于忠偉,紀(jì)凱師

(大唐黃島發(fā)電有限責(zé)任公司,山東 青島 266500)

海水淡化作為一種水資源開源、增量技術(shù),已廣泛應(yīng)用于沿海及海島生產(chǎn)、生活用水[1-2]。目前,工程用海水淡化主要分為蒸餾法海水淡化與膜法海水淡化,其中,反滲透膜法海水淡化是沿海及海島海水淡化最廣泛應(yīng)用的海水淡化技術(shù)[3-4]。

反滲透海水淡化的原理是在高于溶液滲透壓的壓力作用下,借助反滲透膜的選擇分離作用,水分子透過反滲透膜而海水中鹽離子不能透過膜,最終將海水中的離子與水進(jìn)行分離,制得淡水。反滲透海水淡化具有低能耗、易操作、簡運維等優(yōu)點[5]。

為研究沿海及海島用膜法海水淡化系統(tǒng)設(shè)計、運行及進(jìn)一步放大,研究設(shè)計了一套生活飲用水生產(chǎn)能力為10萬m3/d的膜法海水淡化系統(tǒng),對系統(tǒng)進(jìn)行為期3個月的連續(xù)調(diào)試運行,通過對調(diào)試中水質(zhì)、壓力、流量、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)的整合分析,驗證了研究設(shè)計的膜法海水淡化系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性,并為指導(dǎo)進(jìn)一步放大設(shè)計提供借鑒。

1 10萬m3/d的膜法海水淡化系統(tǒng)設(shè)計

試驗系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 試驗系統(tǒng)流程示意圖

研究設(shè)計的膜法海水淡化系統(tǒng)工藝主要涉及海水取水、前處理、超濾與反滲透4個部分,海水經(jīng)加藥后進(jìn)入前端過濾裝置,用以除去原海水中的懸浮物及顆粒雜質(zhì)等,前端過濾裝置主體設(shè)備為微孔過濾器(100 μm),在前端管道混合器中加入氯化鐵進(jìn)行混凝。前端過濾裝置產(chǎn)水進(jìn)入超濾系統(tǒng),超濾系統(tǒng)包含投加阻垢劑還原藥劑處理。超濾產(chǎn)水進(jìn)入一級反滲透,一級反滲透的部分出水在特定工況下通過二級反滲透進(jìn)一步脫硼,二級反滲透產(chǎn)水與一級反滲透剩余部分產(chǎn)水混合作為產(chǎn)水,產(chǎn)水符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)要求。

2 前端過濾裝置調(diào)試運行數(shù)據(jù)分析

2.1 前端過濾裝置對海水濁度的去除效果

前端過濾裝置對海水濁度的去除效果見圖2。由圖2可以看出,投加氯化鐵混凝經(jīng)砂濾過濾后,前端過濾裝置產(chǎn)水濁度在12.5 NTU以下。進(jìn)一步研究了混凝堿化過程中海水pH值對海水濁度的影響,見圖3。通過圖3可以看出,在混凝堿化過程中,pH值控制在9.0～11.5之間可以得到很好的清除海水濁度效果,同時在pH值=10.0時,處理后的海水最低濁度在6.5 NTU。這也說明混凝劑氯化鐵投加量需要根據(jù)海水進(jìn)水水質(zhì)匹配合適的投加量。

圖2 前端過濾裝置對海水濁度與CODMn的去除效果

圖3 混凝過程海水pH值對海水濁度的影響

2.2 前端過濾裝置對海水化學(xué)需氧量(CODMn)的去除效果

前端過濾裝置對海水CODMn的去除效果見圖2。由圖2可以看出,調(diào)試運行期間海水進(jìn)水CODMn保持在4.5 mg/L左右,經(jīng)前端過濾后,產(chǎn)水CODMn降到了1.0 mg/L以下,對于CODMn的去除率達(dá)到了77.8%。由此可以得出,海水中的大部分有機物可被砂濾與混凝組合工藝去除,進(jìn)而降低后端超濾膜處理有機物的負(fù)荷,減緩后端膜處理工藝過程中膜污染的發(fā)生率。

3 超濾裝置調(diào)試運行數(shù)據(jù)分析

3.1 超濾對海水濁度的去除效果

超濾對海水濁度的去除效果見表1,由表1可以看出,調(diào)試期間,超濾裝置海水進(jìn)水濁度范圍主要在9.6 NTU～12.5 NTU左右,而經(jīng)過超濾后,產(chǎn)水濁度均保持在1.5 NTU以下,濁度去除率均高于90%,這也表明,超濾膜分離過程不僅能夠有效去除濁度,且能維持較長時間的穩(wěn)定濁度去除。

3.2 超濾對海水鹽分的去除效果

超濾對海水鹽分的去除效果見表1,由表1可以看出,調(diào)試期間,超濾裝置海水進(jìn)水電導(dǎo)率存在一定的波動,電導(dǎo)率范圍在45 mS/cm～60 mS/cm,超濾對于電導(dǎo)率的去除均在10%以下,產(chǎn)水電導(dǎo)與進(jìn)水電導(dǎo)相近。這也進(jìn)一步說明,超濾膜分離過程只能去除預(yù)處理海水中較大分子量的物質(zhì),而對于鹽離子的去除效果較差。

