采用新的前处理法和改进膜性能

摘要：反渗透海水淡化系统在以敞开取水方式取用表层水时，为控制膜污染，必须设计各种前处理工艺。同时为维持膜性能能够在较长时间内保持稳定，在系统设计上采取了低水通量、低回收率的方法。近年来，海水淡化复合膜元件的性能指标有了很大程度的改进。同时，一种更有效的微滤膜技术也已在商业上得到广泛的应用。利用这些新的水处理技术，不仅能提高进水质量，而且能使经过前处理后的地表水其水质可与井水水质相比甚至更好。这些新技术可增加系统的可靠性，降低制水成本。本文将对新的前处理法在海水淡化系统中的实用价值进行评述，评估这些方法在改进RO海水淡化系统性能及经济性方面的潜力。

关键词：前处理法 膜性能 反渗透

 

　　摘 要

　　反渗透海水淡化系统在以敞开取水方式取用表层水时，为控制膜污染，必须设计各种前处理工艺。同时为维持膜性能能够在较长时间内保持稳定，在系统设计上采取了低水通量、低回收率的方法。近年来，海水淡化复合膜元件的性能指标有了很大程度的改进。同时，一种更有效的微滤膜技术也已在商业上得到广泛的应用。利用这些新的水处理技术，不仅能提高进水质量，而且能使经过前处理后的地表水其水质可与井水水质相比甚至更好。这些新技术可增加系统的可靠性，降低制水成本。本文将对新的前处理法在海水淡化系统中的实用价值进行评述，评估这些方法在改进RO海水淡化系统性能及经济性方面的潜力。

　　引 言

　　利用反渗透技术进行脱盐的经济性正日益明显，由于反渗透的技术水平不断提高。目前，中低含盐量苦咸水脱盐所需的费用可与常规水处理方法相竞争的。特别是，当距离很远，或需要各种水处理的情况下，使用反渗透技术的优越性更为显著。从价格上看，虽然海水淡化膜元件稍比苦咸水膜元件贵一些，但是海水的RO脱盐费用却比苦咸水的RO脱盐费用高很多。原因之一是海水淡化系统所用水泵很贵，而且还需使用昂贵的耐腐蚀的合金管道，另外，海水淡化系统是靠敞开取水的方式取水，且回收率相当低等原因都造成海水淡化系统前处理费用大大高于苦咸水前处理系统所需费用。在目前RO系统的投资比例中，膜元件费用仅占制水成本的6%―8%，设备费及电费占绝大部分。RO系统回收率是影响设备的总投资费用以及运行费用的最主要因素。对于净化系统而言，进水量与回收率是成反比的关系，系统回收率直接影响到设备的规范及耗电量，但是就海水淡化RO系统来说，回收率不能任意增加，因为回收率越高，进水的含盐量也越高，最终导致渗透压增高，产品水含盐量也增加。

　　海水淡化膜技术的发展过程及其各项操作参数随着膜技术的发展

　　

　　随着聚酰胺复合膜技术应用到海水脱盐的净化设备中，系统设备的投资费用远远低于早期用醋酸纤维膜技术的设备投资费用。早在1978年，开发研制出了海水淡化复合膜，该膜的材料是脂肪族聚酰胺复合物，其特点为盐透过率很高，在将早期的膜技术被应用到饮用水RO系统时必须采用二级处理器，回收率较低，一般在30%―35%；在此之后，研制出新一代复合膜，其材质是芳香族聚酰胺，这是海德能公司对世界的一大贡献，因为该技术使膜性能有了显著的改进。从图1可看出，自1986年以来，推出的一系列海水淡化膜在维持水通量不变的情况下脱盐率不断提高，最新的商用海水淡化膜的特征水通量是1978年的2倍，盐透过率减少大约为1978年的4倍。目前已具有公称脱盐率99.7%、产水量为6000gpd(22.7m³/日)的商用膜元件，但实际上膜元件的公称性能并不就是系统的实际性能，因为单个元件的检测条件与RO系统的操作条件差异很大，系统性能可根据膜元件本身的技术参数、系统中安装的膜面积、给水水质以及操作条件等综合情况计算出来。

　　使用具有盐透过率低的膜元件（较高脱盐率），其结果是降低产水含盐量。因此，提高膜元件的脱盐率，可使RO系统回收率提高。以含盐量为38,000ppm，水温在18-28℃之间的地中海海水为给水设计的RO系统，其回收率为40%―45%，平均水通量为7-8gfd(11.9-13.5L/m²・小时)，在上述操作条件下，进水压为800―1000psi(55-70巴)，产水含盐量在300―500ppm之间。

