人力资源知识_膜分离技术与海水淡化和水再用

杭州水处理技术研发中心 膜分离技术与海水淡化和水再用 Membraneseparationforseawaterdesalinationandwaterreuse O 目录 content 1膜分离技术与海水淡化1 1海水淡化简要发展过程1 2热法海水淡化1 3反渗透法1 4海水淡化的未来2膜分离技术与饮用水净化和纯水制备2 1饮用水净化2 2纯净水的生产2 3软化水3膜分离技术与水再用3 1水循环回用3 2废水处理3 3污水回用4结语 摘要 Abstract 简述了海水淡化和水再用在扩大水资源和水资源保护中的重要性 对目前成熟的海水淡化过程 如多级闪蒸和低温多效进行了简介 对反渗透进行了重点介绍 膜分离技术已成为纯水和软化水制备的通用技术 水再用包括工业废水处理和回用以及城市污水资源化等 在国內外 膜分离技术在许多领域的中的应用已广为普及 有些过程已成为标准的单元操作 产生明显的环境和经济效益 随着膜分离技术的不断进步 它在海水淡化和水再用中的作用会越来越大 在扩大和保护水资源方面的贡献会越来越突出 也会对节能 降耗和减排工作有所促进 压力驱动膜 PDM 原理图 1膜分离技术与海水淡化 1 1海水淡化简要发展过程海水淡化是自古以来人们的梦想之一 19世纪出现了浸没式蒸发器 第二次世界大战促进了脱盐技术的发展 但仍限于多效和压汽蒸馏 20世纪50年代 美国意识到水资源的重要战略意义 专设盐水局 30年内拨专款14亿美元研发新的脱盐技术 1954年电渗析 ED 实用化 1957年多级闪蒸 MSF 问世 1960年反渗透 RO 获突破性进展 1975年低温多效 LT ME 商品化 1990年后 随着RO膜性能的提高 价格的下降 高压泵和能量回收效率的提高 反渗透法成为投资最省 成本最低的海水淡化制备饮用水的过程 2006年脱盐水产量在4 75 107m3 d以上 其迅猛增长的趋势是少见的 多级闪蒸技术占世界海水淡化装机容量的42 反渗透技术占淡化装机容量的45 1 2热法海水淡化 热法海水淡化主要有MSF LT ME和压气蒸馏 VC 等 1 2 1 多级闪蒸 MSF 就MSF技术本身近年来有所进展 但无重大突破 主要进展有单机容量进一步扩大 最高可达7 9万m3 d 多级闪蒸与水电一体化 过程集成 热膜耦合 採用新的管及蒸發室材料 试用高级奥氏不锈钢代替镍基合金 工藝改进有采用新型聚羧酸酯防垢剂 该剂兼抑垢和分散作用 可使MSF在95 110 下运行 且用量少 对环境影响小 提高最高盐水溫度 增加级数和比熱交換面積及盐水循環流量 改进热回收和排热段以提高蒸发量 提高快速除霧功能和排放冷卻器功能等 运行管理方面开发了DROPS软件 可协调运行参数 使系统最佳化 并降低运行费用 延长服务期限 提高运行可靠性 减少停车维修 降低成本等等 目前MSF的能耗在10kWh m3淡水以上 1 2 2 低温多效 LT MED MED为上世纪30年代的淡化方法 由于结垢和腐蚀等问题 更由于上世纪50年代MSF的出现 使之停滞不前 尽管美 日等国家投入大量资金改进提高 但自1975商品化以来 至今市场占有份额仍不足10 LT MED操作温度在60 70 使结垢和腐蚀有所减缓 可使用较廉价的材料 以降低成本 一些改进工作有 装置规模大型化 使用较廉价的新材料和新设备 强化传热管等 提高最高盐水溫度和增加效数 使用高效的热泵等可有效提高造水比和利用末效热 水电联产和热膜耦合联产有效降低海水淡化的成本 塔式设计 混凝土外壳等 通常能耗在6 8kWh m3淡水 该技术在利用低品位热能造水方面有一定的市场 反渗透具有投资省 能耗低 无相变 建设期短 占地少的特点 是海水淡化技术中近二十年来发展最快的 除海湾国家外 美洲 亚洲和欧洲 大 中生产规模的装置多以反渗透法为首选 SWROhasbeenacceptedwidelyinAmerica AsiaandEurope