海水淡化反滲透復合膜的技術進步

海水淡化反滲透復合膜的技術進步

自1960年以來，世界淡水資源的總排放量已增加到2300443/d，年增長率為10%30%。供養(yǎng)的人口不僅有中東的若干國家,還有美國、俄國、日本、意大利、西班牙等發(fā)達國家的部分地區(qū),達1億之眾。從海水淡化的技術種類來說,目前主要的還是蒸餾法,但是,反滲透海水淡化技術由于其設備投資省、能量消耗低、建造周期短等諸多優(yōu)點,近10年來發(fā)展速度很快,目前最大的反滲透海水淡化廠產(chǎn)水規(guī)模已經(jīng)達到11×104m3/d,在21世紀將與蒸餾法一起成為海水淡化的主導技術。1海水反滲透淡化技術經(jīng)過近40年的不懈努力,反滲透技術已經(jīng)取得了令人矚目的進展。目前反滲透膜與組件的生產(chǎn)已經(jīng)相當成熟,膜的脫鹽率高于99.3%,透水通量大大增加,抗污染和抗氧化能力不斷提高,銷售價格穩(wěn)中有降;反滲透的給水預處理工藝經(jīng)過多年的摸索基本可保證膜組件的安全運行;高壓泵和能量回收裝置的效率也在不斷提高。以上措施使得反滲透淡化的投資費用不斷降低,淡化水的成本明顯下降。反滲透海水淡化的技術進步表現(xiàn)在如下方面:①反滲透膜的性能明顯提高1978年成功地開發(fā)了海水淡化反滲透復合膜(采用脂肪族聚酰胺復合物為材料)至今,經(jīng)過近20年的不斷發(fā)展,海水淡化反滲透復合膜的性能已經(jīng)有了較大的提高,目前的反滲透復合膜系采用芳香族聚酰胺的材料,特征水通量是1978年的2倍,鹽的透過率大約為1978年的四分之一。如此的技術進步使得海水淡化制取飲用水從原來的二級流程簡化為目前的一級流程,且膜的價格穩(wěn)中有降。②功交換器的研制成功據(jù)報導,一種新型能量回收裝置已經(jīng)成功地用于NewProvidece島的13600m3/d和Cayman島的5000m3/d海水反滲透淡化系統(tǒng)上。這種能量回收裝置稱為功交換器,將排放的濃鹽水壓力傳給補給海水,轉(zhuǎn)換效率高達89%~96%。由于濃鹽水的能量回收充分,據(jù)測算系統(tǒng)的噸水能量消耗僅為2.6kW·h。這種功交換器是1998年反滲透海水淡化技術的一個新里程碑,更為意義重大的是該數(shù)據(jù)是從商業(yè)規(guī)模的淡化裝置上得來的。③段間能量回收透平的成功應用1996年6月,佛羅里達水服務公司(FloridaWaterServiceCorp.)在Marco島對現(xiàn)有的15000m3/d苦咸水淡化系統(tǒng)進行了工藝改造,使第二段排放的濃鹽水通過段間能量回收透平用于提高該段的進料水壓力,從而提高了第二段膜堆的產(chǎn)水量。通過如此改造,系統(tǒng)的產(chǎn)水量增加3780m3/d,增幅達25%。段間能量回收透平適合于苦咸水或鹽含量較低的海水淡化系統(tǒng),它可以增加系統(tǒng)的產(chǎn)水量或降低系統(tǒng)的能量消耗。④微濾技術用于海水預處理鑒于傳統(tǒng)地加入化學藥劑和二級過濾的預處理技術不一定能很好地去除進料海水中的膠體類物質(zhì),提出了利用膜處理作為反滲透預處理工藝流程。該流程的核心是采用大孔徑中空纖維超濾或微濾膜,超濾膜的截留分子量為(10~20)×104u,微濾膜的孔徑為0.2μm。經(jīng)過一定的工業(yè)規(guī)模運行,膜技術的預處理工藝已經(jīng)基本成熟,并具有如下兩個新穎性能:a.可自動、頻繁脈沖式?jīng)_洗中空纖維管(某些型號采用反洗),其特點是通過短時間的停運來保持穩(wěn)定的產(chǎn)水通量。b.可在一很低的橫流速度下工作,甚至可以在單向流動狀態(tài)下工作(全流過濾)。采用微濾(或超濾)作為海水反滲透的預處理,不需要加入絮凝劑、殺菌劑和余氯脫除劑等化學藥品,同時也省去了保安過濾器,將反滲透的進水水質(zhì)從傳統(tǒng)處理方法的SDI<3改進到SDI<1,且不使反滲透的預處理成本明顯增加。此技術由于改進了進水水質(zhì),不僅延長了反滲透膜的使用壽命,而且有助于提高系統(tǒng)的回收率、降低運行費用。