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海水淡化預處理技術的簡論
來源:藍華鋒    發布時間:2015-11-26

      人類在21世紀面臨嚴重的淡水緊缺問題,水資源缺乏已成為關系到貧窮、可持續發展乃至世界和平與安全的重大問題。因此海水淡化越來越受到重視,利用海水淡化技術從海水中制取飲用水,已成為人們取得淡水的一種重要手段。

      目前世界上采用的主要的海水淡化方法(包括多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(MED)、反滲透(RO))中,RO技術因其具有投資少、操作方便、建設期短、占地面積小等優點而得到較為廣泛的應用,按現有的統計結果發現RO法在海水淡化技術中占有的比例有逐年增加的趨勢,21世紀的海水淡化市場中海水反滲透(SWRO)將是主要的海水淡化方法。然而,要保證反滲透裝置能夠長期穩定地運行,給水預處理是至關重要的。

1.海水預處理的目的

      海水中懸浮物、膠體物質和可溶性有機高分子聚集在膜表面會使膜受到污染;微生物和細菌會使膜受到侵襲;微生物和細菌的殘體還會以固體形式析出,使膜性能變壞;水的溫度、pH值、余氯含量、壓力等參數的劣化會引起膜水解、氯化;由溶質引起的膜結構變化還會導致膜的透水率下降。通過預處理去除海水中懸浮物、有機物、膠體物質、微生物、細菌及某些有害物質(如鐵、錳、鈣等),可以減緩膜污染,延長膜的壽命,保證反滲透系統長期穩定運行。

2.SWRO中傳統預處理方法存在的問題

      海水中不僅硬度偏高,而且有著各種微生物,特別是水溫較高的表層海水。微生物污染不僅給引水設施,而且給淡化系統造成各種麻煩和事故。反滲透膜表面的污染,造成了產水量和脫鹽率的下降、組件壓差的增大等問題,所以SWRO淡化運行能否順利,給水的預處理十分關鍵。在SWRO傳統的海水預處理中一般包括:滅菌、沉降、過濾、軟化、脫氣等,研究發現這些傳統處理方法在預防結垢和污染方面均能力有限[2],主要表現為以下幾個方面:

       (1)為去除海水中存在各種細菌和海藻類物質,SWRO系統常規預處理工藝為石英砂過濾(或無煙煤、錳砂等多個介質過濾)、活性炭過濾、3 μm~10 μm精密過濾,有時還有軟化器。去除細菌的效果不理想,不能確保RO給水無菌[3]。有時被活性炭吸附的有機物還含有細菌繁殖的溫床。

       (2)為了控制海水中各種微生物的繁殖,常增設NaClO發生器,有時還加CuSO4控制海藻。但是聚酰胺(PA)RO膜對氯敏感,易被氯氧化而降解。醋酸纖維素(CA)RO膜耐氯雖好些,但在某些金屬離子存在時,也易被氯氧化而降解。而且CA膜還易被細菌污染,并成為細菌的培養源和繁殖地。因此,這兩類膜組件的給水均需除氯處理,通常采用NaHSO3去氯,但這種方法并不能解決海洋微生物的污染問題,當海水溫度高于25℃時,產生所謂“后繁殖”現象,會加速細菌的污染。PA膜需用大量的NaHSO3去除氯和溶解氧,創造保護膜的還原氣氛,增加了運行成本。

      (3)常規預處理方法的工藝冗長,先是對給水間歇式加氯,再加絮凝劑和凝聚劑,然后經二級壓力多介質過濾器去除已絮凝的液體物質,接著添加阻垢劑和NaHSO3,再經過保安過濾器,這樣就造成處理工藝冗長和處理成本增加。從上面可以看出:一是操作煩瑣;二是費用高(估計占設備總投資的30%~40%,占運行費用的20%~30%);三是需經相當長的一段時間才能生產出合格的濾水。

