海水淡化預(yù)處理方法比較及其特點分析

張巖崗，吳禮云，何敏，吳剛，于金旗

（1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200；3.北京賽諾膜技術(shù)有限公司，北京 100083）

隨著淡水資源的日益短缺，開發(fā)出新的淡水資源變得尤為重要。海水淡化技術(shù)已經(jīng)給世界上多個國家提供了干凈的飲用水，是解決水資源短缺的重要方法之一。尤其是膜法海水淡化技術(shù)，以其技術(shù)及成本優(yōu)勢，越來越多地被應(yīng)用于海水淡化中。而海水淡化預(yù)處理技術(shù)是保證海水淡化裝置可靠、長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素之一，如何根據(jù)海水中不同污染物的性質(zhì)來選擇合理優(yōu)化的膜法海水淡化預(yù)處理工藝成為海水淡化的關(guān)鍵問題。

1 海水淡化方法

海水淡化是將含鹽度較高的海水轉(zhuǎn)化為可供人類利用的淡水過程，其可分為兩類，即熱法和膜法。熱法海淡又稱蒸餾法，包括多級閃蒸(MSF)、多效蒸餾(MED)和壓汽蒸餾(VC)等；膜法海淡包括反滲透膜法(RO)和電滲析(ED)等。目前工程應(yīng)用上比較成熟且已大規(guī)模應(yīng)用的海水淡化技術(shù)主要是多級閃蒸(MSF)、低溫多效蒸餾(LT-MED)和反滲透法(RO)。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，自2000年以來應(yīng)用最多的是反滲透法(RO)，約占60%；其次是多級閃蒸法(MSF)，約占26%；低溫多效法(MED)，約占5%。

反滲透海水淡化技術(shù)(SWRO)是一種以壓力差為驅(qū)動力脫鹽的海水淡化方法，以其占地小、建造周期短、操作簡單、自動化程度高、比投資小、能耗相對較低等技術(shù)優(yōu)勢得到人們的認(rèn)可，在實際工程項目中得到了越來越多的應(yīng)用。近年來，我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展與水資源匱乏矛盾不斷升級，SWRO技術(shù)有效的解決了此問題，并在我國實際海水淡化工程中不斷發(fā)揮優(yōu)勢。我國《全國海水利用“十三五”規(guī)劃》提出的總體目標(biāo)是，到“十三五”末，全國海水淡化總規(guī)模達(dá)到220萬噸/日以上,這必將促進(jìn)SWRO技術(shù)在我國海水淡化市場的進(jìn)一步發(fā)展。

2 膜法海水淡化預(yù)處理的必要性

無論超濾膜、納濾膜，還是反滲透膜，膜的污染嚴(yán)重影響著膜的使用壽命。當(dāng)膜污染嚴(yán)重時，唯有更換新膜來解決此問題，而更換新的膜產(chǎn)品，則需要較高的費用，提高了運行維護(hù)成本。在實際SWRO工程應(yīng)用中，反滲透膜污染問題長期困擾著人們，因此，利用預(yù)處理技術(shù)來防止膜污染，以降低運行維護(hù)費用變得尤為重要。海水淡化預(yù)處理能夠有效地提高系統(tǒng)水的回收率，延長設(shè)備的使用壽命，減少膜的清洗維護(hù)次數(shù)，以及減少清洗過程中化學(xué)試劑的用量和污染物的排放量等。

海水淡化預(yù)處理的主要目的是去除進(jìn)水中的懸浮固體、細(xì)菌、微生物及大顆粒有機(jī)物質(zhì)，調(diào)節(jié)進(jìn)水pH和水溫，防止金屬氧化物及微溶鹽的沉淀等，保證進(jìn)水滿足反滲透單元進(jìn)水的要求。反滲透膜對進(jìn)水水質(zhì)要求較高，大多數(shù)反滲透膜廠家提出，海水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)要求的主要凈化指標(biāo)如下。

（1）反滲透系統(tǒng)進(jìn)水SDI15不超過5，以低于3為佳。

（2）保證進(jìn)水濁度低于1．0 NTU，以小于0．2為佳。

（3）水中余氯需低于0．1mg/L。

（4）盡可能減少導(dǎo)致膜污染或劣化的化學(xué)物質(zhì)。

（5）水溫在5～45℃之間。徐秀萍等對RO海水淡化性能衰減的剖析及事故案例分析，結(jié)果顯示由于預(yù)處理效果不好導(dǎo)致膜污染引起的反滲透膜元件性能衰減約占總因素的77% ，膜元件的機(jī)械損壞僅是次要因素。

