低溫低濁度海水淡化高效預處理試驗研究

張所新，張曉東，于崇濤，楊鑫，姜麗娜，李珂，王鈞，陳景光，隋春曉，周利

（1.青島海水淡化有限公司，山東青島 266034； 2.世帆工程設計有限公司，山東青島 266034；3.青島理工大學，山東青島 266034）

反滲透膜法海水淡化技術是近年來工業(yè)化應用最多的兩大海水淡化技術之一。由于反滲透膜對進水的水質要求嚴格，因此對海水進行預處理是反滲透海水淡化技術的必要環(huán)節(jié)〔1〕。而超濾技術是近幾年我國水務行業(yè)迅速發(fā)展起來的反滲透膜法預處理技術，能夠保證海水反滲透系統的進水水質標準要求。但其存在投資大、運行成本高、膜需定期更換等問題，很大程度上限制了海水淡化產業(yè)的進一步發(fā)展。如何選擇合理的預處理工藝促使海水淡化技術大規(guī)模地投入使用，己經成為了海水淡化產業(yè)亟需解決的技術難題，也是海水淡化技術是否能進一步發(fā)展的關鍵。

膠州灣位于黃海中部，膠東半島南岸，屬于典型的半封閉海灣，其與外海域的自然交換弱，水質受氣象、季節(jié)變化及岸灘條件影響明顯。顯著特征表現為夏季藻類多、濁度大、冬季溫度低、濁度小〔2〕。膠州灣是重要的經濟發(fā)展區(qū)域，近年來，青島市加大了海水淡化投資力度以應對青島市水資源短缺的問題。因此，針對膠州灣海域的水質特點，開展反滲透海水淡化預處理工藝研究來降低海水淡化的運行成本能有效促進區(qū)域建設和發(fā)展。

本試驗針對反滲透海水淡化技術及膠州灣地區(qū)海水冬季低溫低濁的特點，開展了混凝+三級過濾及混凝+氣浮+三級過濾預處理工藝的中試研究，研究了不同工況下兩種預處理工藝的出水水質情況，并與傳統超濾工藝在運行成本和投資成本方面進行了對比分析，旨在為反滲透法海水淡化提供一種出水水質穩(wěn)定且投資及運行成本較低的預處理工藝，從而替代傳統超濾工藝作為反滲透膜法海水淡化的預處理，有效解決了膠州灣地區(qū)冬季低溫低濁海水淡化產水率低、能耗高等問題。目前，針對膠州灣海域水質特點開展反滲透海水淡化預處理工藝的研究尚未見報道，且現有使用膠州灣海水的海水淡化廠都采用超濾作為預處理工藝，因此開展此研究具有較大的工程應用價值。

1 試驗裝置及方法

1.1 原水水質

試驗海水為膠州灣青島百發(fā)海水淡化工程取水，試驗時間為2021年12月—2022年3月，測定期間最低溫度為-7 ℃，最高溫度為18 ℃，試驗原水水質見表1。

表1 試驗原水水質Table 1 Experimental seawater quality

1.2 工藝流程

試驗采用混凝+三級過濾和混凝+氣浮+三級過濾的預處理工藝，具體流程分別見圖1、圖2。

圖1 混凝+三級過濾工藝流程Fig. 1 Flow chart of coagulation+three-stage filtration process

圖2 混凝+氣浮+三級過濾工藝流程Fig. 2 Flow chart of coagulation+air flotation+three-stage filtration process

混凝+三級過濾工藝：海水首先進入混合池，混合時間控制在1～2 min。絮凝池分兩級絮凝，絮凝總時間為15～30 min，一級絮凝槳板邊沿的線速度為0.5 m/s；二級絮凝槳板邊沿的線速度為0.2 m/s。出水經過加壓泵，按試驗順序泵入石英砂無煙煤過濾器（濾層厚度為1.0～1.2 m）、石英砂過濾器（濾層厚度為0.9～1.2 m）及活性炭吸附過濾器（濾層厚度為1.5～3.0 m）。

混凝+氣浮+三級過濾工藝：海水首先進入混合池，混合時間控制在1～2 min。絮凝池分兩級絮凝，絮凝總時間為15～30 min，一級絮凝槳板邊沿的線速度為0.5 m/s；二級絮凝槳板邊沿的線速度為0.2 m/s。出水進入加壓溶氣氣浮池，停留時間為15 min，氣浮出水經加壓泵按試驗順序依次經過石英砂無煙煤過濾器（濾層厚度為1.0～1.2 m）、石英砂過濾器（濾層厚度為0.9～1.2 m）及活性炭吸附過濾器（濾層厚度為1.5～3.0 m）。

1.3 分析方法

試驗中濁度采用GB/T 5750.4—2006《生活飲用水標準檢驗方法 感官性狀和物理指標》散射法測定；污染指數（SDI15）采用TW61M型SDI測定儀測定；UV254采用DSZJC-DMZ-FB21測定儀測定；總磷采用GB/T 11893—1989《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》鉬酸銨分光光度法測定；CODMn采用GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范 第4部分：海水分析》中的堿性高錳酸鉀法測定；總氮采用QDSZJCDMZ-FB11測定儀測定；鋁膠體、鐵膠體采用GB/T 5750.6—2006《生活飲用水標準檢驗方法 金屬指標》電感耦合等離子體發(fā)射光譜法；二氧化硅采用SL 91.1—1994硅鉬黃分光光度法。