becauseofitslowestinvestmentandcost lowestenergyconsumptionandshorterbuildingperiod 1 3反渗透法 SWRO 图1 1反渗透 SWRO 过程 取水 1 3 1反渗透膜和组器技术的进步RO海水淡化所以具有竞争力 膜性能的提高是很关键的 20世纪70年代海水淡化用的主要是Dupont公司的B 10芳香族聚酰胺中空纤维组件 上世纪80年代日本东洋纺的三醋酸纤维素中空纤维组件也加入海水淡化阵列 而目前最具发展潜力的是复合反渗透膜 自上世纪80年代商品化以来 性能不断改进提高 价格越来越便宜 使反渗透海水淡化成本不断下降 成为海水淡化的主要用膜 如 203mm 1016mm的复合膜卷式元件 对35000mg L海水 5 5MPa下 25 8 10 回收率 产水量达23m3 d 脱盐率99 8 左右 16 18英寸直径的海水淡化反渗透膜元件已开始进入商业化应用 1 3 2高效的能量回收技术20世纪80年代 SWRO初期是用与高压泵电机主轴联动的涡轮机来回收高压浓海水的能量 上世纪80年代后期改进为水力涡轮换能器 其优点是不必与电机主轴相联 可因地置宜 但涡轮机的效率多在60 83 左右 上世纪90年代中期推出了功交换器和压力交换器 效率提高到90 以上 使海水淡化的RO本体能耗在3kWh m3以下 总能耗在4kWh m3左右 1 3 2高效的能量回收技术highefficiencyofenergyrecovery 图1 3能量回收装置 1 3 3淡化工艺的不断改进 1 MF和UF用于海水预处理通过现场试验 用MF和UF对海水预处理不仅技术可行 而且也相当经济 用MF或UF可替代凝聚和过滤 由于供水水质好 RO比常规法可多产水20 这样用膜面积少 压力容器少 管路省 占地面积小 从而投资费用低 同时RO膜清洗周期长 用试剂少 省劳力 运行时间长 其运行费用也低 2 提高回收率的新工艺对海水淡化经济性分析表明 压力从5 5MPa提高到8 0MPa 使回收率从35 提高到50 以上是经济的 高回收率下 取海水量减少 预处理的设施和各种药剂用量相应减少 泵和高压泵所用电力也省 操作和维修劳力也省等 当然 要求的操作压力要相应提高 这就需要耐高压的膜元件 另外相应的工艺也应进一步改进 3 集成工艺以纳滤作为预处理 实际为部分脱盐 主要是去硬度 通常可除去海水中Ca2 Mg2 和HCO3 在70 以上 除SO42 在90 以上 与SWRO和MSF LT ME 结合 NF产水的60 经RO转化为产品水 RO浓水的80 由MSF转化为淡水 同时MSF的余热可加热NF和RO的进水 其他集成工艺 水电联产中的和热膜耦合等 可有效降低海水淡化的成本 4 生态产业链将发电 海水淡化与盐 碱联产等综合开发 是值得提倡和推广的新概念 一级海水淡化工艺 高效两段法 高压一级海水淡化工艺 集成工艺 膜 热 电 新的预处理 MF UF 生态产业链 水 电 盐 化工 图1 4 新后处理系统 脱硼 二级海水淡化工艺 淡化工艺的不断改进 图1 7海水资源综合利用与电 热 汽和其他工业联产 生态产业链 最新报道 Newreport 美国加州Hueneme港的海军海水脱盐试验场用FILMTEC的SW30XLE 400i膜元件 PX压力交换器试验海水脱盐 回收率43 膜通量6gfd 能耗为6 0kWh kgal 1 58kWh m3 对50MGD的工厂 设计地回收率50 膜通量9gfd 能耗为6 93kWh kgal 1 83kWh m3 0 63 m3 该试验由AffordableDesalinationCollaboration ADC 进行 表1 1海水和苦咸水淡化产量 图1 8以色列AshkelonSWROplant 33 104m3 d 1 4海水淡化的未来 膜法和热法两者 目前中东地区以热法为主 美 日 欧等以SWRO为主 近五年来SWRO由于投资能耗 