膜法海水淡化集成測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

王曉玲，肖亞蘇，李 露，張 乾，吳云奇

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

1 前言

膜法海水淡化的發(fā)展體現(xiàn)在膜材料的更新?lián)Q代、膜工藝的改進(jìn)優(yōu)化、成本的日益降低。但我國對(duì)海水淡化的研究還不夠深入，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成創(chuàng)新能力較低，淡化裝備的開發(fā)和制造等方面能力與國際先進(jìn)水平仍有很大距離[1]。尤其在規(guī)模大型化后，針對(duì)海域水質(zhì)、用水水質(zhì)需求、成本要求不同，采用的工藝和操作條件都會(huì)不同，為此開發(fā)建設(shè)了膜法工藝集成測(cè)試平臺(tái)，將超濾、納濾、海水反滲透、高壓反滲透先模塊化，再應(yīng)用于一個(gè)小尺度的系統(tǒng)，并與常規(guī)預(yù)處理系統(tǒng)和濃鹽水處理系統(tǒng)組成全流程的膜法海水淡化測(cè)試平臺(tái)，用于多種工藝的測(cè)試、研發(fā)、中試，驗(yàn)證膜系統(tǒng)性能，預(yù)測(cè)大型系統(tǒng)中可能存在的問題。

2 海水淡化膜技術(shù)及其應(yīng)用

通過全膜法進(jìn)行淡化脫鹽已顯示出很好的前景。一般來說，膜法海水淡化工藝是將原料海水經(jīng)傳統(tǒng)預(yù)處理或膜法預(yù)處理后，用高壓泵打入反滲透膜，經(jīng)反滲透膜處理后分成兩股(濃鹽水和產(chǎn)品淡水)液流。為降低系統(tǒng)能耗，反滲透海水淡化中通常配置能量回收裝置回收濃水能量。典型的海水淡化膜技術(shù)有微濾(MF)技術(shù)、超濾(UF)技術(shù)、納濾(NF)技術(shù)、反滲透(RO)技術(shù)。反滲透是海水淡化脫鹽的核心，而微濾、超濾、納濾常作為反滲透的預(yù)處理技術(shù)，納濾還可作為反滲透或納濾濃水的再濃縮工藝。

在這些膜技術(shù)中，MF膜孔徑相對(duì)較大，一般0.01 μm～10 μm，在去除懸浮固體上效果明顯，可有效降低淤泥污染指數(shù)(SDI)值，且運(yùn)行費(fèi)用較低。UF膜孔徑一般0.001 μm～0.1 μm，不僅對(duì)水中懸浮固體有截留作用，對(duì)大分子、膠體和部分的細(xì)菌也有一定的去除作用。相比微濾，超濾連續(xù)性好、自動(dòng)化程度高、顆粒介質(zhì)去除率高，尤其適用于高污染的給水水源，如地表水、廢水或開放式進(jìn)水海水，超濾組件正向大型化、模塊化、高效化發(fā)展，用超濾代替微濾是海水淡化預(yù)處理的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

NF膜的作用效果則介于超濾和反滲透之間，NF膜對(duì)二價(jià)以上的離子及相對(duì)分子量較大的有機(jī)物的截留性能較好，對(duì)一價(jià)離子或者小分子的有機(jī)物的去除率則有限，因此納濾膜通常用于海水軟化，脫除海水中易導(dǎo)致結(jié)垢的二價(jià)的鈣鎂離子[1]。

隨著零排放技術(shù)和高鹽濃鹽水處置技術(shù)的發(fā)展，高壓反滲透用于海水淡化濃鹽水逐級(jí)濃縮減量化的技術(shù)成為行業(yè)發(fā)展的新方向，高壓反滲透膜產(chǎn)品的推廣使用也日益增長。尤其是NF+RO+HPRO的組合膜工藝，聯(lián)合蒸發(fā)結(jié)晶的方法，解決了高鹽廢水及分鹽零排放工藝中的難題，大大提升了處理效果。

3 平臺(tái)組成、功能

順應(yīng)膜法海水淡化上述前沿發(fā)展方向，傳統(tǒng)反滲透工藝與納濾、高壓反滲透結(jié)合是今后的研究熱點(diǎn)。該測(cè)試平臺(tái)集成UF、NF、SWRO、HPRO等工藝，采用實(shí)際海水，模擬多種預(yù)處理水質(zhì)和工況，從而提供集成工藝、安全供水研究和評(píng)價(jià)服務(wù)，并能夠?qū)﹃P(guān)鍵設(shè)備、材料進(jìn)行評(píng)價(jià)服務(wù)。作為海水淡化科研攻關(guān)中試試驗(yàn)平臺(tái)，具有海水淡化主流工藝通用性和可靠性的同時(shí)，還具有工藝創(chuàng)新性。膜法海水淡化集成測(cè)試平臺(tái)主要包括UF模塊、NF模塊、SWRO模塊、HPRO模塊，每個(gè)脫鹽模塊又包含一級(jí)一段、一級(jí)兩段、二級(jí)等多個(gè)子模塊，子模塊又根據(jù)能量回收的方式有PX、段間增壓泵、段間渦輪增壓的工藝區(qū)分，其具有以下功能和優(yōu)點(diǎn)：