      鑒于傳統預處理方法有工藝繁雜、費用高、且所得過濾水產質量不穩定等許多不足之處。因此,國內外逐漸采用微濾、超濾、納濾、集成技術等新型工藝補充和取代傳統的海水反滲透的預處理。

3.新型海水預處理技術

3.1微濾(MF)技術

      微濾(MF)技術是一種新型膜處理技術,以連續微濾(Continuous Microfiltration)CMFPRO為代表,采用0.2 μm孔徑的中空纖維膜,材質為聚丙烯、磺化聚醚砜或醋酸纖維,由內向外死端過濾。該膜可使膠體顆粒和細菌數量減少幾個數量級,提高凈化水的水質,并可在很低的橫流速下運行。CMFPRO技術采用空氣反沖洗,以自動頻繁脈沖方式和短時間的沖洗來保持穩定的產水通量,與常規過濾器因反沖洗而出現的停運相比,這種脈沖清洗的時間特別短,因此非常適于過濾固體含量高的液體。

      采用連續微濾CMF代替傳統的單介質或多介質過濾器、活性炭過濾器等進水的預處理方法,不需加入絮凝劑、殺菌劑和余氯脫除劑等化學藥品,不但免除了介質和活性炭的頻繁更換,而且也省去了保安過濾器,并且連續膜過濾的出水的SDI值小于3,濁度小于0.2 NTU,TSS小于1 mgPL,大腸桿菌小于3個PL,顆粒粒徑<0.2 μm,能夠達到反滲透系統對進水水質的要求。與傳統預處理方法相比,采用連續微濾技術改進了反滲透系統的進水水質,延長了反滲透膜的使用壽命,提高了系統的回收率,大大減少設備占地面積,減少操作費用,降低勞動強度,并可以有效的實現微濾過程的自動化控制。

3.2超濾(UF)技術

      超濾技術是一種以機械篩分原理為基礎,以膜兩側壓差為驅動力的膜分離技術。它的篩分孔徑小,可截留水中的細菌、病毒、膠體、大有機分子、油脂、蛋白質、懸浮物等。

      超濾技術有中空、卷式、平板、管式等幾種組件類型,其中中空纖維膜是超濾技術中最為成熟與先進的一種形式,這種新型的毛細管型UF膜(中空纖維膜)可以處理高度污染的表層海水。該型UF膜器的特點是具有頻繁、短時、自動清洗毛細管膜的功能,且具有在較低的錯流流速下運行的能力。該UF膜截留分子質量為(150~200)×103u,可確保RO在高通量和高截留率下操作,低壓過濾和反洗,反洗水更容易處理,水回收率為65%,產水量提高10%,過濾水質顯著提高,減少運行費用,減少了化學藥劑投加量,該預處理能耗低[11]。Brehant等用中空纖維UF膜預處理表層海水,其UF出水SDI<1,且出水水質非常穩定,而傳統的雙重介質過濾僅能降到2.5左右,且水質不穩定。

3.3納濾(NF)技術

      納濾(NF)技術是一種新型分子級膜分離技術。其膜材料可采用多種材料,如醋酸纖維素、醋酸—三醋酸纖維素、磺化聚砜、磺化聚醚砜、芳香聚酰胺復合材料和無機材料等,孔徑在1 nm以上,一般在1 nm~2 nm;截留相對分子量200~1000;對NaCl的截留率小于90%,截留二價的Ca2+、Mg2+和SO42-離子,大幅度降低了進料水的濁度、硬度和TDS的含量,解決了傳統海水淡化過程中存在結垢污染等許多問題,保證膜組件的安全穩定運行,并大幅度提高水的回收率。NF膜的最大特點是膜本體帶有電荷,因而對有機物具有良好的去除效果。其對有機物的去除可用優先吸附—毛細管流原理解釋。膜本體帶有電荷,這也使它在很低操作壓力下(僅0.5 MPa[14])仍具有較高的脫鹽率。另外,NF膜還對無機離子進行選擇性分離,使得它特別適合于海水的脫鹽處理。有研究表明,NF膜對細菌和病毒等也具有好的去除性能;且不需添加劑;對色度的去除也非常有效。

