采用新-前處理法和改進(jìn)膜性能

1、采用新-前處理法和改進(jìn)膜性能            摘要：反滲透海水淡化系統(tǒng)在以敞開(kāi)取水方式取用表層水時(shí)，為控制膜污染，必須設(shè)計(jì)各種前處理工藝。同時(shí)為維持膜性能能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采取了低水通量、低回收率的方法。近年來(lái)，海水淡化復(fù)合膜元件的性能指標(biāo)有了很大程度的改進(jìn)。同時(shí)，一種更有效的微濾膜技術(shù)也已在商業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。利用這些新的水處理技術(shù)，不僅能提高進(jìn)水質(zhì)量，而且能使經(jīng)過(guò)前處理后的地表水其水質(zhì)可與井水水質(zhì)相比甚至更好。這些新技術(shù)可增加系統(tǒng)的可靠性，降低

2、制水成本。本文將對(duì)新的前處理法在海水淡化系統(tǒng)中的實(shí)用價(jià)值進(jìn)行評(píng)述，評(píng)估這些方法在改進(jìn)RO海水淡化系統(tǒng)性能及經(jīng)濟(jì)性方面的潛力。 關(guān)鍵詞：前處理法 膜性能 反滲透  摘 要反滲透海水淡化系統(tǒng)在以敞開(kāi)取水方式取用表層水時(shí)，為控制膜污染，必須設(shè)計(jì)各種前處理工藝。同時(shí)為維持膜性能能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采取了低水通量、低回收率的方法。近年來(lái)，海水淡化復(fù)合膜元件的性能指標(biāo)有了很大程度的改進(jìn)。同時(shí)，一種更有效的微濾膜技術(shù)也已在商業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。利用這些新的水處理技術(shù)，不僅能提高進(jìn)水質(zhì)量，而且能使經(jīng)過(guò)前處理后的地表水其水質(zhì)可與井水水質(zhì)相比甚至更好。這些新技術(shù)可增加系統(tǒng)的可靠性，降低

3、制水成本。本文將對(duì)新的前處理法在海水淡化系統(tǒng)中的實(shí)用價(jià)值進(jìn)行評(píng)述，評(píng)估這些方法在改進(jìn)RO海水淡化系統(tǒng)性能及經(jīng)濟(jì)性方面的潛力。引 言利用反滲透技術(shù)進(jìn)行脫鹽的經(jīng)濟(jì)性正日益明顯，由于反滲透的技術(shù)水平不斷提高。目前，中低含鹽量苦咸水脫鹽所需的費(fèi)用可與常規(guī)水處理方法相競(jìng)爭(zhēng)的。特別是，當(dāng)距離很遠(yuǎn)，或需要各種水處理的情況下，使用反滲透技術(shù)的優(yōu)越性更為顯著。從價(jià)格上看，雖然海水淡化膜元件稍比苦咸水膜元件貴一些，但是海水的RO脫鹽費(fèi)用卻比苦咸水的RO脫鹽費(fèi)用高很多。原因之一是海水淡化系統(tǒng)所用水泵很貴，而且還需使用昂貴的耐腐蝕的合金管道，另外，海水淡化系統(tǒng)是靠敞開(kāi)取水的方式取水，且回收率相當(dāng)?shù)偷仍蚨荚斐珊Ｋ?/p>

4、系統(tǒng)前處理費(fèi)用大大高于苦咸水前處理系統(tǒng)所需費(fèi)用。在目前RO系統(tǒng)的投資比例中，膜元件費(fèi)用僅占制水成本的6%8%，設(shè)備費(fèi)及電費(fèi)占絕大部分。RO系統(tǒng)回收率是影響設(shè)備的總投資費(fèi)用以及運(yùn)行費(fèi)用的最主要因素。對(duì)于凈化系統(tǒng)而言，進(jìn)水量與回收率是成反比的關(guān)系，系統(tǒng)回收率直接影響到設(shè)備的規(guī)范及耗電量，但是就海水淡化RO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，回收率不能任意增加，因?yàn)榛厥章试礁?，進(jìn)水的含鹽量也越高，最終導(dǎo)致滲透壓增高，產(chǎn)品水含鹽量也增加。海水淡化膜技術(shù)的發(fā)展過(guò)程及其各項(xiàng)操作參數(shù)隨著膜技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)品水含鹽量與平均水通量成反比關(guān)系，水通量提高則可稀釋通過(guò)膜的鹽離子，從而降低產(chǎn)品水含鹽量。一般說(shuō)來(lái)，海水淡化系統(tǒng)的平均水通量保持在一個(gè)

