程方琳，于金旗，劉宇堅(jiān)，胡永健，張松建

（北京賽諾膜技術(shù)有限公司，北京 100083）

熱法海水淡化濃鹽水水質(zhì)的分析與利用

程方琳，于金旗，劉宇堅(jiān)，胡永健，張松建

（北京賽諾膜技術(shù)有限公司，北京 100083）

通過(guò)對(duì)熱法海水淡化的濃鹽水進(jìn)行了為期約兩個(gè)月的數(shù)據(jù)分析，并搭建一套中試裝置，研究了組合工藝對(duì)該濃鹽水溫度、濁度和電導(dǎo)率的處理效果。接近兩個(gè)月的測(cè)量結(jié)果顯示，熱法海水淡化的濃鹽水pH（8.0～8.2）比較穩(wěn)定，電導(dǎo)率（55～60mS/cm）、溫度（37～44℃）和濁度值（5～100NTU）變化較大。采用冷卻塔-多介質(zhì)過(guò)濾-超濾-反滲透組合工藝，可有效對(duì)熱法海水淡化濃鹽水進(jìn)行脫鹽處理，使一部分濃鹽水達(dá)到回收利用的目的。另外，該組合工藝可有效降低濃鹽水的溫度，去除濃鹽水的濁度和電導(dǎo)率，為后續(xù)實(shí)際膜法海水淡化處理工程提供了依據(jù)。

熱法海水淡化，濃鹽水；反滲透；水質(zhì)分析；利用

海水淡化能夠有效解決全球淡水資源短缺問(wèn)題，然而其生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生濃鹽水的處理一直困擾著人們。海水淡化濃鹽水含鹽量高且含溶解性固體多，其性質(zhì)主要由原料水的組分及預(yù)處理工藝，所使用化學(xué)試劑（阻垢劑、殺菌劑、絮凝劑和消泡劑等）決定。海水淡化濃鹽水主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是熱法海水淡化（包括多級(jí)閃蒸、多效蒸發(fā)和壓汽蒸餾等）產(chǎn)生的濃鹽水，蒸餾法淡化時(shí)，濃鹽水與冷卻海水混合后排放，其排放水濃度比海水約高10%～15%；另一類(lèi)是膜法海水淡化（反滲透為主）產(chǎn)生的濃鹽水，回收率為50%時(shí)，反滲透海水淡化中排放濃鹽水鹽度是自然海水濃度的兩倍。目前，國(guó)際上濃鹽水的處理方式主要是直接排放和循環(huán)再利用。直接排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染，排放到海洋中的濃鹽水會(huì)對(duì)海洋浮游植物的生長(zhǎng)、繁殖能力和細(xì)胞形態(tài)產(chǎn)生一定的影響。濃鹽水的再利用和零排放技術(shù)是比較理想的處理方式，但其受處理成本的限制難以推廣使用。濃鹽水的處理費(fèi)用受其特性、排放前的處理水平和處理方式、濃鹽水體積以及環(huán)境特征等影響，一般約占總海水淡化成本的5%～33%。

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司海水淡化項(xiàng)目，采用熱法低溫多效蒸餾工藝，其產(chǎn)生的濃鹽水進(jìn)入鹽場(chǎng)制成固體鹽，多余的部分經(jīng)工農(nóng)業(yè)消耗后排入大海，減少了對(duì)環(huán)境的污染。現(xiàn)該公司擬建一座日處理量2萬(wàn)噸/天膜法海水淡化設(shè)施，進(jìn)水采用熱法海水淡化濃鹽水，以達(dá)到循環(huán)經(jīng)濟(jì)和保護(hù)環(huán)境的目的。筆者通過(guò)分析研究該海水淡化濃鹽水性質(zhì)，并根據(jù)其水質(zhì)特性采用冷卻塔-多介質(zhì)過(guò)濾—超濾—反滲透組合工藝，對(duì)其進(jìn)行了中試研究，為后續(xù)實(shí)際工程項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司采用熱法蒸餾工藝進(jìn)行海水淡化，該工藝所用曹妃甸區(qū)海水和產(chǎn)生的濃鹽水水質(zhì)詳細(xì)指標(biāo)見(jiàn)表1。其中，曹妃甸海洋檢測(cè)數(shù)據(jù)為該地區(qū)海水全年統(tǒng)計(jì)平均值，熱法海水淡化濃鹽水檢測(cè)數(shù)據(jù)，為北京賽諾水務(wù)科技有限公司委托第三方檢測(cè)得出的結(jié)果。