2 結果及討論

2.1 混凝劑種類及投加量的確定

試驗選用市售的FeCl3和PAC兩種混凝劑，其中FeCl3質量分數為96%，PAC有效固體質量分數（以Al2O3計）為30%，自行配制試驗需要的質量濃度。

在pH=7.0的條件下，通過混合絮凝后出水SDI15的變化情況確定最佳混凝藥劑及投加量?？焖倩旌蠑嚢杷俣葹?50 r/min，混合時間為2 min；一級絮凝攪拌速度為50 r/min，絮凝時間為6 min；二級絮凝攪拌速度為20 r/min，絮凝時間為10 min；濾速為8 m/h，分別經過石英砂/無煙煤過濾器、石英砂過濾器、活性炭吸附過濾器三級過濾，不同混凝劑處理效果見圖3。

圖3 FeCl3、PAC投加量對出水SDI15的影響Fig.3 SDI15 of effluent with different dosage of FeCl3 and PAC

由圖3可知，用FeCl3作為混凝劑，當投加量為12 mg/L時，經混凝過濾后出水SDI15最低為4.1；用PAC作為混凝劑，當投加量為10 mg/L時，經混凝過濾后出水SDI15最低為2.9，優(yōu)于FeCl3，隨著PAC投加量的繼續(xù)增加，SDI15值逐漸增大，這是因為混凝過程雖然對SDI15的去除很有效果，但過量投加的混凝劑殘留在水中會明顯導致出水SDI15增加〔3〕。因此，本試驗確定采用PAC作為絮凝劑，最佳投加量為10 mg/L。

2.2 過濾濾速的確定

選用PAC作為混凝劑，在上述實驗條件下測定不同過濾速度下出水SDI15的變化情況，確定最佳過濾速度，結果見圖4。

圖4 濾速對出水SDI15的影響Fig. 4 SDI15 of effluent with different filtration rate

由圖4可知，隨著濾速的增加，出水SDI15不斷增大，當濾速為8 m/h時，出水SDI15為3.0。反滲透膜元件對進水水質要求較高，SDI15一般要求≤5，為了延長膜元件使用壽命，保證反滲透系統長期穩(wěn)定運行，工程中一般要求反滲透進水SDI15小于3。本試驗確定濾速≤8 m/h，出水SDI15可滿足反滲透膜的進水要求。

2.3 兩種工藝出水水質分析

本試驗分別考察了SDI15、濁度、CODMn、膠體及UV254在濾速為8 m/h，混凝劑PAC投加量為10 mg/L條件下兩種工藝的去除效果。

2.3.1 SDI15去除效果

SDI15是判斷反滲透預處理工藝處理效果的重要指標。試驗期間兩種預處理工藝在最佳運行條件下的出水SDI15的變化情況見圖5。

圖5 兩種預處理工藝對SDI15的處理效果Fig. 5 Removal efficiency of SDI15 by two sets of technology

由圖5可知，在試驗運行期間1月5日溫度最低（-9～-18 ℃），3月16日溫度最高（4～13 ℃）?？傮w來說，混凝+氣浮+三級過濾工藝的出水SDI15低于混凝+三級過濾工藝的，其中混凝+氣浮+三級過濾出水SDI15≤2.7，混凝+三級過濾出水SDI15≤3.0，均能滿足反滲透對進水SDI15的要求。其中1月5日溫度最低，兩種工藝的出水SDI15均出現降低的現象。這是因為，水的黏度隨著溫度的降低而增大，SDI15測定時的濾速減小，相同時間截留的污染物減小，導致SDI15降低〔4〕。

2.3.2 濁度去除效果

試驗期間兩種預處理工藝在最佳運行條件下，出水濁度的變化情況見圖6。

圖6 兩種預處理工藝對濁度的處理效果Fig. 6 Removal efficiency of turbidity by two sets of technology

由圖6可知，在試驗運行期間混凝+氣浮+三級過濾工藝對濁度的處理效果明顯優(yōu)于混凝+三級過濾工藝，處理后出水濁度較低，其中混凝+氣浮+三級過濾出水平均濁度為0.27 NTU，低于0.3 NTU，混凝+三級過濾出水濁度低于0.6 NTU，膜生產廠商建議RO膜進水濁度低于0.3 NTU，混凝+氣浮+三級過濾出水基本滿足該要求。

2.3.3 CODMn去除效果

分子質量大、疏水性帶正電的有機物極易被吸附于膜表面，一般規(guī)定反滲透膜進水CODMn宜≤2 mg/L，否則需要考慮增加前處理〔5〕。兩種預處理工藝對CODMn的處理效果見圖7。

圖7 兩種預處理工藝對CODMn的處理效果Fig. 7 Removal efficiency of CODMn by two sets of technology