      Hassan等報道了NF在海水淡化預處理方面的一系列研究和應用工作,其NF透過液(NFP)的SDI<1,且NFP中硬度離子的濃度大大降低,在118 MPa的操作下SO42-離子的去除率達到93.13%,Ca2+、Mg2+離子的去除率超過80%,NaCl濃度也較大幅度的降低,總溶解性固體TDS的截留率為37.13%~54.11%,水的回收率為40%~45%。

3.4納濾集成技術

      近年來,國外成功開發了將NF作為RO及M SF的預處理,組成了NF-RO,NF-MSF及NF-SWRO-MSF集成淡化技術。海水經N F技術處理后,去除了80%以上的硬度,TDS下降了40%左右,且去除了所有的有機污染物,從而提高了SWRO的操作壓力和整個系統的回收率(回收率可達60%左右),且能保證SWRO膜組件的安全,長期穩定運行。

      沙特阿拉伯鹽水轉化公司(Saline Water Conver2sion Corporation,SWCC),進行的NF-SWRO集成海水淡化實驗,采用4″×40″的NF膜元件,與無NF預處理的SWRO相比,集成過程的SWRO水回收率,在4.0 MPa壓力下為48%,為相同壓力下前者的3倍,在516 MPa壓力下為50%左右,為相同壓力下前者的2倍,且經過NF處理過的SWRO進料中TDS濃度已經很低。表明采用納濾預處理操作壓力可有較大幅度的降低,水回收率可有較大幅度的提高。

      SWCC用NF透過液(NFP)作為MSF的進料補充水進行了NF-MSF集成淡化實驗,在20m3Pd的小試裝置上連續運行了1200h,MSF最高操作溫度為120℃,實驗過程不加入任何防垢劑、酸或防泡劑。沒有觀察到結垢現象,在相同的操作條件下,與傳統的MSF相比,采用N F預處理后,化學品的消耗量大大降低,減少了對環境的污染,且NF-MSF系統循環鹽水中的Ca2+和SO42-離子的濃度大幅度降低,結垢的可能性大大降低。

      SWCC將NF-SWRO的排放濃鹽水作為MSF的補充水進料,構成NF-SWRO-MSF集成系統,循環鹽水中Ca2+和SO42-離子的濃度遠遠低于傳統MFS裝置循環鹽水中的濃度,甚至遠低于其在天然海水中的濃度,故結垢的可能性很小,所需的加酸量也很少,僅為使用天然水的18%或更低。另外,利用MSF排熱段預熱的海水經過NF預處理并作為RO淡化過程的進料,可以減少季節水溫變化對過程的影響,產水成本可進一步降低。

4.結語與建議

      綜上所述,傳統的海水淡化預處理方法正在逐漸被淘汰,而采用微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和納濾集成技術作為海水淡化預處理,可以大幅度降低進料水的濁度、硬度和TDS的含量,顯著減少過程化學品的添加量和膜器本身的清洗次數,使過程環境更好,解決傳統海水淡化工程中存在結垢污染等許多問題,從而大幅度提高水回收率,降低成本。

      采用將微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和RO組合起來的集成膜(Integrated Membrane System,IMS)技術是海水淡化預處理發展的趨勢,據預測采用UF-NF-RO,NF-SW-RO-MSF集成技術,NF膜對海水中SO42-的截留率可達到98%,大幅度降低了后續RO和MSF的結垢可能性,而且TDS也有一定程度的減少,可提高整個系統的回收率,非常有利于改善蒸餾法和膜法海水淡化。

      我國的海水淡化預處理技術研究和應用還處于初始階段,所以我們要吸收和借鑒國外海水淡化集成系統的先進經驗,向開發智能型、處理效率高、能量綜合利用、符合技術經濟要求的集成性工藝努力。在高起點上加大力度開發海水淡化預處理技術,加快我國海水淡化產業的發展,勢在必行。

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