　　当进水含盐量和膜元件的脱盐率为一定时，产水含盐量与进水温度、回收率、产水通量成函数关系变化。提高进水温度，会引起盐份和水分子扩散速度的增加，大约为每增加1摄氏度，扩散速度提高3%。通常RO设备都是在流量恒定条件下工作的，故盐透过率的变化仅与进水温度变化有关。

　　

　　产品水含盐量与平均水通量成反比关系，水通量提高则可稀释通过膜的盐离子，从而降低产品水含盐量。一般说来，海水淡化系统的平均水通量保持在一个相对低的量上，即进水为地表水时为7-8gfd、进水为靠岸边的井水时为10gfd(16.8L/ m²・小时)，上述两种水源之所以采用不同的水通量，是因为井水水质要比地表水的好，因而对膜的污染现象也较少。通常在海水淡化系统中，使用的水通量较低，一般在50%（相对于苦咸水脱盐），如果试图在高水通量条件下运行海水淡化系统，很可能造成不可逆的流量衰减现象。

　　直到最近，由于膜元件脱盐率的提高，因而可设计出一种新型工业用海水淡化RO系统，该系统具有较高的回收率。海水淡化RO系统的最大回收率主要受膜脱盐率或产水水质不能达到饮用标准的限制。从图2所标出的曲线可看出盐透过率与回收率和水通量成函数关系变化。该图的实验条件是：进水为含盐量37,500ppm TDS的地中海水，进水温度为28℃，膜元件的回收率在40―60%，水通量在8―11gfd，所用的膜元件公称脱盐率为99.6%，在计算产水水质时，将盐透过率提高了15%后进行计算，这是由于考虑到膜平均寿命为3年，每年膜的盐透过率增加5%（每年应有20%的膜元件需要更换），由图可看出，如果需要得到较高的回收率，水通量将超过标准值8gfd。这样做可保证理想的产水含盐量，特别是当进水温度较高时，更是如此。目前存在着几个最突出的问题，一是海水淡化系统的最佳回收率是多少时，能够使产出水的成本降低，二是目前海水淡化膜的性能可否使淡化系统达到所要求的回收率，三是当进水为地表海水时，RO膜可否在较高的水通量下运行。

　净化过程中所需费用

　　众所周知，系统回收率的大小直接影响到海水淡化RO系统的投资费用。增加回收率，则会减少所有工艺设备的容量（因为这些设备容量由给水流量及浓水流量决定），同时也会影响到供水系统的容量及取水泵的能耗，影响到所有预处理设备的容量，因为贮水槽、泵、过滤设备以及所使用的化学加药设备的配置都是由给水流量所决定的。另外，还要考虑到浓水管道及出水设备的配套使用。工程设计中，水通量的选取会影响到净化设备中需安装多少支膜元件、多少压力容器、管路的连接方式以及RO系统滑架的大小。为了使用户能够根据上述各种需要更精确地估算出整个净化设备安装所需投资金额，本文在表1中做了详细说明。表1的例子的操作条件是：进水为地中海水，采用敞口取水方式，系统产水量为6mgd(22,7000m³/天)。通常在进行实际工程设计时，成本估算可参考G. Leitner(3)，P.Shidlds和I. Mock(4)二篇文章中所提供的参考数据。(3)、(4)均为本文列出的参考文献。表1列出了在基本设计和具有高回收率、高水通量的HRF系统设计中所需设备成本费用的比较（包括35%间接成本），由表1可看出基本设计的回收率为45%，水通量为8gfd、HRF设计水的回收率为55%，水通量为11gfd。

　　表1 两种设计投资费用之比较(以1000US$为单位)

 

投资细目	基本设计回收率45%水通量8gfd	HRF设计，回收率55%水通量11gfd	设备成本变化%
取水和排水	940	830	-11.7
前处理	5,000	4,390	-12.2
膜元件	2,000	1,450	-27.5
工艺设备	16,050	13,650	-15.0
产品水处理	400	400	0
场地	670	640	-45
总费用	25,060	21,360	-14.8
特殊费用($/m 3・天)	1,104	940	-14.8

 

　　从表1中列出的两种设计方法各项费用来看，可得出这样一个结论：即如果设备的回收率和水通量高，可使总投资费用低（相对于回收率和水通量低的设备而言），因此，采用高回收率的设备可大大降低制水的成本。但是，如果使用这样的设备，由于其具有高回收率和高水通量则要求进水压力也相应提高，势必会产生一个较高的功耗。在图3中，我们标出了回收率与进水压力之间的变化关系

