反渗透膜在海水淡化系统中的应用

反渗透膜在海水淡化系统中的应用

反渗透膜前置预处理方案设计自发明实用性复合膜以来，它以其长期的使用寿命长、性能稳定、不易污染等特点，对能源、化工、钢铁、电子、制药、食品、市政和环保等领域进行了广泛的应用，特别是在海水淡化、锅炉供水、废水处理和特殊分离方面。海洋平台所需的生产用淡水，其处理系统的水源主要由海水和水源井水两种，针对这两种不同的来源，为确保反渗透膜元件能长期稳定运行，需要对反渗透膜的前置预处理方案开展针对性设计。1反渗透膜的组成和特点自从聚酰胺类复合膜出现后，复合膜就取代醋酸纤维素类分离膜成为了全世界反渗透膜产业的支柱，这种高度交联和全芳香结构，决定了其高度的化学物理稳定性和耐久性，能够承受强烈的化学清洗；高密度的亲水性酰胺基团则使其具有高产水量和高脱盐率的综合性能。通过微量的添加剂、控制分离层聚合体中哌嗪的解离程度，可以调节其对一价或二价离子的截流能力，制造出对不同盐类或溶质有选择性截流的纳滤膜，以达到选择性分离的目的。复合膜的主要结构强度是由无纺布提供的，它具有坚硬、无松散纤维的光滑表面。由于超薄分离层直接复合在无纺布上时，表面太不规则，且孔隙太大，因此需要在无纺布上预先涂布一层高透水性微孔聚砜作为支撑层，其孔径约为150埃左右。超薄分离层是反渗透过程中真正具有分离作用的功能层，它的高交联度性质决定了其具有极高的物理强度和抗化学生物降解的性能。表征膜性能的参数是水通量和溶质透过性。理想的反渗透膜也要求有高的水通量，根据溶质特点和应用要求，完全不让指定的溶质透过。膜系统通常设计和运行在固定的水通量条件下，水通量高的膜所需的操作压力低，因而节约能耗。一般规律是，水通量高的膜，盐透过量也高，盐透过量随下述因素的增加而降低：2选择膜件的重要因素(1)反渗透系统ro系统总产水量与系统中膜元件的总有效膜面积成正比，由于反渗透系统是根据规定的通量(单位面积上的流量)作为设计基础，选用的膜元件的有效面积越大，同样的产水量，所需膜元件数、膜壳数及其它配件的量就越少。(2)预处理设备的要求进水流道的宽度直接影响运行成本。进水流道越宽，系统对进水水质的要求和预处理设备不正常工况的要求相对来说越宽松。较宽的进水流道，还可以更有效的进行膜清洗，即使在高污染条件下，系统仍可维持较低的压降。这意味着膜元件具有更长的使用寿命。(3)清洗ph值范围清洗液的pH值是去除膜元件内污染物的关键，膜元件本身所能承受的pH值范围越宽，则清洗效果就越好，而清洗越有效，清洗间隔时间就越长，每次清洗的耗时也就越少，清洗成本最低。3预处理方案的确定为提高反渗透膜系统的效率，确保反渗透膜能长期稳定运行，必须对反渗透膜的进水进行有效地预处理。针对进水水源，选择适宜的预处理工艺，可减少污堵、结垢和膜降解，从而大幅度提高系统效能，实现系统产水量、脱盐率、回收率和运行费用的最优化。预处理方案取决于水源和水质，而且主要取决于水源。反渗透膜前置预处理包括海水含盐处理、颗粒及胶体处理、生物污染处理、水源井水处理等。3.1膜表面结垢可能性以海水为水源的反渗透系统必须考虑海水的特性，海水的高含盐量必然导致极高的渗透压，为了不超过膜元件的耐压极限，或为了降低系统能耗，海水淡化系统的回收率一般限制到40～50%。表面取水的海水淡化系统如果未采取防止生物污染的措施，将会在膜表面上发生生物污染。为此，可引入斯蒂夫和大卫饱和指数(S&DSIC)作为表示CaCO3结垢可能性的指标。S&DSIC=pHC-pHS：式中pHC为浓水pH值；pHS为CaCO3.2粘土、胶体硅海水中淤泥和胶体的来源通常包括细菌、粘土、胶体硅等。