5、相對(duì)低的量上，即進(jìn)水為地表水時(shí)為7-8gfd、進(jìn)水為靠岸邊的井水時(shí)為10gfd(16.8L/ m2·小時(shí))，上述兩種水源之所以采用不同的水通量，是因?yàn)榫|(zhì)要比地表水的好，因而對(duì)膜的污染現(xiàn)象也較少。通常在海水淡化系統(tǒng)中，使用的水通量較低，一般在50%（相對(duì)于苦咸水脫鹽），如果試圖在高水通量條件下運(yùn)行海水淡化系統(tǒng)，很可能造成不可逆的流量衰減現(xiàn)象。直到最近，由于膜元件脫鹽率的提高，因而可設(shè)計(jì)出一種新型工業(yè)用海水淡化RO系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的回收率。海水淡化RO系統(tǒng)的最大回收率主要受膜脫鹽率或產(chǎn)水水質(zhì)不能達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)的限制。從圖2所標(biāo)出的曲線(xiàn)可看出鹽透過(guò)率與回收率和水通量成函數(shù)關(guān)系變化。

6、該圖的實(shí)驗(yàn)條件是：進(jìn)水為含鹽量37,500ppm TDS的地中海水，進(jìn)水溫度為28，膜元件的回收率在4060%，水通量在811gfd，所用的膜元件公稱(chēng)脫鹽率為99.6%，在計(jì)算產(chǎn)水水質(zhì)時(shí)，將鹽透過(guò)率提高了15%后進(jìn)行計(jì)算，這是由于考慮到膜平均壽命為3年，每年膜的鹽透過(guò)率增加5%（每年應(yīng)有20%的膜元件需要更換），由圖可看出，如果需要得到較高的回收率，水通量將超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值8gfd。這樣做可保證理想的產(chǎn)水含鹽量，特別是當(dāng)進(jìn)水溫度較高時(shí)，更是如此。目前存在著幾個(gè)最突出的問(wèn)題，一是海水淡化系統(tǒng)的最佳回收率是多少時(shí)，能夠使產(chǎn)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統(tǒng)達(dá)到所要求的回收率，三是當(dāng)進(jìn)

7、水為地表海水時(shí)，RO膜可否在較高的水通量下運(yùn)行。    2007-05-17            凈化過(guò)程中所需費(fèi)用眾所周知，系統(tǒng)回收率的大小直接影響到海水淡化RO系統(tǒng)的投資費(fèi)用。增加回收率，則會(huì)減少所有工藝設(shè)備的容量（因?yàn)檫@些設(shè)備容量由給水流量及濃水流量決定），同時(shí)也會(huì)影響到供水系統(tǒng)的容量及取水泵的能耗，影響到所有預(yù)處理設(shè)備的容量，因?yàn)橘A水槽、泵、過(guò)濾設(shè)備以及所使用的化學(xué)加藥設(shè)備的配置都是由給水流量所決定的。另外，還要考慮到濃水管道

8、及出水設(shè)備的配套使用。工程設(shè)計(jì)中，水通量的選取會(huì)影響到凈化設(shè)備中需安裝多少支膜元件、多少壓力容器、管路的連接方式以及RO系統(tǒng)滑架的大小。為了使用戶(hù)能夠根據(jù)上述各種需要更精確地估算出整個(gè)凈化設(shè)備安裝所需投資金額，本文在表1中做了詳細(xì)說(shuō)明。表1的例子的操作條件是：進(jìn)水為地中海水，采用敞口取水方式，系統(tǒng)產(chǎn)水量為6mgd(22,7000m3/天)。通常在進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，成本估算可參考G. Leitner(3)，P.Shidlds和I. Mock(4)二篇文章中所提供的參考數(shù)據(jù)。(3)、(4)均為本文列出的參考文獻(xiàn)。表1列出了在基本設(shè)計(jì)和具有高回收率、高水通量的HRF系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需設(shè)備成本費(fèi)用的比較

9、（包括35%間接成本），由表1可看出基本設(shè)計(jì)的回收率為45%，水通量為8gfd、HRF設(shè)計(jì)水的回收率為55%，水通量為11gfd。表1  兩種設(shè)計(jì)投資費(fèi)用之比較(以1000US$為單位)投資細(xì)目基本設(shè)計(jì)回收率45%水通量8gfdHRF設(shè)計(jì)，回收率55%水通量11gfd設(shè)備成本變化%取水和排水940830-11.7前處理5,0004,390-12.2膜元件2,0001,450-27.5工藝設(shè)備16,05013,650-15.0產(chǎn)品水處理4004000場(chǎng)地670640-45總費(fèi)用25,06021,360-14.8特殊費(fèi)用($/m3·天)1,104940-14.8從表1中列出的兩

10、種設(shè)計(jì)方法各項(xiàng)費(fèi)用來(lái)看，可得出這樣一個(gè)結(jié)論：即如果設(shè)備的回收率和水通量高，可使總投資費(fèi)用低（相對(duì)于回收率和水通量低的設(shè)備而言），因此，采用高回收率的設(shè)備可大大降低制水的成本。但是，如果使用這樣的設(shè)備，由于其具有高回收率和高水通量則要求進(jìn)水壓力也相應(yīng)提高，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較高的功耗。在圖3中，我們標(biāo)出了回收率與進(jìn)水壓力之間的變化關(guān)系 率為50%，對(duì)應(yīng)的特殊功耗為最小值。如果將設(shè)計(jì)回收率定為55%，通量為11gfd，其結(jié)果是高壓泵的特殊功耗從4.2kwh/m3增加到4.6kwh/m3，圖中的進(jìn)水溫度為18，即18時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)變化將造成特殊功耗有0.4kwh/m3的差異，如果進(jìn)水溫度為28，上述二種設(shè)