(1)兼獨(dú)立性與集成性。平臺(tái)所建設(shè)的超濾、納濾、反滲透、高壓反滲透工藝分別模塊化，均可單獨(dú)與海水淡化常規(guī)預(yù)處理工藝結(jié)合形成單一的膜法海水淡化工藝系統(tǒng)，又可將其中的兩種或三種聯(lián)合組成新的工藝，達(dá)到梯級(jí)處理、分質(zhì)產(chǎn)水、減排降耗研究和開發(fā)的目的。

(2)兼通用性與創(chuàng)新性。納濾和反滲透常用工藝有單級(jí)、單段、一級(jí)兩段、二級(jí)，其國內(nèi)外常用的海水淡化能量回收方式為正位移式能量回收，一般為美國ERI公司生產(chǎn)的PX系列產(chǎn)品。該平臺(tái)在滿足這些常用工藝的基礎(chǔ)上，升級(jí)了段間增壓泵、段間渦輪增壓器兩種段間增壓方式；除了將納濾應(yīng)用于反滲透預(yù)處理，還能應(yīng)用于反滲透濃水分鹽處理；采用新型超高壓反滲透對(duì)海水淡化濃鹽水進(jìn)行再濃縮處理；上述單一工藝還能形成聯(lián)合工藝，用于模擬大型海水淡化工程工藝鏈過程，應(yīng)用覆蓋面廣。

(3)兼完整性與擴(kuò)展性。平臺(tái)涵蓋海水淡化預(yù)處理、淡化水分質(zhì)產(chǎn)水、濃鹽水再濃縮、濃鹽水分鹽等工藝，集成了全膜法海水淡化的所有工藝環(huán)節(jié)，每一個(gè)模塊又設(shè)有可擴(kuò)展接口和轉(zhuǎn)換工藝接口，切換不同工藝模式，適應(yīng)多種工藝的測(cè)試評(píng)價(jià)。如納濾和反滲透產(chǎn)水預(yù)留接口與蒸餾海水淡化或電滲析相結(jié)合，膜元件可根據(jù)需要安裝不同性能的膜元件擴(kuò)展工藝測(cè)試范圍。這些設(shè)計(jì)理念有利于與其它新技術(shù)新工藝結(jié)合，適應(yīng)未來發(fā)展需要，有利于今后的推廣應(yīng)用。

4 平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 典型工藝

該平臺(tái)可對(duì)多種全膜法海水淡化工藝進(jìn)行測(cè)試，由UF、NF、SWRO、BWRO、HPRO模塊組成，其中，超濾模塊作為所有脫鹽模塊的預(yù)處理，常規(guī)工藝均能實(shí)現(xiàn)一級(jí)一段、一級(jí)兩段、二級(jí)等工藝子模塊，一級(jí)兩段工藝又能形成直接通過式、段間增壓泵式、渦輪增壓器式工藝，這些工藝是膜法海水淡化基本工藝，這里不再贅述。

這些工藝模塊及其子模塊可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求，形成聯(lián)合集成工藝，用以解決工業(yè)生產(chǎn)中的難題。典型工藝如下。

(1)UF-NF-SWRO產(chǎn)水梯級(jí)工藝[3，6]。如圖1，納濾為反滲透預(yù)處理，產(chǎn)水作為反滲透進(jìn)水，反滲透濃水回流與原料水混合后作為納濾進(jìn)水或外排，納濾濃水外排，反滲透產(chǎn)水為產(chǎn)品水。相當(dāng)于反滲透作為納濾的二級(jí)處理，提高產(chǎn)品水質(zhì)。該工藝中納濾一般采用一級(jí)兩段處理，也可將納濾部分產(chǎn)水進(jìn)行反滲透處理，是一種梯級(jí)產(chǎn)水工藝，可用于海水軟化，提高淡水品質(zhì)和回收率，同時(shí)降低反滲透的操作壓力。

圖1 UF-NF-SWRO產(chǎn)水梯級(jí)工藝Fig.1 Cascade process of UF-NF-SWRO permeat

(2)UF-NF-HPRO濃縮梯級(jí)工藝[7]。如圖2，納濾濃鹽水作為反滲透濃縮模塊的進(jìn)水，相當(dāng)于進(jìn)行二級(jí)濃縮，反滲透的濃鹽水為高濃度濃鹽水，反滲透產(chǎn)水為產(chǎn)品水，納濾可根據(jù)含鹽量進(jìn)行分質(zhì)供水，或者將反滲透產(chǎn)水和納濾產(chǎn)水混合供水。該工藝是一種逐級(jí)濃縮工藝，可用于提高濃縮倍率，減少排放，減少反滲透系統(tǒng)結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，也可給制鹽工藝提供高濃度水質(zhì)。

