超濾用于海水淡化預(yù)處理的應(yīng)用研究

孫磊，戴海平，柯永文（天津膜天膜科技股份有限公司，天津300457）

超濾用于海水淡化預(yù)處理的應(yīng)用研究

孫磊，戴海平，柯永文
（天津膜天膜科技股份有限公司，天津300457）

反滲透系統(tǒng)的性能與預(yù)處理效果密切相關(guān)，尤其是在水質(zhì)較差的地區(qū)。大量工程案例和測試結(jié)果證明，超濾作為反滲透海水淡化的預(yù)處理工藝效果顯著。然而，超濾預(yù)處理工藝并不是一成不變的，為了優(yōu)化處理效果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)隨操作條件變化。有時，有必要將超濾與傳統(tǒng)預(yù)處理技術(shù)結(jié)合使用。為了研究適用于渤海灣地區(qū)海水的以超濾為核心的有效預(yù)處理工藝，膜天膜公司在該地區(qū)開展了三次中試。其中一組試驗(yàn)采用了混凝-超濾集成預(yù)處理工藝，其他試驗(yàn)則采用了直接超濾的處理工藝。根據(jù)不同的試驗(yàn)條件，如溫度、濁度，分為不同的階段。本文將介紹這些試驗(yàn)的具體過程，并以實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對不同的超濾預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行評估，包括連續(xù)膜過濾（CMF）、浸沒式膜過濾（SMF），超濾與傳統(tǒng)的預(yù)處理方法結(jié)合或直接超濾系統(tǒng)，同時也驗(yàn)證了一系列有效的膜清洗方式。在本文中，膜性能的主要評價指標(biāo)包括膜比通量、TMP、產(chǎn)水水質(zhì)。

超濾；CMF；SMF；預(yù)處理

天津膜天膜科技股份有限公司先后進(jìn)行了三次海水淡化預(yù)處理中試，每次實(shí)驗(yàn)都采取不同的超濾系統(tǒng)，包括加壓式超濾、浸沒式超濾，超濾與傳統(tǒng)的預(yù)處理方法結(jié)合和直接超濾的方式。中試的主要目的是探索一種以超濾為核心的有效的預(yù)處理方法，作為渤海灣海水淡化預(yù)處理工藝。

1試驗(yàn)內(nèi)容

1.1試驗(yàn)過程

為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，三次試驗(yàn)均采用24h不間斷運(yùn)行方式。試驗(yàn)是在不同的條件下進(jìn)行的，其中兩組試驗(yàn)地點(diǎn)位于海水引潮灣附近，原海水直接抽到超濾系統(tǒng)的原水罐中，分別采用連續(xù)膜過濾系統(tǒng)（CMF）、浸沒式膜過濾系統(tǒng)（SMF）。另外一組試驗(yàn)采用混凝沉淀預(yù)處理-超濾的方式[1]，海水被泵從海水面以下1m的位置抽吸到混凝沉淀設(shè)備中，混凝過程中使用三氯化鐵作為混凝劑。處理過的海水進(jìn)入中間水箱，自中間水箱被輸送至CMF系統(tǒng)。

CMF是以中空纖維超濾膜組件作為中央處理單元，再加上配套的管路，閥門，自動清洗裝置，以及化學(xué)加藥裝置，形成一個連續(xù)的閉環(huán)系統(tǒng)（圖1）。SMF則是使用開放式中空纖維膜元件，將膜元件放入注滿水的膜池，利用真空泵的抽吸形成負(fù)壓來凈化水（圖2）。試驗(yàn)使用反沖洗，氣擦洗，氣水洗，化學(xué)加強(qiáng)反洗（CEB）來控制膜污染和恢復(fù)膜通量。

1.2超濾膜裝置

試驗(yàn)采用膜天膜公司的中空纖維超濾柱式膜。CMF試驗(yàn)采用UOF-4D型號膜組件。SMF系統(tǒng)則使用SMF-4型號膜組件。超濾膜組件參數(shù)如表1 中所示。

表1 UF膜組件參數(shù)

2測試條件

2.1原水分析

試驗(yàn)對原水進(jìn)行周期性檢測，數(shù)據(jù)顯示原水水質(zhì)隨季節(jié)變化明顯。原海水水質(zhì)見表2。

圖1 直接超濾試驗(yàn)流程圖

圖2 混凝-超濾試驗(yàn)流程圖

表2 海水特性

2.2水溫

水的溫度是影響超濾系統(tǒng)運(yùn)行的主要因素之一，因此在對膜比通量進(jìn)行評價之前，要對通量進(jìn)行溫度校正[2]。圖3給出了試驗(yàn)期間的溫度變化區(qū)間，海水季節(jié)性的溫度變化非常明顯，溫度在-1.5～31℃范圍內(nèi)變化。在三個試驗(yàn)的海水溫度都顯示出相同的變化趨勢。