淡化水成本等都最低 建设周期也短 在国际指标中屡屡中标 很有竞争力 在水热电联产场合 含核能 RO MED 集成膜法 热膜耦合海水淡化系统都可考虑 预期近几年内 大型反渗透膜元件将规范和标准化 以标准尺寸16或18英寸广泛地应用于大规模反渗透装置中 其他的方法依靠技术的创新和突破 如研究中的新海水淡化技术 膜蒸馏 正渗透和喷雾淡化等 目前全球的海水淡化产量约4 75 107m3 d 占世界饮用水的1 预计下20年的产量将增加一倍 有700亿 的市场 近5年已有约100亿 的订货 产淡水5 3 106m3 d 随着水资源的匮乏 水源的污染 需求的增加 海水淡化技术的应用 包括物料的预浓缩 会越来越广 SeawaterDesalinationPlantsinChina国内的海水淡化厂 图1 9荣成5000吨 日海水淡化系统5000m3 dROseawaterdesaltingplantinRongcheng 2003 2膜分离技术与饮用水净化和纯水制备 2 1饮用水净化环境的污染影响到饮用水的质量 而人们生活水平的提高 对饮用水水质要求越来越高 世界各国都在不断改进饮用水的制备技术 对微滤 超滤和纳滤在除菌 去浊 去大分子胶体 农药 异味 激素及部分SO42 NO3 F 和As等方面的作用进行了肯定 膜技术作为饮用水的预处理和深度处理随着城市化进程的加快 其作用也越来越显著 已成为保障饮用水安全的主要技术之一 家用MF UF NF及RO净水器已很普遍 不少自来水厂也开始采用膜技术来保证供水质量 膜技术与饮用水净化 purificationofdrinkingwater MF 悬浮物 细菌UF 大分子 病毒 胶体NF 部分硬度 重金属 农药 激素 As TXM SO42 RO 各种杂质ED 去氟MC 去挥发性物质 第一代工艺 第二代工艺 第三代工艺 图2 1 图2 2饮用水净化 巴黎14万吨 日纳滤膜饮用水装置 2 2纯水的生产 purewaterproduction 超纯水 纯水 过程用水和软化水 这些都是工业生产中每时每刻都离不开的 现在大多都用最经济的膜法来制备 反渗透可除去天然水中98 以上的盐和有机物 以及95 以上的可溶性SiO2 大大地改善了后续离子交换的工作条件 使再生用酸碱耗量减少95 左右 制水成本进一步下降 且纯水质量和稳定性有保障 近10多年来逐渐兴起RO EDI的新工艺 EDI以电再生代替了离子交换树脂的酸碱再生 基本上实现了无酸碱化生产 图2 3纯水制备流程 SaltReject盐水 HighPurityProduct高纯产品水 SaltReject盐水 Na Na Cl Cl Cl Cl Na Na Na Na Cl Cl Cl Cl Cl Na Na Na Na Cl Cl Cl Cl Cl Na Na Na Na Cl Cl Cl Cl Cl Na Na Na Na Na AEM AEM CEM CEM 图2 4混床型树脂填充式EDI 图2 5从海水制备锅炉补给水 ConventionalFiltration ThirdRO EDI 图2 6兖州矿务局4800吨 日锅炉补给水系统 电力领域 2 3软化水水的软化最常用的为离子交换法和化学法等 这不仅要消耗大量的盐或石灰 纯碱和烧碱等化学药剂 而且对环境造成严重污染 另外操作和控制也不简便 膜软化是近10多年来发展起来的新方法 优点是不要再生 无污泥产生 可完全除去悬浮物和大部分有机物 操作简便和占地省等 在相同出水水质下 投资费用和石灰软化相当 而操作费用低 图2 7膜软化 工艺流程 3 1循环回用3 2废水处理 水回用并回收副产物和清洁生产3 3市政污水和废水处理使水再用 3膜分离技术与水再用 Membraneseparationforwaterreuse 3 1水循环回用 作为循环回用 有专门的工艺控制结垢 粘泥 腐蚀等以及杀生 这在工业冷却水中普遍采用 近些年来有用膜技术提高回用率的不少研究报道 海水冷却分海水直流冷却和海水循环冷却 