表1 超濾對海水濁度和電導(dǎo)率的去除效果

3.3 超濾單元跨膜壓差隨時間的變化

超濾單元跨膜壓差隨時間的變化見表2,由表2可以看出,調(diào)試期間,最初運行時,超濾裝置3個超濾單元跨膜壓差隨時間變化趨勢相近,均由0.045 MPa升至0.1 MPa左右。這可能是由于系統(tǒng)運行過程中膜污染逐漸形成并在膜表面沉積,導(dǎo)致跨膜阻力增加。運行3個月后,經(jīng)過膜清洗,各超濾單元膜污染情況得到恢復(fù),各單元跨膜壓差降低了約0.03 MPa。運行6個月后,發(fā)現(xiàn)最后一級超濾單元相比前兩級超濾單元,其跨膜壓差降低更多,這也說明前端超濾單元膜受污染程度更為嚴(yán)重,在同樣清洗工藝過程中膜通量恢復(fù)相對更慢。

表2 超濾單元跨膜壓差隨時間的變化

4 反滲透裝置調(diào)試運行數(shù)據(jù)分析

4.1 反滲透進(jìn)水電導(dǎo)率及進(jìn)水流量隨時間的變化

2019-03～09反滲透裝置進(jìn)水電導(dǎo)率及進(jìn)水流量隨時間和溫度的變化見圖4。由圖4可以看出,進(jìn)水電導(dǎo)率變化主要受溫度影響,同海水電導(dǎo)率隨溫度的變化類似,溫度每升高1 ℃,電導(dǎo)率就增加2%左右。同時,從圖4中還可以看出,反滲透裝置的進(jìn)水流量基本保持平穩(wěn)水平(10.3 m3/h)。

圖4 反滲透裝置進(jìn)水電導(dǎo)率及進(jìn)水流量隨時間的變化

4.2 反滲透對海水鹽分的截留效果

反滲透對海水鹽分的截留效果見表3,由表3可以看出,調(diào)試期間,反滲透裝置海水進(jìn)水電導(dǎo)率存在一定波動,電導(dǎo)率范圍在40 mS/cm～55 mS/cm,一級反滲透對于海水鹽分的截留率均在99.5%以上,產(chǎn)水電導(dǎo)與淡水電導(dǎo)相近。同時,二級反滲透對于海水鹽分的截留率高達(dá)99.98%以上,經(jīng)與部分一級反滲透產(chǎn)水摻混,此段產(chǎn)水可直接飲用。

表3 反滲透對海水鹽分的截留效果和跨膜壓差隨時間的變化

4.3 反滲透單元跨膜壓差隨時間的變化

反滲透單元跨膜壓差隨時間的變化見表3,由表3可以看出,調(diào)試期間,反滲透單元跨膜壓差主要隨著進(jìn)水流量的變化和進(jìn)水電導(dǎo)率的波動而變化。由此可知,研究采用的組合工藝可以通過調(diào)整跨膜壓差應(yīng)對進(jìn)水流量和進(jìn)水電導(dǎo)率的波動而引起的變化。同時,系統(tǒng)脫鹽率高,穩(wěn)定性好,提高跨膜壓差不會對海水鹽分截留率產(chǎn)生影響。

5 模擬系統(tǒng)實驗與現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)對比分析

反滲透膜分離過程是集傳質(zhì)和傳動于一體的滲透過程,在已知海水水質(zhì)特點、膜元件參數(shù)和回收率等特點后,可根據(jù)物料守恒定律計算反滲透系統(tǒng)的處理效果。然而,上述過程較為繁瑣,且實驗參數(shù)復(fù)雜,給實際操作帶來了困難?；诖?研究借助海德能反滲透設(shè)計軟件對該工藝系統(tǒng)調(diào)試運行進(jìn)行了模擬,并將結(jié)果進(jìn)行了對比分析。具體建模過程參照文獻(xiàn)報道[6]。模擬與現(xiàn)場調(diào)試產(chǎn)水電導(dǎo)率見圖5。

圖5 模擬產(chǎn)水電導(dǎo)率與調(diào)試結(jié)果對比

由試驗數(shù)據(jù)和模擬計算的結(jié)果對比可見,在產(chǎn)水電導(dǎo)率方面,試驗結(jié)果與模擬值基本吻合,說明試驗運行較為穩(wěn)定,且達(dá)到了接近理論值的良好效果。膜元件的性能會因為污染等因素發(fā)生變化,模擬計算中忽略了這些變化,并沒有隨時間調(diào)節(jié)污堵系數(shù)。總的來說,設(shè)計軟件對膜分離效果的設(shè)計較為準(zhǔn)確,有望用于中試工藝的放大。

6 結(jié)論

文章研究的以混凝—微孔過濾器—超濾—反滲透為主體工藝的膜法海水淡化組合工藝,系統(tǒng)運行穩(wěn)定高效,產(chǎn)水符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn),一級反滲透脫鹽率達(dá)99.5%以上,二級反滲透脫鹽率高達(dá)99.98%以上。同時,采用海德能反滲透設(shè)計軟件模擬了系統(tǒng)調(diào)試運行過程,模擬計算結(jié)果與調(diào)試運行數(shù)據(jù)基本相符,可為指導(dǎo)進(jìn)一步放大設(shè)計提供借鑒。