⑤納濾技術在預處理中的應用沙特阿拉伯的SWCC成功地開發(fā)出了納濾(NF)作為海水的預處理技術,用于脫除硬度和總?cè)芙夤腆w,從而提高海水反滲透的操作壓力和系統(tǒng)的回收率,保證膜組件的運行安全?；谕瑯拥牡览?納濾也可以用于多級閃蒸和多效蒸餾的給水預處理,提高設備的運行溫度,從而提高造水比。如采用納濾作為海水預處理,并將海水反滲透和多級閃蒸結合起來,可以使系統(tǒng)的回收率提高到90%。SWCC公司已經(jīng)將納濾作為海水預處理的技術申請了專利。⑥淡化成本的明顯下降由于膜的性能不斷提高,高壓泵和能量回收裝置的性能持續(xù)進步,各種預處理新工藝的不斷提出,促使設備的運行管理更為簡單;更由于國際市場一體化的傾向,加大了海水淡化工程公司之間的競爭,使得設備的投資費用不斷降低,從而使反滲透海水淡化的造水成本不斷下降。其明顯例子是塞浦路斯分別于1995年和1998年對2×104m3/d的海水淡化工程進行國際招標,淡化水的最低報價從1995年的1.22美元/m3下降到1998年的0.782美元/m3,下降幅度高達36%。2苦咸水海水淡化工程據(jù)初步估計,國內(nèi)運轉(zhuǎn)的產(chǎn)水量大于100m3/d的反滲透淡化裝置總數(shù)量不少于500臺。這些反滲透淡化裝置的淡化對象大多數(shù)屬于地表水、自來水或苦咸水,用于海水淡化的只有浙江省嵊山鎮(zhèn)的500m3/d反滲透淡化工程、浙江省嵊泗縣馬跡山的350m3/d反滲透淡化工程以及遼寧省長海縣的1000m3/d反滲透淡化工程。另外,河北滄州化學工業(yè)股份有限公司于1999年進行了18000m3/d高濃度苦咸水淡化工程的招標,預計該工程將于明年底投產(chǎn)運行。表1列出了以上四個工程的技術參數(shù)。3海水淡化工程所取得的成績目前,國內(nèi)的四個海水(苦咸水)淡化工程中有三個已經(jīng)投入運行使用,從運行的實際效果來看,基本達到了設計要求。嵊山鎮(zhèn)和長?？h的海水淡化工程在天旱無雨、水庫枯竭的情況下,保證了海島人民的飲水,發(fā)揮了巨大的作用和效益。從主體設備的供貨渠道上看,其中兩個工程的設備供貨是引進器件的國內(nèi)成套,說明國內(nèi)已經(jīng)基本掌握了海水反滲透淡化工程的設計、供貨、安裝、調(diào)試的相關技術,走過了產(chǎn)業(yè)化的大部分路程。然而,投入運行的三個海水淡化工程在運行期間也暴露了一些工程技術的問題,具有代表性的是:3.1高壓泵運轉(zhuǎn)噪音投運的三個海水淡化工程有兩個使用了高速離心泵作高壓泵,另外一個使用了三柱塞泵作高壓泵。嵊山鎮(zhèn)的海水淡化用高壓泵曾發(fā)生抱軸現(xiàn)象而被更換,長?？h的高壓泵運轉(zhuǎn)噪音高達105dB,超過了我國的往復泵的噪音標準(95dB),且在運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生高壓泵的彈簧斷裂導致設備停機,由于沒有備品備件供應,在大連加工了同等的彈簧才解決了問題。由于高壓泵噪音超標,目前正在進行隔音降噪處理。滄州的苦咸水淡化使用的是多級離心泵,使用效果有待驗證。從目前的情況看,根據(jù)不同的淡化規(guī)模選擇高效率、合適的高壓泵是反滲透海水淡化需要解決的問題。3.2預處理流程嵊山鎮(zhèn)的海水淡化采用了多介質(zhì)過濾、活性炭過濾兩級預處理流程,過濾速度分別為8m/h和10m/h,預處理的結果保證了進入反滲透海水的污染指數(shù)<4,大部分時間在2~3之間。長?？h的預處理流程采用了多介質(zhì)過濾、細砂過濾兩級預處理流程,過濾速度分別為9m/h和5m/h。由于取水方式不同,經(jīng)預處理后的進水污染指數(shù)在2.8~3.4之間,達到了反滲透的進水要求。但對于不同的海水水質(zhì),如何優(yōu)化預處理的工藝流程,恰當?shù)剡x擇預處理濾速從而達到保證預處理質(zhì)量、降低工程造價和預處理成本的目的,是反滲透海水淡化工程設計和設備供貨廠商需要解決的技術問題。3.3預處理和高壓管路腐蝕反滲透海水淡化由于海水的腐蝕性強、工程難度大而有別于一般的苦咸水淡化,工程設計和設備供貨單位應對此給予高度的重視。