　　

　　 曲线（测试时进水温度为18℃，水通量为8到11gfd），由图可见，当水通量一定时，进水压力随回收率的增加而增加。这是由于平均进水含盐量和渗透压增加而造成的。在进行压力计算时，由于考虑到膜元件有污染及压缩的可能，因而假定水通量衰减系统为20%。图4为与图3的进水压力数值相对应的特殊功耗值。该功耗计算是假定系统中要装高效泵和能量回收涡轮机。假定这两个设备的效率是83%，所用电机效率是93%。（这样的高效设备现已有供应，并在1997年投产的一个2.1mgd的海水淡化装置上起用。）如图4所示，当水通量一定，回收

　　

　　率为50%，对应的特殊功耗为最小值。如果将设计回收率定为55%，通量为11gfd，其结果是高压泵的特殊功耗从4.2kwh/m³增加到4.6kwh/m³，图中的进水温度为18℃，即18℃时，设计参数变化将造成特殊功耗有0.4kwh/m³的差异，如果进水温度为28℃，上述二种设计的特殊功耗仅有0.3kwh/m³的差异，由此可见，温度变化对功耗的影响不大。表2是标准条件（基础设计）和高回收率、产水通量设计时的系统制水成本细目的比较。

　　表2  在RO海水淡化系统中回收率和水通量二参数的不同

　　对产品水成本的影响

　　计算水的费用的几个参考因素为：8%的利率、设备寿命20年、更换8”海水淡化膜元件的费用$800、维修费（设备费的3%）、电费$0.06/kwh、工厂开工效率95%等，除此之外，还要把前处理系统中使用的化学试剂，如：氯、无机絮凝剂、聚合物、亚硫酸氢钠、阻垢剂等费用计算进去，最后，估算生产出水的总费用。虽然提高回收率、增加水通量可以减少费用，但是，要想使膜的性能在高水通量时仍能保持稳定，就必须保证进水质量，对进水进行充分的前处理。总之，利用降低投资费用、改进操作条件等手段，大约可使制水的成本降低8%。

　　通常进水压力限定为70巴，这是受压力容器的额定值所限，而与膜的稳定性及卷式膜元件的结构无关：在加里福尼亚有一个规模很大的海水淡化装置，在该装置中海水淡化膜元件已在进水压力为75-80巴的条件下运行了很长时间。同时还进行过在合理设计元件结构和压力容器条件下，使膜元件成功地运行在压力约为120巴的大规模海水淡化设备上，因而当进水温度在一个适当的范围内，进水压力超过83巴(1200psi)对膜元件的长期性能不会有影响。

　　常规的前处理工序

　　进行前处理的目的是希望通过这一工序降低进水的污染物含量，提高进水水质，使给水水质能够保证膜元件的长期、稳定性能。在海水淡化系统中，膜污染现象会日益严重，其原因主要是因为在进水中存在着胶体和颗粒物质、溶解有机物以及细菌的滋长。在苦咸水淡化系统中位于尾部的膜元件上偶然能发现无机物形成的垢，但对大多数海水淡化系统不会出现这一问题，同样，由于较低的回收率以及高离子强度和低浓度的碳酸氢根离子，因此浓水中也非常不易形成难溶盐的沉淀，由于颗粒、有机物及微生物生长而引起的膜污染通常位于系统前部的膜元件上，根据文献6、7的观点，由于离子强度高，产品水通量大的原因，而加快了胶体污染现象的发生。海水中的高离子强度会减少胶体颗粒及颗粒与膜表面之间的相互排斥力，另外由于渗透水所形成的垂直于膜表面的驱动力将使胶体颗粒和有机大分子沉积在膜表面间隙形成污染层。当系统的进水源是海水时，由于水中离子强度高，同时又有胶体及溶解有机物的存在，因而即使在低通量时膜污染的速度也要比系统净化苦咸水时快得多。因为膜受到了污染，使其水通量和盐透过率均受到影响，当污染情况严重时，水通量降低，在这种情况下，要想使产水量达到设计要求，就必须增加进水压力。一般情况下，盐的透过率也会同步增加，而最终造成产水含盐量增高。颗粒或微生物等污染的最终结果是进水渠道阻塞和压力损失增加。

　　