反滲透海水淡化傳統(tǒng)預(yù)處理方法有消毒、凝聚和絮凝、多介質(zhì)過濾、加氯殺菌、保安過濾等。傳統(tǒng)預(yù)處理方式工序多、占地大、成本高、處理效果較差，特別是傳統(tǒng)的處理方式對細(xì)菌、膠體等去除效果差，不能滿足反滲透進(jìn)水的水質(zhì)要求。隨著膜過濾技術(shù)的發(fā)展，新的預(yù)處理技術(shù)越來越多的應(yīng)用到反滲透海水淡化技術(shù)當(dāng)中，膜法預(yù)處理技術(shù)作為一種新的海水淡化預(yù)處理技術(shù)逐漸得到人們的廣泛認(rèn)可。近年來，隨著超濾工藝不斷的發(fā)展以及超濾膜成本的降低，其逐漸被廣泛的應(yīng)用于海水淡化預(yù)處理中。由上述可知，膜法海水淡化工藝對預(yù)處理效果的要求相對較高，尋找適合海水來水水質(zhì)的預(yù)處理方法勢在必行。

表1 我國四個海域海水水質(zhì)

3 膜法海水淡化預(yù)處理技術(shù)分析

SWRO海水淡化預(yù)處理技術(shù)包括混凝、沉淀、氣浮、過濾等常規(guī)水處理技術(shù)和膜法預(yù)處理技術(shù)等。

3.1 海水水質(zhì)分析

海水的來水水質(zhì)及處理水的用途兩者從根本上決定了預(yù)處理方法的選擇。本文基于大量技術(shù)文獻(xiàn)資料，分析了我國近海海域（渤海、黃海、東海、南海）的海水水質(zhì)，給出了四個典型區(qū)域的主要水質(zhì)參數(shù)，并對水質(zhì)進(jìn)行了分析，詳見表1。

對海水水質(zhì)的分析結(jié)果如下。

（1）水溫：渤海、黃海和東海月均海洋表層水溫2月最低，8月最高，季節(jié)變化顯著；南海月均海洋表層水溫1月最低，6月最高，季節(jié)差異不大。渤海、黃海和東海年均海洋表層水溫分別為12．4℃、16．6℃和22．1℃，；南海為 27．8℃。

（2）pH值：均在8左右，偏堿性。

（3）藻類：夏季較高。

（4）懸浮物：11．8～ 104．9mg/l，其中浙江玉環(huán)海域懸沙含量高造成懸浮物較高，懸沙中值粒徑季節(jié)性變化明顯，夏季中值粒徑（0．039～0．051mm）明顯大于冬季（0．002～0．0029mm），這與大范圍的浙江沿岸流引起的泥沙運動有關(guān)。

（5）鹽度或TDS：30～37g/L，其中南海鹽度最低，黃海最高。

（6）Na+：9400～10000mg/L；K+，350～500mg/L。

（7）硬度：較高，其中95%以上為永久硬度。

（8）CL-：14700～ 18600mg/L，SO42+：2500mg/L左右。

（9）CODMn：較低，1 ～ 3．2 mg/L。

（10）石油類：較低，小于0．15mg/L。

3.2 海水淡化預(yù)處理工藝分析

目前，國內(nèi)海水淡化項目的預(yù)處理工藝主要為以下三種基本組合工藝。

（1）直接混凝+機(jī)械過濾。該預(yù)處理組合工藝流程較簡單、占地省、過濾面積大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作難度不大，但處理效果較差，主要用于去除來水大顆粒懸浮物、藻類和濁度等，一般用于來水水質(zhì)較好的中小規(guī)模項目。運行此預(yù)處理工藝具有代表性的大型項目是山東石島工程，項目地點位于膠東半島南岸，設(shè)計規(guī)模5000m3/d，預(yù)處理僅用機(jī)械過濾。