表1 熱法海水淡化濃鹽水和海水水質(zhì)指標(biāo)

1.2 工藝流程

中試裝置設(shè)置在唐山首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)集中于一個(gè)集裝箱。中試工藝流程見(jiàn)圖1。熱法海水淡化濃鹽水首先進(jìn)入冷卻塔降溫，然后進(jìn)入多介質(zhì)過(guò)濾進(jìn)行過(guò)濾，以保證超濾進(jìn)水懸浮物滿(mǎn)足要求，然后流經(jīng)超濾單元，去除膠體懸浮物等，并降低濁度和SDI15值，最后流經(jīng)反滲透單元進(jìn)行脫鹽。

圖1 中試工藝流程

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及其控制參數(shù)

中試裝置設(shè)置冷卻塔1座，其設(shè)計(jì)進(jìn)水量為10m3/h，進(jìn)水溫為45℃，出水溫為35℃，作用是降低項(xiàng)目進(jìn)水水溫，保證后續(xù)膜系統(tǒng)在水溫40℃以下運(yùn)行，從而避免高溫對(duì)膜元件結(jié)構(gòu)造成破壞，影響使用壽命。

設(shè)置多介質(zhì)過(guò)濾器1臺(tái)，采用石英砂和無(wú)煙煤填料，其主要作用是去除進(jìn)水中的大部分懸浮物和顆粒物，使其產(chǎn)水懸浮物≤ 5mg/L，從而保證后續(xù)超濾的穩(wěn)定運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)裝置的核心單元“微濾—反滲透”為北京賽諾水務(wù)科技有限公司產(chǎn)品。超濾單元采用北京賽諾水務(wù)有限公司開(kāi)發(fā)的大尺寸超濾膜組件，設(shè)計(jì)最大進(jìn)水壓為0．4MPa，進(jìn)水溫度為0～40℃，運(yùn)行方式為死端過(guò)濾。膜材料為PVDF，膜孔徑為0．1μm，膜面積為80m2。反滲透單元設(shè)置3組膜組件，單只膜面積40ft2，采用LG進(jìn)口反滲透膜，膜片為聚酰胺復(fù)合膜，型號(hào)是LG SW 400 GR，配套進(jìn)口高壓泵，保證其穩(wěn)定的脫鹽和產(chǎn)水。反滲透設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度為35℃，進(jìn)水壓力60～65bar，產(chǎn)水量1．5～1．8m3/h。整套工藝主要控制參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 工藝主要控制參數(shù)

1.4 分析方法

海水淡化濃鹽水的pH、溫度、濁度和電導(dǎo)率是影響膜法海水淡化系統(tǒng)的重要參數(shù)。中試實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2016年10月24日至12月27日，運(yùn)行期間，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)水（即熱法海水淡化濃鹽水）的pH、溫度、濁度和電導(dǎo)率每天各檢測(cè)1～2次。溫度采用筆式ORP/ T直接測(cè)定；pH采用便攜式雷磁pH計(jì)測(cè)量；電導(dǎo)率采用便攜式電導(dǎo)率儀（0～200mS/cm）測(cè)量；溶解性總固體（TDS）采用180℃烘干法測(cè)定；濁度采用哈希的濁度儀（0～50 NTU）測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)分析

