大型纳滤装置的设计及其性能研究

1、第一台大型纳滤软化设备于1988年4月在美国弗罗里达州st. lucie港口投 入使用，该设备最初设计产水量为3785吨/日(imgd),最终设计产水量为37,850 吨/日(lomgd) o该设备的给水水源为浅层地下水，水中tds含量低，且进水 中含有过量的可溶性铁、钙、镁和toco由于该水中toc含量高，所以色度和 三卤甲烷含量也高。软化设备使用海德能公司pvd型卷式(规格为8)膜。膜材料采用的是 聚乙烯醇衍牛物，这种膜特征水通量高且污染速度低，即使在处理污染程度严重 的进水时也是如此，特别需要强调的一点是，该设备在使用三年之后，仍可使进 水压力维持在90psi,而保持产水量不变。木文的目

2、的是介绍这种设备的设计参数，更主要的是希望通过木文所做的介 绍，使人们对海德能公司研制出的具有独特性能的膜元件有进一步的了解，使其 更广泛地应用到软化设备中来。引 言st. lucie west位于弗罗里达的treasure caet,该地在迈阿密以北100英里， 亚特兰海大以西5英里。st. lucie west是一个“新城”按照城市的发展规划， 该地将是一个拥有25.000长期居民并包括旅馆、会议屮心以及体育竞赛训练场 等设施的综合性城市，要建成这样一个城市，在城市建设的整体规划中，首先要 解决的是“用水”问题，因为这一规模的城市日用水量应该达到六百万加仑，这 是一个不小的数字。按照城建规

3、划方案，该地区的饮用水主要依靠本地区的水源。 而这一地区的水质普遍存在着污染情况，不能满足饮用水标准，因此，要想利用 本地区的水资源，必须净化处理后方可使用。设备的设计软化设备的设计方案主要是以当地三口井的井水分析结果为依据，表1中列 出了设计给水水质。因为水是从一个只有70英尺深的井里抽出来的地下水，其 水质特点是有机物、色度及铁含量高，而且述有一定浓度的h2s。尽管该水源含 盐量较低(40mg/l),但因其三卤甲烷(thmfp)含量高，而且水中还存在一 定量的溶解铁，所以要想将其处理成为饮用水，膜法处理是首选的方法，因为原 水中含盐量较低，因此可选用纳滤膜技术对水进行处理。该膜的特征水通量

4、极高, 因而可以在大约为loopsi低压下运行，该膜的脱盐率介于反渗透膜和超滤膜之 间；对分子量超过300道尔顿的有机分子(例如，葡萄糖分子)的脱除率高达 99%,无机离子透过纳滤膜的量主要取决于无机离子所带电荷。在设计st. lucie 软化系统时，这种新的膜技术还处于工业应用的开始阶段，很多设计参数是工程 师们基于以前的工程直觉。该净化系统前处理工序较为简单，只包括给水的ph 值调节，向水中添加阻垢剂，并配有保安过滤器。在设计中考虑采用前处理的主 要目的是：1、防止膜结垢；2阻止大颗粒杂质进入膜元件，阻塞给水通道，给 膜的性能带来不良的影响。因为胶体颗粒和溶解的有机物可能会使膜表而岀现污

5、染现象，为解决这一问题，系统设计中可适当增加膜表而积，来弥补这一缺点， 但这种设计的结果是平均水通量较低，大约为logfdo上述设计方案己被实践检 验是可行的。该净化系统在使用了大约三年之后，当给水压力低于90psi并且在 未对膜元件进行清洗的情况下，仍能使产水量达到设计标准。因为水源是浅层地 下水，其特点是含盐量低，特别是含氯量也低，所以系统的浓水还可以再利用。 当回收率为85%时，可将浓水与当地废水处理厂已经处理过的污水混合后，用来 灌溉作物。根据预测，该地区的浅层地下水资源fi前可以满足第一期4mgd用水 要求，如果供水量需要增加时，则必须引进弗罗里达的地下水。而弗罗里达水屮 含盐量高达

6、1500ppm,因此要想对这种水质的水进行净化处理就必须把操作条件 进水压力提高很多，而且ro设备的浓水也不得不被当作废水排到一个深的 井里，因为浓水的氯含量太高了。工艺流程及设备运行图1列出了工艺流程图，图2是最终设计能力为lomgd的净化设备剖面图, 系统中主要技术指标列于表2,用泵将浅层地下水通过直径为24”的给水管道送 入设备，用压力控制阀门控制给水压力在一恒定值上。为了控制结垢，对给水应 进行加酸处理，此时不需要添加防垢剂，由于给水的ph值低，所以不用添加阻 垢剂。之后给水送入孔径为5微米的保安过滤器进行过滤，并用变频控制器控制 立式低压给水泵，将给水加压至近90psi,加压后的给水