由圖7可知，在試驗運行期間混凝+氣浮+三級過濾工藝對CODMn的最大去除率為54.89%，混凝+三級過濾工藝對CODMn的最大去除率為46.81%，因原海水CODMn較低，兩種工藝去除效率不高，但出水CODMn均≤2 mg/L，能滿足反滲透系統進水要求。其中混凝+氣浮+三級過濾去除效果優(yōu)于混凝+三級過濾工藝。

2.3.4 膠體去除效果

試驗期間兩種預處理工藝在最佳運行條件下，出水膠體變化情況見圖8。

圖8 兩種預處理工藝對出水膠體的處理效果Fig.8 Removal efficiency of colloid by two sets of technology

由圖8可知，在試驗運行期間混凝+氣浮+三級過濾工藝對3種膠體的處理效果明顯優(yōu)于混凝+三級過濾工藝。原海水中二氧化硅膠體質量濃度<0.4 mg/L，其次是鐵膠體質量濃度<0.28 mg/L，鋁膠體質量濃度<0.1 mg/L。兩種工藝處理后，鐵膠體及鋁膠體質量濃度較低，其中混凝+氣浮+三級過濾工藝出水均低于0.06 mg/L，而且部分出水沒有檢出，基本滿足部分膜廠商建議的RO進水鐵、鋁膠體質量濃度低于0.05 mg/L的要求；混凝+氣浮+三級過濾出水二氧化硅膠體質量濃度低于0.25 mg/L，混凝+氣浮+三級過濾出水低于0.2 mg/L。

2.3.5 UV254去除效果

UV254能夠反應水中天然存在的腐殖酸類大分子有機物以及含C= = C雙鍵和C= = O雙鍵的芳香族化合物的濃度。而腐殖酸類物質因其多種官能團能夠與水中金屬離子絡合，會增加膠體的穩(wěn)定性，影響RO膜產水通量〔3〕。試驗期間兩種預處理工藝在最佳運行條件下，出水UV254的變化情況見圖9。

圖9 兩種預處理工藝對UV254的處理效果Fig. 9 Removal efficiency of UV254 by two sets of technology

由圖9可知，在試驗運行條件下混凝+氣浮+三級過濾工藝對UV254的處理效果明顯優(yōu)于混凝+三級過濾工藝，處理后出水UV254≤1.8 mg/L，UV254去除率≥43.0%；混凝+三級過濾出水UV254≤2.2 mg/L，UV254去除率≤30.3%。

2.4 氣浮工藝分析

氣浮工藝是依靠微氣泡，使其黏附于絮體顆粒上，從而實現絮體顆粒強制性上浮，達到固液分離的一種工藝。由于氣泡的密度遠小于水，浮力很大，因此能促使絮體顆粒迅速上浮，因而提高了固液分離速度。氣浮工藝除能去除濁度外，對油脂等有機物，尤其是藻類有良好的去除效果，而且藥耗較少，出水水質較好。

分析膠州灣海水多年來的數據，95%的情況下濁度均在18.9 NTU以下，說明膠州灣海水懸浮物濃度一直處在較低范圍；并且由于膠州灣處于我國北方，冬季水溫較低，對于低溫低濁水，氣浮的處理效果較好。另外，春季原海水中總氮濃度較高，膠州灣碼頭較多，海水水質存在油類污染甚至富營養(yǎng)化的可能。去除藻類、油脂、有機物等是膠州灣海水預處理的主要目標之一。所以采用混凝+氣浮+過濾工藝的處理效果要優(yōu)于混凝+過濾工藝。

2.5 運行成本分析

根據實際工程經驗，傳統膜法海水淡化工藝，超濾膜工藝投資約為700元/t，混凝+氣浮+三級過濾工藝投資約為200元/t。在本試驗條件下，結合實際項目運營情況分析了混凝+氣浮+三級過濾工藝的能耗、藥耗情況，具體運行成本分析見表2。

表2 運行成本分析Table 2 Operating cost analysis元/m3

由表2可知，混凝+氣浮+三級過濾作為反滲透膜法海水淡化預處理工藝，運行成本遠低于超濾膜工藝，在低溫低濁度海水淡化工程應用中具有明顯優(yōu)勢。

3 結論

混凝+氣浮+三級過濾工藝對低溫低濁度海水的預處理效果較好?；炷?氣浮+三級過濾工藝出水SDI15穩(wěn)定小于3.0，出水濁度低于0.4 NTU，CODMn穩(wěn)定小于2.0 mg/L，鐵、鋁膠體質量濃度低于0.05 mg/L，二氧化硅膠體質量濃度低于0.2 mg/L，UV254低于1.8 mg/L。

混凝+氣浮+三級過濾工藝，運行成本低至0.2300元/m3，約比超濾膜工藝低0.1863元/m3。

綜合對比兩種工藝出水水質、運行穩(wěn)定性及運行成本，建議將混凝+氣浮+三級過濾工藝作為低溫低濁度反滲透海水淡化優(yōu)選預處理工藝。