目前投運的反滲透海水淡化工程或多或少的都存在設備、管道的腐蝕防護力度不夠等問題。如馬跡山的海水淡化工程由于設備和管道腐蝕問題,影響了設備的正常運轉(zhuǎn),目前正在進行防腐的技術改造;嵊山鎮(zhèn)海水淡化工程的預處理和高壓管路也發(fā)生了明顯的銹蝕;長?？h海水淡化工程的預處理設施防腐處理不徹底,發(fā)現(xiàn)罐體的內(nèi)部腐蝕,使得鐵銹類金屬氧化物堵塞保安過濾器,導致保安過濾器濾芯的頻繁更換,進口設備的高壓閥門、保安過濾器等也發(fā)生銹蝕。這些腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生,有些屬于設計不當造成的,有些屬于供貨廠家沒有完全按照設計要求供貨造成的。如果不能有效地解決,將影響設備的使用壽命,降低淡化裝置的利用率和服務年限。3.4海水淡化技術、水處理行業(yè)、城市淡化市場等海水淡化技術是海洋資源利用技術的重要領域,海洋開發(fā)的特點是高投資、高風險和高利潤。海水淡化的工程設計和設備供貨是結合了多種海洋學科、材料與防腐等技術在內(nèi)的綜合技術,對工程設計和設備供貨的廠商均應有嚴格的資質(zhì)要求。海水淡化技術將是下世紀解決沿海城市和地區(qū)淡水不足的有效途徑,許多企業(yè)看上了這一點,紛紛介入海水淡化和水處理行業(yè),在推動了該行業(yè)技術進步的同時,也帶來了無序競爭,使得海水淡化和水處理市場良莠不齊。如果不加強管理,規(guī)范工程設計和設備供貨的資質(zhì),建設單位從地區(qū)利益和眼前利益出發(fā)選擇設備供貨和工程設計單位的結果,將會對工程造成損失和制約行業(yè)的健康發(fā)展。4關于滲透海水淡化技術的發(fā)展對策鑒于我國反滲透海水淡化取得的巨大成就和面臨的問題,建議采取如下對策以促進技術的發(fā)展和實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。4.1海水淡化技術的研發(fā)方向目前,國內(nèi)海水淡化所用反滲透復合膜均從國外進口,國產(chǎn)反滲透膜與國外產(chǎn)品還存在一定的差距。反滲透膜是反滲透海水淡化的核心,反滲透膜的國產(chǎn)化與產(chǎn)業(yè)化不能解決,勢必影響我國反滲透海水淡化技術的發(fā)展。我國海水反滲透膜的研制已經(jīng)具有三個五年計劃攻關的良好基礎,國家應進一步支持海水反滲透膜的研制,使得在“十五”期間形成反滲透海水淡化膜的技術突破,盡快實現(xiàn)國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化,在促進國內(nèi)反滲透淡化技術發(fā)展的同時,進入國際市場。4.2反滲透海水淡化工程的技術攻關在反滲透膜選定的情況下,反滲透海水淡化系統(tǒng)的能量消耗等指標主要取決于選用的高壓泵和能量回收裝置的效率。目前,國內(nèi)海水淡化所用高壓泵和能量回收透平都是從國外進口,其零備件也得從國外進口,在浪費外匯額度的同時也給設備的維護帶來許多不便。國內(nèi)的多級離心泵、柱塞泵制造技術已經(jīng)十分成熟,并被成功地用于油田注水,經(jīng)過適當?shù)毓リP,完全可以生產(chǎn)用于反滲透海水淡化的高壓泵。能量回收透平的技術核心是高速葉輪的制造,國內(nèi)的三元扭曲葉輪制造技術居國際領先水平,并被廣泛地用于進口壓縮設備的技術升級和改造,經(jīng)過科技攻關,完全有可能實現(xiàn)能量回收透平的國產(chǎn)化,達到提高性能、降低造價的目標。只有實現(xiàn)了反滲透膜、高壓泵、能量回收透平的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化,才有可能實現(xiàn)我國反滲透海水淡化的產(chǎn)業(yè)化,在推動技術進步的同時,躋身國際海水淡化市場。4.3反滲透工程設計反滲透膜、高壓泵和能量回收裝置的國產(chǎn)化只是解決了反滲透淡化工程的器件和設備問題。性能優(yōu)良的器件和設備組合不一定形成運轉(zhuǎn)良好的淡化工程,因此,