7、送入r0系统中，85% 的给水作为产品水产出，剩余15%的水混合后用于灌溉。为了将r0产水中的 h2s和co?气体除去，r0产水送入脱气器中进行脱气处理。然后利用添加氢氧 化钠的方法来调节产品水的ph值，使langelier饱和指数为正值，同时，在r0 产品水中添加氯化钙，目的是使产品水总硬度达到所希望的水平。在将产品水送 入贮水槽之前，应向产水中加入游离氯进行杀菌。该系统使用pvd低压卷式复 合膜元件。图35中示出了 pvd膜元件在1990年2月一1991年2月这一年间的 使用操作数据，在此期间，系统的给水压力始终维持在80-90psi,产水量同样也 保持稳定状态，请注意图中产水量从460g

8、pm增加到690gpm （见图4）的情况, 其原因是因为增加了一套设计能力为0.33mgd的反渗透系统，在90-91这一年 间，产品水含盐量在100-180mg/l之间（见图5）。用pvd膜脱盐最初使用st. lucie系统时存在的一个主要问题是，在原水和产品水中铁含 量都很高，如表1所示，根据设计要求，限定原水中铁浓度应在0.1-2.9mg/l的 范围内。设计者希望水中实际铁浓度最好取0.1-2.9mg/l之间一平均值，另外， 由于水中的铁呈溶解状态，并与溶解的有机物产生化学健合。因此，设计者考虑 铁的脱除率会较高，从系统一开机，我们就开始对整个净化过程进行追踪记录， 记录结果表明，如果进水

9、中铁的浓度是设计中规定的上限2.9mg/l,而设计要求 产品水中铁浓度应在o.3mg/l以下，那么系统若仍按原设计规定的操作条件运行 时，是不可能产出达到设计标准的成品水的。通过一系列的反复试验，终于找到 了解决这一问题的方法，即降低进水的ph值，就能使铁的透过率降低，符合设 计要求。为此，系统运行时的给水ph值应为3.5-4.5之间，此时即能得到符合 标准的产品水。由于给水ph值低，其langelier指数为负值，因而停止向系统 中加入阻垢剂，抵消了由于多加酸所造成的额外费用。对所示出的数据进行分析可以看出，进水中硫酸盐离子的浓度与铁的透过率 成函数关系。同样，硫酸盐离子的透过率与一些阳离子

10、如钙、镁离子的透过率呈 函数关系。图6中示出了给水总硬度的透过率与水中硫酸根离子和总的阴离子浓 度之比呈线性函数关系，图6中画出的两条曲线，第一条线是由现场试验得出的, 第二条线是由计算机按所编排的程序计算出来的，由图6我们可得出这样一个结 论：这两条曲线在各种硫酸根与总阴离子浓试之比范围内都是十分吻合的，不仅 如此，由计算机计算出的产品水中所含成份也与实际产品水中（该产品水是利用 st. lucie设备净化得到的）分析得到的各种成份分析结果一致。具体数字在表3 中列岀，海德能公司的计算机程序“rodes”，是根据下列需要而开发的：1、 对系统中每一膜元件的产水量进行计算并汇总；2、平衡各膜元

11、件透过液和浓缩 液中的离子电荷数；3、定义了每一种离子的离子透过系数，该系数是由试验结 果而得岀的。各离子的透过系数列于表4,表中给出的每种离子的透过系数值都 是相对于氯离子的透过系数值，也就是说以氯离子的系数为参考点。例如：通常 我们是以1500-2000ppm的nacl溶液作为给水，测量这种水质条件下膜的公称 脱盐率。如果测得一个膜的公称脱盐率为98%,则氯离子的透过率应为2%,那 么在参考操作条件下，任一离子透过率，就可以用氯离子透过率（木例子中氯离 子透过率为2%）乘以特定离子透过系数，通过这种计算，即可求得该离子的透 过率。表4中列出了三种类型的膜：醋酸纤维膜、聚酰胺复合膜、纳滤膜的

12、离子 透过系数，因为这三种膜的材质差异很大，所以它们的脱盐性能有很大差异，图6和图7分别示出了其它离子的透过率与硫酸盐比例的关系，从图可看出，阴离 子的透过率似乎与硫酸盐比例无关，而阳离子的透过率随硫酸根浓度与总阴离子 浓度之比增加而降低。出现这种现彖的原因是：硫酸盐比率增加的过程实际上就 是碳酸氮根转换成碳酸根和co2的过程，即硫酸根将碳酸氢根置换岀来的过程。 以pvd膜的离子透过系数为例（见表4）,硫酸根离子的透过率低于碳酸氢根 离子的透过率100倍以上。如果给水中增加硫酸盐的比率，则透过液中阴离子浓 度将会降低，最终导致产品水中负电荷的总数降低，因此，在产品水中只需很少 量的带正电荷的离