連續(xù)檢測(cè)約兩個(gè)月的熱法海水淡化濃鹽水pH和水溫變化趨勢(shì)如圖2所示。從圖中可以看出，pH值在檢測(cè)期間比較穩(wěn)定，波動(dòng)較小，一般在8．0～8．2之間，在后續(xù)實(shí)際項(xiàng)目中，不需要特意去調(diào)節(jié)。而水溫波動(dòng)比較明顯，在37～44℃之間變化。從進(jìn)水溫度分布圖（圖3）可以看出，97次檢測(cè)數(shù)據(jù)中，有90%的溫度點(diǎn)集中在40～42℃，平均進(jìn)水溫度41℃。該溫度已經(jīng)超過(guò)一般超濾、反滲透廠(chǎng)家給出的膜運(yùn)行溫度范圍（0～40℃），溫度改變會(huì)影響膜的性能，若溫度過(guò)高會(huì)使膜滲透性能增強(qiáng)，脫鹽效率降低，不利于反滲透除鹽的效果。因此，在后續(xù)用膜法海水淡化工藝處理該類(lèi)濃鹽水時(shí)，需采取有效降溫措施，來(lái)保證整個(gè)膜系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行效果。

圖2 進(jìn)水水溫和pH統(tǒng)計(jì)

圖3 進(jìn)水水溫分布圖

連續(xù)約兩個(gè)月的熱法濃鹽水電導(dǎo)率和濁度變化趨勢(shì)如圖4所示。電導(dǎo)率大小同含鹽量成正比，含鹽量越高，膜法除鹽中滲透壓越大，濃度差也越大，致使系統(tǒng)脫鹽率下降，所以保持穩(wěn)定的進(jìn)水電導(dǎo)率，是保證膜法海水淡化脫鹽系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素。從圖4可知，熱法海水淡化濃鹽水的電導(dǎo)率在55～60mS/cm之間波動(dòng)，水質(zhì)還算穩(wěn)定。進(jìn)水濁度在5NTU到100NTU之間大范圍波動(dòng)，極不穩(wěn)定。根據(jù)圖5所示進(jìn)水濁度分布圖可知，在檢測(cè)的97次數(shù)據(jù)當(dāng)中，有90%的數(shù)據(jù)點(diǎn)集中在10～30 NTU之間，而平均濁度僅為19．7NTU。濁度值超出膜系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)要求（超濾膜＜10NTU，反滲透膜＜1NTU），因此，用膜法海水淡化回收該類(lèi)濃鹽水，需在預(yù)處理階段去除濁度，可采用多介質(zhì)過(guò)濾器、砂濾和活性炭等過(guò)濾設(shè)施。

圖4 進(jìn)水電導(dǎo)率和濁度情況

圖5 進(jìn)水濁度分布圖

2.2 中試運(yùn)行效果分析

2.2.1 冷卻塔運(yùn)行效果

超濾膜和反滲透膜的膜通量會(huì)隨著水溫的升高而增大，然而，過(guò)高的進(jìn)水溫度會(huì)改變膜的性能，影響系統(tǒng)最終的脫鹽效果和產(chǎn)水水質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)中所用PVDF超濾膜和反滲透聚酰胺復(fù)合膜進(jìn)水溫度，要求控制在0～40℃，而熱法海水淡化濃鹽水溫度在37～44℃之間（見(jiàn)圖2），因此，需設(shè)置一冷卻塔進(jìn)行降溫處理。中試期間環(huán)境溫度在-5～10℃，濃鹽水經(jīng)過(guò)冷卻塔的降溫效果見(jiàn)圖6。冷卻塔進(jìn)水平均溫度41℃，經(jīng)過(guò)冷卻塔降溫后，水溫可降低約7℃，降至平均溫度33．9℃，達(dá)到后續(xù)膜單元對(duì)進(jìn)水溫度的要求。