　　通常SDI(Silt Density Index)值是对进水质量和系统前处理工序的效果进行检测的一个标准。SDI值主要用来检测某一孔径膜对水的过滤能力。一般情况下使用孔径为0.45微米的膜，SDI值是进水质量的相对值，从这个数值中，并不能明确看出膜污染速度或对膜性能造成的影响等情况。大多数膜生产的厂家对SDI的数值作了规定，即上限为4-5，为了保持膜性能的稳定，SDI平均值应低于3。

　　图5列出了以地表水为水源的常规前处理系统的工艺流程。该流程包括在原水中间断加入游离氯。并维持残余氯浓度为0.5-1.0ppm，另外还应加入絮凝剂和凝聚剂，加入絮凝后的胶体物质经过二级压力多介质过滤器除去。这种二级过滤器第一级为粗过滤，第二级为精过滤，采用这种二级过滤的方法，即使在反洗时或者在由于季节变化而导致生水水质变坏时也可保证RO给水水质/如图5所示，当进水经过二级过滤器，到达保安过滤器前，需在进水中添加阻垢剂和亚硫酸氢钠。实验证明：图5中所示的前处理工艺对于降低原水SDI值是有效的，在原水的SDI值大得不可测出时，经上述工艺处理后SDI值能达到2-3。实际上，无论所使用的前处理工艺如何，大多数海水淡化设备都能使进水质量达到上述SDI值（8、9、10）。但是，由介质过滤器和保安过滤器组成的常规前处理装置对阻挡胶体和悬浮颗粒的能力是不确定的，经过前处理后得到的进水质量，受一些特定因素的影响很大。当某一过滤器反洗时，其余运行中的过滤器的过滤速度比正常使用时的速度快，这样就增加了穿透的可能性。在反洗之后的滤饼形成期，高浓度的胶体颗粒可随过滤水排出来，这就是为什么在敞口取水的海水淡化系统中平均水通量限制在8gfd的原因。

　　膜前处理工艺

　　曾经有文献（10、11）提出过利用膜处理作为前处理的一部分。用超滤膜和微滤膜能够产出比常规前处理法（介质过滤器和保安过滤器）产出质量要好的多的进水，但是一般来说，卷式超滤膜元件不适合处理污染严重的地表水。UF元件不能在高水通量条件下工作，否则膜表面会严重污染或进水渠道被阻塞。高的横向进水速度可以减少浓差极化，但最终造成功率损耗增大，膜需要经常清洗，清洗过程也很麻烦，且不能有效恢复产水通量。最近提出了一种新的微滤和超滤技术――大直径中空纤维结构。膜孔径为0.7―0.9mm，膜材质为聚丙烯、磺化聚醚砜或醋酸纤维，有些元件将进水――渗透水的方向设计成由外向内，有些则相反。

　　新型工业用中空纤维设备具有二个新颖的性能：

　　1.可自动、频繁脉冲式冲洗中空纤维管（有些型号采用反洗），其特点是通过短时间的停运，来保持稳定的产水通量。

　　2.可在一很低的横流速度下工作，甚至可以在单向流动状态下工作（全流过滤）。

　　与常规过滤器因反洗而出现的停运时间相比，这种脉冲式冲洗的停运时间非常短。并且频繁的脉冲冲洗可使水通量保持稳定，这种设备的进水压力为1―2巴，当操作降低进水压力，降低横向流速或采用全流过滤时，系统回收率高，能耗低（能耗约为0.1kwh/m³）。膜的类型有二种：一种是微滤膜（额定孔径为0.2微米），另一种是超滤膜（截流分子量为100,000-200,000道尔顿），中空纤维超滤膜组件尺寸一般为：长度在100-130cm之间，直径在20-32cm之间。该膜用于实际净化系统中时，单支膜元件的产水量为30-150m³/天。中空纤维膜技术已经用于处理以地表水为水源的饮用水净化工艺之中。该技术与常规工艺相比，具有标准化设计、投入少、产出多、无需连续加入化学药品、只需有限劳动力等优点，以上优点都是说的外在因素，更主要的是膜技术的内在优点，即在进水和透过水之间存在的膜分离层，可以使胶体颗粒和细菌减少几个数量级，提高了净化水的质量。