胶体和颗粒污堵将严重地影响反渗透及纳滤元件的性能，大幅度降低产水量，采用的处理方式通常包括：(1)细砂和无烟煤过滤器介质过滤器可以除去颗粒、悬浮物和胶体，通常经过介质过滤器处理就可以达到SDI15≤5。水处理系统最常用的过滤介质是石英砂和无烟煤，细砂过滤器石英砂颗粒有效直径为0.35～0.5mm，无烟煤过滤器颗粒有效直径为0.7～0.8mm，采用石英砂上填充无烟煤的双介质过滤器时，能够提供更加有效的清洗效果。建议过滤介质的最小总床层深度不小于0.8m。(2)反渗透预处理微滤(MF)或超滤(UF)膜能除去水中所有的悬浮物，还能除去一些有机物。通常情况下，采用MF/UF做为反渗透膜的预处理，产水的浊度可以小于1，SDI可以小于3。原水中的悬浮颗粒，胶体可以被微滤或超滤大幅度拦截。另外，原水中的细菌、病毒、藻类及一些有机物也能被截留，从而减轻反渗透膜污染，降低反渗透膜负荷。因此，采用MF/UF比采用传统介质过滤器做为预处理，反渗透膜的稳定运行通量可以提高，同时可降低反渗透膜的设备投资。(3)防止悬浮颗粒破坏每台反渗透膜装置应配置滤芯式保安过滤器，其孔径的最低要求为小于10μm，它对膜和高压泵起保护作用，防止可能存在的悬浮颗粒的破坏。需要注意的是，滤芯式过滤器不能用于大量杂质过滤。如果上一级的介质过滤或超滤失去保护作用时，滤芯式过滤器不能长时间运行。3.3生物污染预处理海水中含有各种微生物和藻类，考虑到细菌的一般尺寸为1～3μm，可以按防止胶体污染预处理方法进行除去，但在适宜条件下，微生物和藻类会大量繁殖形成生物膜，因此需要在预处理过程中对其进行特别处理。常见的处理方式如下：(1)氯消毒氯作为高效灭菌剂能运用广泛，但是由于膜元件对氯敏感，因此在进入膜元件之前必须经过彻底地脱氯处理，防止膜的氧化。(2)影响式杀菌处理冲击处理方式是在有限的时间段内，向系统的进水中加入过量杀菌剂，通常利用亚硫酸氢进行处理。3.4反渗透膜系统防酸性措施海洋平台生产用淡水处理系统的水源除海水之外，也可能选择水源井水。水源井除上述海水污染物之外，还有很大可能性含有硫化氢，为此，可采取以下针对性措施处理。●通过添加亚硫酸氢钠等还原剂维持系统的绝氧状态。●对进水脱气以除去硫化氢，既可以设置在膜系统的上游，也可以设置在下游。如果反渗透膜系统不能保证硫化氢呈溶解气体状态，则建议将脱气设置在膜系统上游；如果产水输送系统中不能保证硫化氢呈溶解气体状态，则建议将脱气设置在下游。●通过加药将硫化氢氧化成难溶硫，再通过介质过滤器过滤去除。4设置次氯酸钠发生器海洋平台以海水作为水源的反渗透膜前置预处理流程通常包括以下设备，海水提升泵、次氯酸钠发生器、海水粗过滤器、氯杀菌装置，如图2所示。海水提升泵从海平面以下大约10米处将海水输送至平台上，海水中含有较多微生物和其它杂质，尤其是微生物进入平台后附着在设备和管路上不受控制的生长，进而对整个海水系统造成重大影响，甚至可能造成系统运行瘫痪。为杀灭进入平台海水中的微生物，需要在平台上设置次氯酸钠发生器，次氯酸钠发生器产生的次氯酸通过管线注入至海水泵入口，海水混合次氯酸进入平台，次氯酸持续作用杀灭海水中的微生物和细菌。随即，海水进入海水粗过滤器，将海水中的杂质，例如砂粒、贝壳和其它海生物等去除。过滤后的海水进入反渗透膜生产淡水。为进一步杀灭淡水中的细菌，需要为生产出的淡水注入次氯酸。5预处理方案设计因素海洋平台所需的生产用淡水，其处理系统的水源主要由海水和水源井水两种，针对这两种不同的来源，反渗透膜是较为成熟的处理解决方案。反渗透膜对于海洋平台所需的大规模淡水供给，可以提供有效的支持，具有较好的推广应用价值。而反渗