圖2 UF-NF-HPRO濃縮梯級(jí)工藝Fig.2 Cascade process of UF-NF-HPRO concentration

(3)UF-SWRO-NF濃縮軟化工藝[8]。如圖3，反滲透的濃鹽水作為納濾的進(jìn)水，納濾產(chǎn)水回流至反滲透前與超濾混合后作為反滲透的進(jìn)水，納濾濃縮液可為高濃度濃鹽水同時(shí)進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶等回收再利用，反滲透產(chǎn)水為產(chǎn)品水。該工藝是一種濃縮軟化工藝，可用于海水淡化濃鹽水濃縮分離和高鹽濃水減量化處理。

圖3 UF-SWRO-NF濃縮軟化工藝Fig.3 Concentration and softening process of UF-SWRO-NF

(4)UF-SWRO-NF-HPRO節(jié)能減排工藝[9]。如圖4，它由單級(jí)反滲透(SWRO)和三級(jí)滲透液循環(huán)NF-HPRO組成，SWRO的高壓濃水經(jīng)是三級(jí)滲透液循環(huán)NF-HPRO的進(jìn)料，三級(jí)滲透液循環(huán)NF-HPRO即二級(jí)NF滲透液循環(huán)至一級(jí)NF高壓進(jìn)料側(cè)，HPRO滲透液循環(huán)至二級(jí)NF高壓進(jìn)料側(cè)。該工藝與常規(guī)SWRO工藝相比，在相同的總回收率下，滲透壓差分別比SWRO降低33%，降低能耗，同時(shí)能夠得到高濃度的濃鹽水，減少鹽水處理量，是一種節(jié)能減排工藝，最終高濃度濃鹽水可結(jié)合蒸餾工藝，用于海水淡化節(jié)能減排和提供制鹽工藝原料。

圖4 UF-SWRO-NF-HPRO節(jié)能減排工藝Fig.4 Energy saving and emission reduction process of UF-SWRO-NF-HPRO

4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)超濾(UF)模塊。最大產(chǎn)水量40 m3/h，套內(nèi)每支超濾膜組件都能單獨(dú)運(yùn)行，也可同時(shí)運(yùn)行。采用外壓式中空纖維膜，膜絲材質(zhì)為PVDF。超濾裝置可全量過濾方式。超濾裝置考慮水質(zhì)較差的情況下，采用錯(cuò)流過濾方式，錯(cuò)流過濾水量按10%考慮。

(2)納濾(NF)模塊。共兩級(jí)，可獨(dú)立運(yùn)行，回收率可在45%～70%之間調(diào)節(jié)。一級(jí)采用一級(jí)兩段6芯設(shè)計(jì)，產(chǎn)水量12 m3/h～15 m3/h，最大給水壓力3.87×106Pa。二級(jí)采用一級(jí)兩段4芯設(shè)計(jì)，產(chǎn)水量8 m3/h～9 m3/h。

(3)反滲透(SWRO)模塊。一級(jí)兩段6芯設(shè)計(jì)，產(chǎn)水量6.5 m3/h～7.5 m3/h，最大給水壓力6.0×106Pa。段間設(shè)有增壓泵和渦輪能量回收裝置兩種工藝，回收率可在40%～50%之間調(diào)節(jié)。

(4)反滲透(BWRO)模塊。一級(jí)兩段4芯設(shè)計(jì)，1 ∶1排列，產(chǎn)水量4.75 m3/h～5 m3/h，采用4寸苦咸水膜元件。

(5)高壓反滲透(HPRO)模塊。一級(jí)一段6芯設(shè)計(jì)，采用8寸高壓反滲透膜元件，每只膜可單獨(dú)控制，由于設(shè)計(jì)處理納濾和反滲透濃水，根據(jù)來水水質(zhì)和水量，回收率可在30%～45%之間處理，處理量7.5 m3/h～12 m3/h。

5 結(jié)語

膜法海水淡化集成測(cè)試平臺(tái)用于模擬全膜法海水淡化新工藝、新產(chǎn)品的研發(fā)和測(cè)試，在天津市臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)示范基地建成，可針對(duì)膜法海水淡化關(guān)鍵設(shè)備、部件、材料自主創(chuàng)新不足及成果轉(zhuǎn)化困難的現(xiàn)狀，開展工藝優(yōu)化和大型海水淡化可行性研究和技術(shù)評(píng)價(jià)。