　　中空膜技术已经过了广泛的试验，并且有很多基于微滤的系统已经投入运行，在成功地将中空膜技术应用于饮用水领域的基础上，正考虑将该技术应用于高污染地表水反渗透系统的预处理，目标之一是城市排水的反渗透处理，这样可以替代既昂贵又困难的传统城市三级污水处理方式，增加反渗透系统的设计水通量，现场试验目前已进行了二年以上，实验结果证明，这种方法是可行的，同时还可考虑将此工艺应用到大规模水处理设备中去。此方法还可用来对水源为低盐度地表水的净化系统进行RO前处理。其目的之一是希望以此来取代常规的前处理工艺，第二是希望通过添加第二个膜过滤系统（除RO膜之外）来减少渗透水中存在的“热源”，这样就可省掉原来作为消毒用的强氧化剂。实验结果证明了这种结果的可行性。

　　正在设计将UF与RO工艺相结合的大规模水处理系统。将中空纤维膜应用到海水淡化系统的前处理工艺中，似乎是相当好的设计思路。从不多的实验结果来看，采用这种处理方法能够生产出质量很好的RO进水（13），估计中空纤维膜前处理法所需成本与大量使用的常规前处理法（进水源为地表水）的费用差不多。表3中列出了海水淡化RO系统的常规前处理法和中空纤维膜前处理法的操作条件及各项所需费用的对照表，从表中可看出使用中空纤维膜工艺，可简化前处理系统，并且可以减少化学药品的使用量，更主要的是采用此工艺，可省去需向给水中不断添加游离氯的工序，处理后的水胶体浓度很低，但到目前为止，没有足够的实验数据能够表明哪一种中空纤维膜（微滤还是超滤膜），对降低海水净化系统进水中的污染物浓度更有效。超滤膜除截留颗粒外，还可减少海水中一些溶解有机物。即膜发展的一个新趋势是试图增加卷式复合膜元件的填充密度。（即：增加膜元件的有效面积，提高单支元件的产水量）膜前处理工艺也会随之共同发展，该发展趋势主要依靠设计结构最为合理的膜元件，其中包括降低进水通道的厚度。因为新设计的卷式元件是在进水质量较好的条件下工作，进水本身颗粒物质浓度就很低，所以虽然进水通道比较细，但阻塞的可能性很小，同时降低膜污染的速度，可减少膜的化学清洗频度，大大提高了膜寿命。由于该技术具有上述优点，所以使用该技术即可以减少由于化学清洗所需试剂费用以及投入的人力，同时可以减少由于膜元件损坏、更换而需要的费用。

　　表3 常规前处理法与毛细管膜工艺的情况对照

 

系统结构	常规前处理法	中空纤维膜前处理法
进水水源	敞口取水	敞口取水
滤网	粗筛	自清洗微筛过滤器，孔径35微米
原水加氯	3ppm	不需要
直流絮凝(连续投入试剂)	5ppm FeCl 30.2ppm聚合物	不需要
静态混合器	有	没有
胶体过滤设备	二级多介质压力过滤器	单级中空纤维膜超滤：截流分子量150,000-200,000道尔顿
反洗方式及频率	每8小时用空气擦洗和水反洗1次，设备停运15分钟（3.1%）	每15分钟脉冲水反洗1次，设备停运30秒（3.3%）
化学清洗	不需要	每隔4小时 用50ppm NaOCl溶液浸泡10分钟，设备停运时间（4.0%）
过滤速度L/m 2・小时（gfd）	第一级过滤：6（3.5）第二级过滤：10（6）	100（60）
最大推动压力（巴）	第一级过滤：0.5第二级过滤：0.8	2巴
保安过滤器精度（微米）	5―15	不需要
功耗（kwh/m 3）	0.07	0.10
反洗水损失（%）	4（2.5%+1.5%）	5
出水水质SDI	2―3	＜1
除氯，NaHSO 3（ppm）	3	不需要
前处理投资费用（$/m3・天）	100-250	150-300

 

　　结 论

　　从以上的论述，我们了解到要想降低海水除盐设备的费用，就必须提高海水淡化系统的回收率和水通量，而要实现高回收率，高水通量的首要条件是应具有高质量的进水，因此可以说，进水质量好是取得优质净化水的先决条件。为达此目的，我们推荐这种新的中空纤维膜技术，将其应用到进水的前处理工序中，经几种不同工作条件下实验，结果证明是可行的。该技术与常规前处理工艺相比，价格并不昂贵，同时提供了很高的运行可靠性，并且从海水反渗透脱盐系统整体考虑，降低了生产成本。通过前面做的价格、性能比较，可得出这样一个结论：该技术投资费用和运行费用较低，同时由于进水质量较好，系统可在最佳状态下运行，从而可使总的制水成本降低10%左右。

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