11、計(jì)的特殊功耗僅有0.3kwh/m3的差異，由此可見(jiàn)，溫度變化對(duì)功耗的影響不大。表2是標(biāo)準(zhǔn)條件（基礎(chǔ)設(shè)計(jì)）和高回收率、產(chǎn)水通量設(shè)計(jì)時(shí)的系統(tǒng)制水成本細(xì)目的比較。表2  在RO海水淡化系統(tǒng)中回收率和水通量二參數(shù)的不同對(duì)產(chǎn)品水成本的影響水成本(US$)基本設(shè)計(jì)回收率為45%水通量為8gfdHRF設(shè)計(jì)回收率為55%水通量為11gfd水成本變化%設(shè)備費(fèi)03200275-4.0換膜元件00500037-26.0維修、保養(yǎng)00950084-12.0功耗02520276+9.5化學(xué)試劑和保安過(guò)濾器濾芯00600050-17.0勞動(dòng)力00500040-20.0產(chǎn)品水總費(fèi)用($/m3)08270762-7

12、.9計(jì)算水的費(fèi)用的幾個(gè)參考因素為：8%的利率、設(shè)備壽命20年、更換8”海水淡化膜元件的費(fèi)用$800、維修費(fèi)（設(shè)備費(fèi)的3%）、電費(fèi)$0.06/kwh、工廠(chǎng)開(kāi)工效率95%等，除此之外，還要把前處理系統(tǒng)中使用的化學(xué)試劑，如：氯、無(wú)機(jī)絮凝劑、聚合物、亞硫酸氫鈉、阻垢劑等費(fèi)用計(jì)算進(jìn)去，最后，估算生產(chǎn)出水的總費(fèi)用。雖然提高回收率、增加水通量可以減少費(fèi)用，但是，要想使膜的性能在高水通量時(shí)仍能保持穩(wěn)定，就必須保證進(jìn)水質(zhì)量，對(duì)進(jìn)水進(jìn)行充分的前處理?？傊媒档屯顿Y費(fèi)用、改進(jìn)操作條件等手段，大約可使制水的成本降低8%。    2007-05-17  &

13、#160;     通常進(jìn)水壓力限定為70巴，這是受壓力容器的額定值所限，而與膜的穩(wěn)定性及卷式膜元件的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)：在加里福尼亞有一個(gè)規(guī)模很大的海水淡化裝置，在該裝置中海水淡化膜元件已在進(jìn)水壓力為75-80巴的條件下運(yùn)行了很長(zhǎng)時(shí)間。同時(shí)還進(jìn)行過(guò)在合理設(shè)計(jì)元件結(jié)構(gòu)和壓力容器條件下，使膜元件成功地運(yùn)行在壓力約為120巴的大規(guī)模海水淡化設(shè)備上，因而當(dāng)進(jìn)水溫度在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，進(jìn)水壓力超過(guò)83巴(1200psi)對(duì)膜元件的長(zhǎng)期性能不會(huì)有影響。    常規(guī)的前處理工序進(jìn)行前處理的目的是希望通過(guò)這一工序降低進(jìn)水的污染物

14、含量，提高進(jìn)水水質(zhì)，使給水水質(zhì)能夠保證膜元件的長(zhǎng)期、穩(wěn)定性能。在海水淡化系統(tǒng)中，膜污染現(xiàn)象會(huì)日益嚴(yán)重，其原因主要是因?yàn)樵谶M(jìn)水中存在著膠體和顆粒物質(zhì)、溶解有機(jī)物以及細(xì)菌的滋長(zhǎng)。在苦咸水淡化系統(tǒng)中位于尾部的膜元件上偶然能發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)物形成的垢，但對(duì)大多數(shù)海水淡化系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)這一問(wèn)題，同樣，由于較低的回收率以及高離子強(qiáng)度和低濃度的碳酸氫根離子，因此濃水中也非常不易形成難溶鹽的沉淀，由于顆粒、有機(jī)物及微生物生長(zhǎng)而引起的膜污染通常位于系統(tǒng)前部的膜元件上，根據(jù)文獻(xiàn)6、7的觀(guān)點(diǎn)，由于離子強(qiáng)度高，產(chǎn)品水通量大的原因，而加快了膠體污染現(xiàn)象的發(fā)生。海水中的高離子強(qiáng)度會(huì)減少膠體顆粒及顆粒與膜表面之間的相互排斥力，另外由于滲透水所形成的垂直于膜表面的驅(qū)動(dòng)力將使