直流冷却是指原海水经换热设备进行一次性冷却后 即排放的过程 循环冷却是指原海水经换热设备完成一次冷却 再经冷却塔冷却后 循环使用的过程 海水作为工业冷却用水 图3 1美国某核电站海水直流和循环冷却系统全景 各152200m3 h 经近百年的发展 世界海水冷却水用量已经超过5000亿立方米 年 广泛用于发电 炼油 化工 钢铁等耗水大的行业 我国的海水直流冷却技术 已有60余年发展历史 主要用于滨海火电 核电 化工和冶金等企业 海水冷却水用量已经超过300亿立方米 年 如仅大亚湾核电站 980MW 年用冷却海水达35亿吨 我国海水循环冷却技术经近20年的研究开发 已达十万吨 时的示范规模 具有重要推广应用价值 表3 1中国海水利用发展目标Developmenttargetforseawaterutilization 3 2废水处理作为废水处理水回用并回收副产物和清洁生产的应用例子十分多 早在上世纪70年代就开始了 像超滤回收电泳漆 超滤和反渗透处理乳清 NF和RO处理电镀废水等 都是众所周知 广为普及的先进技术 下面是几个与钢铁厂有关的应用 3 2 1电泳漆回收涂装行业 特别是汽车工业 用的阳极或阴极电泳漆由于有超滤 实现了电泳漆浓度 电导的严格控制 并回收了电泳漆和淋洗水 使整个生产接近零排放 图3 2超滤回收电泳漆 3 2 2电镀废水电镀 镀镍 镀铬 镀镉 镀金等 产生大量漂洗水 用反渗透可实现漂洗水中贵重电镀药剂的回收 又可使漂洗水回用 基本可实现零排放的闭路循环 采用膜分离技术 以膜的透过液作为生产工艺回用水使用 膜的浓缩液作为电解槽液 可以回收金属和水资源 实现清洁生产 减少污水处理成本 图3 3回收金属与水资源工艺流程框图 图3 41000m3 d电镀镍漂洗水膜法资源化工程 图3 5镀镍漂洗水膜浓缩效果照片 3 2 3含油污水处理与回用含油污水多种多样 用超滤处理 设备紧凑 占地少 不需加药剂 操作方便 能耗低 分离效果好 是值得大力推广的新工艺 钢铁厂乳化油的处理现都采用膜技术 图3 6钢厂乳化液净化处理 300m3 d 3 2 4废酸 碱 废盐水的回收再生钢铁生产中废酸和废碱是经常遇到的 用渗析法回收酸是很早就广泛应用的例子 利用双极膜可将废盐水转化为相应的酸 碱而回用 图3 7废酸回收再生示意图 废酸 4 5N 再生酸 4 0N 稀废酸 0 5N 纯水 渗析膜 图3 7 图3 8渗析法回收废酸 3 3污水回用 sewagereuse 用膜技术可除去生活污水中的悬浮微粒 病原菌 各种有机 无机物等 不同等级的再生水可分别用于杂用水 灌溉用水 建筑用水 工业冷却水等 以至锅炉用水 用膜技术 集成技术 使污水再用 近十年来获得相当大的突破 不仅技术可行 而且经济上也有竞争力 3 3 1膜生物反应器在污水再用中的作用3 3 2二级市政污水处理3 3 2 1作电厂锅炉补给水和冷却用水3 3 2 2地下水回灌或贮水于地下 改进流域水质 目前 水处理中的膜生物反应器多用于污水处理 少量用于表面水 与传统的活性污泥法 CASP 比 由于膜反应器取代了二级澄清池 这可使污泥停留时间 SRT 和水力停留时间 HRT 分别控制 由于SRT大 泥龄长 污泥浓度高 抗冲击负荷能力强 降解速率高 降解充分 对难降解物质也可使之降解 占地省 污泥量少 通常对COD和NH3 N的去除率在90 以上 处理后的水可直接作为市政用水或进一步处理作各种工业用水 3 3 1膜生物反应器在污水再用中的作用 Theroleofmembranebioreactorinsewagereuse 膜生物反应器 MBR Membranebioreactor 图3 9 45 425m3 d处理量 占地仅22 3m2 图3 10MBR膜堆 超滤集成过程 纳滤 反渗透 膜生物反应器 纯水 中水 自来水 园林 环卫 工业冷却水 生活废水 土壤渗透 图3 11含MBR的膜集成技术 图3 12MBR过程比较 3 3 2二级市