（2）反應(yīng)沉淀池+機(jī)械過濾。海水淡化原水采用比較渾濁的水時一般會設(shè)置反應(yīng)沉淀池，通過反應(yīng)沉淀池的絮凝、沉淀，將大顆粒懸浮物質(zhì)去除掉，后進(jìn)入機(jī)械過濾去除較小的懸浮物質(zhì)后進(jìn)入后續(xù)膜單元。早期的海水淡化項目多采用這種工藝，如華能威海電廠項目，其設(shè)計規(guī)模2500m3/d，為海邊發(fā)電廠解決缺水問題找到了一條合理化道路。

表2 常規(guī)海淡預(yù)處理工藝比較

（3）反應(yīng)沉淀池+超濾（微濾）。超濾是在較高膜通量下運行的膜過濾技術(shù)，其可制備出的水質(zhì)，明顯高于多介質(zhì)過濾產(chǎn)水，是一種行之有效的海水淡化前處理技術(shù)。華能玉環(huán)電廠、樂清電廠及天津十萬噸項目均運行超濾（微濾）作為預(yù)處理工藝。在項目應(yīng)用中，超濾（微濾）具有占地面積小，產(chǎn)水濁度和SDI15易控制等諸多優(yōu)點，是海水淡化預(yù)處理工藝的首選。

3.3 常規(guī)海水淡化預(yù)處理技術(shù)比較

國內(nèi)常用的海水淡化預(yù)處理工藝技術(shù)有：以Veolia為代表的高效混凝沉淀池類，以Degremont為代表的高密度澄清池類，臥式過濾器，組合工藝如氣浮-沉淀池、氣浮-濾池等。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)資料，主要預(yù)處理技術(shù)比較見表2。

由表2海淡預(yù)處理工藝對比分析，可得出如下結(jié)論。

（1）五種工藝均能滿足超濾膜進(jìn)水水質(zhì)要求，以臥式雙介質(zhì)過濾器出水水質(zhì)最優(yōu)。

（2）氣浮-沉淀池和臥式雙介質(zhì)過濾器耗電量相對較低，氣浮-沉淀池運行管理復(fù)雜。

（3）除氣浮-濾池外，其余四種工藝均具有較高的抗沖擊負(fù)荷能力；高密度澄清池對低溫低濁水有較好的處理效果；氣浮-沉淀工藝對溫度第、濁度低、含藻量高的原水有較好的處理效果。

（4）臥式雙介質(zhì)過濾器無需加藥；氣浮-沉淀池和高效混凝沉淀池僅需投加混凝劑，助凝劑投加量較少或可不加；高密度沉淀池加藥量大，易發(fā)生藥劑過量現(xiàn)象且投加的助凝劑有穿透超濾膜的可能；氣浮-濾池的氣浮效果與加藥量直接相關(guān)，較難控制。

3.4 膜法預(yù)處理技術(shù)分析

膜法預(yù)處理主要包括微濾(MF)、超濾(UF)和納濾(NF)三種。

微濾是一種以壓力為驅(qū)動的膜分離技術(shù)，它可將懸浮物、細(xì)菌、部分病毒及大尺寸膠體分離，微濾膜的孔徑一般為0．05～5μm。采用微濾作為預(yù)處理具有對水質(zhì)波動適應(yīng)性強、占地面積小等優(yōu)點。天津膜天膜工程技術(shù)有限公司自主研制的連續(xù)微濾工藝產(chǎn)水水質(zhì)濁度≤0．1NTU，SDI15≤3，保證了反滲透膜的進(jìn)水水質(zhì)。

超濾(UF)是一種能夠?qū)⑷芤哼M(jìn)行凈化、分離或者濃縮的膜法分離技術(shù)，超濾膜的孔徑范圍為0．01～0．1 μm，介于納濾和微濾之間，可直接去除病毒、病原體及有機(jī)大分子，膠體硅去除率可達(dá)99%。其具有抗膠體污染和有機(jī)污染性能強、膜的機(jī)械性能穩(wěn)定等特點，使用壽命可達(dá)5～7年。當(dāng)超濾作為反滲透的預(yù)處理階段時，可提高反滲透產(chǎn)水量10%～20%，膜的平均壽命可提高2～3年。由于超濾膜低廉的價格及良好的處理效果，目前被廣泛應(yīng)用于海水淡化預(yù)處理領(lǐng)域。