13、子，就能使渗透液中的正、负电荷处于平衡。试验和计算都可 证明，这种方法不会影响带负电的离子的透过率。因为在给定的水溶液中增加硫 酸盐离子的浓度是除掉碳酸氢盐而发生的置换反应，离子透过率的变化的与碳酸 氢根浓度和给水屮阴离子浓度z比有关。在图8屮，我们列出了 pvd膜的离子 透过率与硫酸盐和总阴离子浓度之比的关系图。从以上所列出的结果，最终得岀 这样一个结论：当要处理的进水中含有较高浓度的硫酸根离子时，采用纳滤膜 （pvd）能得到更好的脱除效果，另一方面，当被处理的给水屮某些一价阴离子, 特别是碳酸氢根离子的浓度很高时，脱盐率也不会很高。有选择性地分离离子pvd膜对硫酸根离子的透过能力与对其它一

14、价阴离子的透过能力明显不 同，这是pvd膜所独具的特点，利用这种特点我们可将pvd膜用来降低海水中 的硫酸根离子的浓度，降低硫酸根离子的浓度将会使硫酸盐垢形成的可能性大大 降低，由此带来的优越性可应用在如下方面，例如：当一个地区的地下水中含有 高浓度的钙和顿离子时，不能将这样的水注入到油井里，但可以用经pvd处理 的海水向油井里注水；另一种用途是，低硫酸盐含量的水可用于多级闪蒸（msf） 过程。海水温度高时，msf的经济性更好。至于多级闪蒸（msf）工艺中所用 海水最高温度为多少，主要取决于硫酸钙的溶解度，因为硫酸钙的溶解度是随水 温的升高而降低的。减少海水中硫酸根离子和钙离子的浓度，即可使海

15、水温度升 高。为了检验该技术降低硫酸根离子浓度的可行性，我们进行了 pvd膜元件用 于处理天然海水的试验，结果示于图911。图中曲线表明了净驱动压力与氯离子、 硫酸根离子透过率之间的函数关系。净驱动压力范围在75-350psi之间。由于氯 离子透过率高，造成产品水中的含盐量高，此时为了维持同样的净驱动压力，实 际进水压力仅为250-750psi,比使用海水膜元件时所需的进水压力低得多，试验 用的海水成份是：氯 19000ppm、s042500ppm mgl300ppm> ca450ppm,在以 上试验条件下，根据净驱动压力的不同，产品水的硫酸根浓度为8-80ppm,对应 的硫酸根离子的透

16、过率是0.2-1.9%,而mg、ca和氯离子的透过率比硫酸根离子透过率高很多。氯离子透过率是35%-65%,在一些特殊情况下，如果用pvd膜 处理so4-c1溶液，很可能出现pvd膜不能脫除氯离子的现彖，这种现象会发生 在含高浓度的硫酸根离子并混有很活泼的阳离子的浓水中，此时，氯离子被渗透 液中带正电的阳离子拉到了渗透液一边。因此，当进水压力为某一值时，很可能 会出现这样一种现象，即有些渗透液屮的氯离子浓度反而比原水屮的氯离子浓度 还要高。结 论通过运行st. lucie设备可以证明纳滤膜（pvd）技术是一个非常好的技术, 用它来替代常规的水处理技术是即经济乂实惠。实验证明，pvd膜就其稳定性

17、 和抗污染能力而言都达到了我们预期的效果，离子透过纳滤膜的量主要取决于给 水中的离子成份，离子电荷平衡及各种离子透过系数的计算机程序可用于预测膜 元件的性能，pvd膜能够有选择性地分离某些离子的能力，使得该膜能够应用 到海水和浓水的盐份分离工艺中。表1 st. lucie脱盐水厂设计给水水质温度(°c)phca (mg/l)mg (mg/l)na (mg/l)hco3 (mg/l)cl (mg/l)so4 (mg/l)sic)2 (mg/l)fe (mg/l)h2s (mg/l) 色度toc (mg/l) 浊度(ntu) 悬浮物(mg/l)256.9585-1395-929-4427

18、7-28643-662-522-29<0.1-2.90.4-0.98-10523-301-1813-58投运时间 设备容量 进水含盐量表2 st. lucie west脱盐水厂设备参数19801mgd550ppm tds (浅水井)回收率 产水水质前处理后处理 膜元件类型 膜元件担保期 能耗设计给水压力85%200-400 ppm40-60 ppmph调节值，保安过滤器脱气、加氢氧化钠、加氯、加氯化钙 聚乙烯醇衍生物、卷式结构3年wl4kwh/加仑90-120psi该装置用于去除色度(80100单位)、铁(23ppm)及硬度表3 st. lucie脱盐水厂设计计算值和实际值回收率85%产品水中各离子成份计算数据实际数据ca (ppm)21.019.0mg (ppm