艺设备在保持统一工作流量的同时，前级进水压力是前后工艺压力损失之和，或视后级工艺的压力损失抬高了前级工艺的设备背压。封闭式结构在抬高前级进水压力的同时也抬高了前级设备的承压水平，提高了前级工艺的设备成本。如超滤设备的承压能力较低，则不宜将其置于长串封闭结构的前级。封闭式结构在设备投资与占地面积方面的优势是以系统控制的复杂化为代价，甚至增加了系统停运的威胁。
反渗透全系统封闭运行时，为使膜系统高压泵无气蚀，要求高压泵进水处保持一定压力水平，为此需在高压泵进口处加设低压保护开关。对于图2.22所示工艺流程，可将低压开关整定值视为预处理系统的末端压力限定值pend。全封闭结构预处理系统的设计压力psystem应等于各工艺i的压力损失Δpiprocess、各工艺i的污染压力损失Δpiloss及末端压力限定值pend之和。
psystem=∑Δpiprocess+∑Δpiloss+pend （2.20）
（3）开放结构的压力动态平衡
预处理系统各工艺具有独立的流量压力特性，运行流量的上升将产生更高的流量压力损失。随着运行时间的延续，滤料层截留污染物增多，会产生附加的污染压力损失。
开放式结构中，独立工艺的流量压力特性决定了独立加压泵的规格与运行工作点。随着污染压力损失的增高，水泵的运行工作点将不断偏移。图2.23示出特定工艺的压力与流量工作点的偏移过程，图中水泵特性与工艺特性曲线的焦点即为特定工况下的运行工作点。
图2.23 因污染的工作点迁移过程示意图
（4）封闭结构的压力动态平衡
在封闭式结构的净料条件下，特定流量对应的各工艺压降之和等于特定流量对应的系统压降；各工艺的流量压力特性叠加为系统流量压力特性。图2.24示出了砂滤、炭滤、软化、精滤各工艺封闭串联系统的流量压力特性曲线。该预处理系统的流量压力曲线与系统加压泵的流量压力曲线的焦汇点即为水泵与系统的实际运行工作点。工作点对应的系统流量则为各串联工艺共同的工作流量。
图2.24 多工艺系统压力流量特性示意图
随系统运行时间的延续，系统中各工艺将遭受不同程度的污染。受污染后的系统流量压力特性曲线将类似于图2.23向左侧移动，系统运行工作点将沿水泵流量压力特性前移，致使压力增高、流量下降。