通過膜的運行工藝及工程實際應(yīng)用業(yè)績來看，內(nèi)壓式超濾膜無法適應(yīng)水質(zhì)水量變化的沖擊。在進(jìn)水濁度＜5NTU以下時，可采用全流量過濾；當(dāng)進(jìn)水濁度超過10NTU以上時，則需采用錯流過濾。此運行方式使膜過濾系統(tǒng)日常運行工藝繁瑣，增加了系統(tǒng)的不安全性和不穩(wěn)定性。而外壓式超濾膜對進(jìn)水水質(zhì)水量適應(yīng)范圍則比較廣，對水中的懸浮物、微生物、有機(jī)物等適應(yīng)范圍比較寬；采用外壓式超濾膜能更好的適應(yīng)原水的突然變化沖擊如懸浮物、藻類、有機(jī)物的影響。

納濾是自20世紀(jì)80年代末開始發(fā)展起來的一種新型的介于超濾和反滲透之間的膜分離技術(shù)，納濾膜的孔徑大小約為1nm，在超低壓下(0．1MPa)仍能工作，并有較大的通量。納濾膜的特點是對Ca2+、SO42-等二價離子有很高的去除率，可用于水的軟化，而對一價離子的去除率較低。納濾膜對有機(jī)物有很好的去除效果，故在微污染水源的飲用水處理中有廣闊的應(yīng)用前景。海水淡化與納濾結(jié)合可以降低海水的高硬度，還可以降低進(jìn)入反滲透膜組件的海水鹽度，提高了海水淡化回收率。

4 國內(nèi)應(yīng)用情況分析

據(jù)中國水利企業(yè)協(xié)會脫鹽分會統(tǒng)計，至2015年12月，國內(nèi)建有海水淡化項目139個，規(guī)模達(dá)102．65萬噸/日。下面以幾個典型項目為例介紹預(yù)處理工藝在我國海水淡化中的應(yīng)用。

（1）華能玉環(huán)電廠海水淡化工程。項目建成于2006年，產(chǎn)水設(shè)計規(guī)模3．5萬噸/天。該項目位于浙江省臺州市，地處浙東南沿海的樂清灣東岸，為高含沙區(qū)，懸沙中值粒徑為0．003～0．0052 mm。海淡原水水質(zhì)：pH=8．0，懸浮物 105mg/L，TDS=37．13g/L，總硬度 52．13mmol/L。

該項目預(yù)處理工藝采用混凝澄清+超濾工藝，海水淡化系統(tǒng)采用雙膜法（超濾+反滲透）。工藝流程描述：首先，向原海水加入次氯酸鈉進(jìn)行殺菌、消毒，去除藻類等，后經(jīng)反應(yīng)沉淀池完成混凝澄清去除大顆粒懸浮物質(zhì)等，后進(jìn)入超濾系統(tǒng)去除掉大部分膠體和懸浮物，最后進(jìn)入反滲透脫鹽。超濾采用的是加拿大Zenon的超濾膜，為浸沒真空抽吸式。

工程項目運行幾年后，存在超濾膜污堵的問題，這主要是因為反應(yīng)沉淀池的產(chǎn)水自流到超濾膜池，而其穩(wěn)定性會受到潮差及溫度變化的雙重影響，當(dāng)反應(yīng)沉淀池運行不穩(wěn)定時，絮凝產(chǎn)物直接進(jìn)入膜池，堵在超濾膜表面，造成膜污染，然而超濾產(chǎn)水水質(zhì)一直是穩(wěn)定的。對膜污堵物進(jìn)行化學(xué)分析可得：鐵68．46%；硅，11．26%；鋁，5．59%；錳，3．25%；磷，2．31%；氯，2．42%；鈣，2．01%。為使反應(yīng)沉淀池出水穩(wěn)定，采取的措施有：① 反應(yīng)沉淀池增加回流裝置，根據(jù)實際情況調(diào)整反應(yīng)沉淀池排泥量；② 定期使用非氧化殺生劑對反應(yīng)沉淀池進(jìn)行殺生和粘泥剝離；③ 在超濾配水槽加鹽酸，加絮凝劑，調(diào)整來水pH值等。