圖6 冷卻塔降溫效果

2.2.2 多介質(zhì)過(guò)濾-超濾對(duì)濁度的去除效果

濁度值可反映懸浮物的大小，是超濾和反滲透進(jìn)水必須考慮的重要參數(shù)，其值越高，越容易造成膜的污染。膜污染會(huì)影響膜的使用壽命，當(dāng)膜污染嚴(yán)重時(shí)，需要更換超濾或反滲透膜，更換膜則會(huì)增加運(yùn)行成本。有報(bào)道顯示，反滲透膜成本占投資總成本的20%～30%，更換膜所需費(fèi)用為運(yùn)行總成本的25%～30%，嚴(yán)重影響了反滲透海水淡化的經(jīng)濟(jì)性。為了保護(hù)超濾膜和反滲透膜，一般超濾單元進(jìn)水濁度控制在10 NTU以下，反滲透進(jìn)水濁度控制在1NTU以下。圖7是中試期間熱法海水淡化濃鹽水（原始進(jìn)水）、多介質(zhì)過(guò)濾產(chǎn)水和超濾產(chǎn)水中的濁度變化值。由圖7可知，原始進(jìn)水濁度值在5～100NTU之間，經(jīng)多介質(zhì)過(guò)濾后，濁度值降至10NTU以下，再經(jīng)超濾后濁度值小于0．1NTU，該組合工藝具有良好的去除濁度性能，可在一定程度上預(yù)防后續(xù)反滲透單元的膜污染問(wèn)題。

圖7 多介質(zhì)過(guò)濾-超濾對(duì)濁度的去除效果

2.2.3 超濾—反滲透對(duì)電導(dǎo)率的去除效果

電導(dǎo)率值能夠反映水中各類(lèi)溶解鹽的多少，系統(tǒng)進(jìn)、出水的電導(dǎo)率變化可表示系統(tǒng)脫鹽效果。中試實(shí)驗(yàn)中記錄的濃鹽水、超濾產(chǎn)水和反滲透產(chǎn)水的電導(dǎo)率值見(jiàn)圖8。如圖所示，超濾進(jìn)水（濃鹽水）和產(chǎn)水電導(dǎo)率幾乎未有變化，均在55～60mS/cm之間波動(dòng)，平均值均為57．3mS/cm，而經(jīng)過(guò)反滲透單元后，產(chǎn)水電導(dǎo)率平均值為739μS/cm，接近自來(lái)水電導(dǎo)率值（一般為125～1250μS/cm），可中水回用。并且，其平均脫鹽率約為98．7%，達(dá)到反滲透單元控制參數(shù)中脫鹽率大于97%的設(shè)計(jì)要求。

圖8 超濾—反滲透對(duì)電導(dǎo)率的去除效果

3 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)熱法海水淡化產(chǎn)生的濃鹽水，進(jìn)行為期約2個(gè)月的檢測(cè)結(jié)果顯示：濃鹽水pH比較穩(wěn)定，基本在8．0～8．2之間；水溫波動(dòng)比較明顯，在37～44℃之間變化，90%的溫度點(diǎn)集中在40～42℃，平均進(jìn)水溫度41℃；電導(dǎo)率在55～60mS/cm之間波動(dòng)；濁度值極不穩(wěn)定，在5NTU到100NTU之間大范圍波動(dòng)，90%的數(shù)據(jù)點(diǎn)集中在10～30NTU之間，平均濁度為19．7 NTU。

（2）冷卻塔進(jìn)水平均溫度41℃，出水平均溫度33．9℃，水溫可降低約7℃，達(dá)到后續(xù)膜單元對(duì)進(jìn)水溫度的要求；多介質(zhì)過(guò)濾—超濾組合工藝對(duì)濁度去除效果極佳，出水可直接安全進(jìn)入后續(xù)反滲透單元；超濾—反滲透組合工藝脫鹽率平均值為98．7%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)水可中水回用。

（3）冷卻塔—多介質(zhì)過(guò)濾—超濾—反滲透組合工藝對(duì)熱法海水淡化濃鹽水具有良好的脫鹽效果，后續(xù)可考察該組合工藝濃縮水的除鈣、鎂或曬鹽處理，以使海水淡化濃鹽水達(dá)到合理資源化利用和保護(hù)環(huán)境的目的。

[1]F．H． Butt, Faizur Rahman, U． Baduruthamal． Characterization of foulants by autopsy of RO desalination membranes [J]．Desalination, 1997, 114(1):51～64．

P747

A

1671-0711（2017）09（上）-0187-04

大中型海水淡化產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用——5萬(wàn)t/d水電聯(lián)產(chǎn)與熱膜耦合研發(fā)及示范，項(xiàng)目編號(hào)：2015BAB10B00。