（2）曹妃甸北控阿科凌膜法海水淡化項目。項目建成于2011年，產(chǎn)水設(shè)計規(guī)模為5萬噸/天。項目位于河北省唐山市曹妃甸新區(qū)，地處渤海灣的清潔海域，水質(zhì)略好于渤海灣其他區(qū)域。海水取水采用水渠水面下取水方式，并在取水泵房設(shè)置自動濾網(wǎng)，以去除海水中的大顆粒物質(zhì)。預(yù)處理采用淺層氣浮+超濾工藝，淺層氣浮可去除海水中的濁度、石油類和藻類等，保證后續(xù)超濾進(jìn)水安全；超濾之前設(shè)置自清洗過濾器，過濾精度150μm，超濾采用德國瑩格超濾膜元件。

（3）青島百發(fā)海水淡化項目。項目于2012年建成，產(chǎn)水設(shè)計規(guī)模為10萬噸/天。預(yù)處理采用微孔過濾器+超濾工藝。海水取水采用海床式取水，取水泵站的廊道上設(shè)置細(xì)格柵，去除直徑大于5mm的懸浮物質(zhì)。預(yù)處理采用過濾精度為100μm的微孔過濾器，在靜態(tài)混合器處投加三氯化鐵，以除去細(xì)小懸浮物。經(jīng)微孔過濾器后進(jìn)入超濾，超濾設(shè)計進(jìn)水總懸浮物濃度25mg/L，設(shè)計最小懸浮物去除率91%。

以上三個項目地點分別位于我國的東海、渤海和黃海，采用的預(yù)處理工藝都以超濾為終端工藝，但超濾之前的工藝由于海水來水水質(zhì)、取水方式、地質(zhì)與氣象條件不同而不盡相同。采用何種海水預(yù)處理工藝應(yīng)根據(jù)具體情況，通過試驗獲得方案選擇及設(shè)計的依據(jù)資料再確定，以保證海水淡化設(shè)備的正常運行，降低投資成本和運行成本。

5 結(jié)語

通過對海水淡化預(yù)處理方法的比較及特點分析，得出如下結(jié)論。

（1）近年來，我國近海海水水質(zhì)污染嚴(yán)重，整體來說，海水中懸浮物和濁度高，含有大量的有機(jī)物、微生物、細(xì)菌和藻類。海水淡化預(yù)處理效果的好壞是保證后續(xù)RO膜單元長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵所在。

（2）常用的傳統(tǒng)海水淡化預(yù)處理技術(shù)有：高效混凝沉淀池、高密度澄清池、氣浮-沉淀池、氣浮-濾池和臥式雙介質(zhì)過濾器等。傳統(tǒng)海水淡化預(yù)處理技術(shù)對海水的預(yù)處理效果不如膜法預(yù)處理技術(shù)。

（3）大量的試驗和工程項目表明，超濾與上述常規(guī)工藝組合或單獨用在膜法海水淡化預(yù)處理中是可行的。超濾具有抗沖擊能力強、不易受進(jìn)水水質(zhì)變化影響、抗污染性能較強、產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定和對鐵也有較好的去除效果等優(yōu)勢；其系統(tǒng)出水污染指數(shù)SDI15＜3，出水能完全滿足反滲透的進(jìn)水水質(zhì)要求，有效保證反滲透系統(tǒng)的安全運行。

（4）對于超濾來說，隨著技術(shù)的發(fā)展，制造成本的降低，新的膜材料的開發(fā)，能耗的降低以及工藝過程的不斷完善，其所具有的高效、節(jié)能等優(yōu)勢日益顯現(xiàn)，必將得到更大的推廣和應(yīng)用。

針對我國膜法海水淡化預(yù)處理系統(tǒng)，提出以下建議。

（1）我國海水淡化預(yù)處理系統(tǒng)沒有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，系統(tǒng)設(shè)置隨意性較大，出現(xiàn)問題后無法設(shè)置相應(yīng)的手段，建議相關(guān)部門及行業(yè)專業(yè)人士制定相關(guān)技術(shù)規(guī)范。

（2）建立各海域海水水質(zhì)數(shù)據(jù)庫，重視對海水水質(zhì)的分析，并研究海水調(diào)質(zhì)，如對加酸調(diào)pH的作用重新分析、研究和評價等。

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