圖3 原水的溫度

2.3原水濁度

不同試驗(yàn)地點(diǎn)的原水濁度存在明顯差異。未經(jīng)預(yù)處理的原海水濁度如圖4所示。沒有經(jīng)過預(yù)處理的兩組試驗(yàn)是在板結(jié)泥地海岸區(qū)進(jìn)行的，原水受潮汐影響明顯，高濁度的海水未經(jīng)任何處理，直接從引潮灣抽出，進(jìn)入超濾系統(tǒng)的原水水箱中，原海水濁度在2～70NTU范圍內(nèi)波動。

圖4 未經(jīng)預(yù)處理的原海水濁度

經(jīng)混凝預(yù)處理后的海水濁度如圖5所示。經(jīng)過混凝沉淀之后，海水的濁度降低至5NTU以下，基本分布于2～3 NTU之間。

3超濾系統(tǒng)的性能

3.1未經(jīng)預(yù)處理的CMF系統(tǒng)性能

由于操作條件的不同，例如水溫、原水濁度等，超濾系統(tǒng)的性能也有明顯的差異?？紤]到原水水質(zhì)較差、冬天水溫較低和夏天有機(jī)污染物質(zhì)較多等因素，試驗(yàn)將超濾的膜通量設(shè)置為在45～60L/(h·m2)。

圖5 經(jīng)預(yù)處理后的原水濁度

根據(jù)通量的不同，將試驗(yàn)分為以下四個階段。

第一階段：通量45 LMH。

第二階段：通量50 LMH。

第三階段：通量60LMH。

第四階段：通量50LMH。

不同階段超濾系統(tǒng)的性能及運(yùn)行情況如圖6所示，即使運(yùn)行條件較差，超濾系統(tǒng)仍可以正常運(yùn)行。

第一階段，由于水溫低至冰點(diǎn)，跨膜壓差從85kPa增加到100kPa。在第二階段，隨著水溫升高，TMP從75kPa降至50kPa，最后穩(wěn)定在50kPa左右。第三階段初TMP表現(xiàn)出一定的波動，經(jīng)過有效清洗之后基本穩(wěn)定在50kPa至75kPa。第四階段，隨著溫度的降低，TMP不斷上升，波動也更加明顯。

圖7給出了經(jīng)溫度校正后的膜比通量，超濾系統(tǒng)的膜比通量基本穩(wěn)定，在70～120 L/m2/h/bar范圍內(nèi)變化，基本穩(wěn)定在90 L/m2/h/bar以上。

圖6 未經(jīng)預(yù)處理的CMF系統(tǒng)性能

圖7 未經(jīng)預(yù)處理的CMF系統(tǒng)膜比通量

3.2未經(jīng)預(yù)處理的SMF系統(tǒng)的性能

與CMF試驗(yàn)類似，考慮到原水水質(zhì)較差的情況，試驗(yàn)中SMF系統(tǒng)膜通量控制在40～60LMH范圍內(nèi)。

按照膜通量的不同，分為以下三個階段。

階段一：膜通量為40LMH。

階段二：膜通量為50LMH。

階段三：膜通量為60LMH。

從圖8可以看出，在水溫極低的情況下，超濾系統(tǒng)的TMP有明顯的上升趨勢，從60kPa上升至80kPa。而后隨著水溫的上升，TMP迅速下降。第二階段，水溫高于15℃時，TMP降至50kPa，并且穩(wěn)定在50～65kpa范圍內(nèi)。當(dāng)水溫達(dá)到20℃、膜通量為60LMH條件下，盡管原水濁度偏高，SMF系統(tǒng)的TMP穩(wěn)定在50～60kPa范圍內(nèi)。

如圖9所示，經(jīng)過溫度校正后，超濾系統(tǒng)的膜比通量穩(wěn)定在90～120 L/m2/h/bar范圍內(nèi)，基本在100 L/ (m2·h·bar)之上。

圖8 未經(jīng)預(yù)處理的SMF系統(tǒng)性能

圖9 未經(jīng)處理的SMF系統(tǒng)的膜比通量

與未經(jīng)預(yù)處理的CMF系統(tǒng)比較，SMF系統(tǒng)的TMP相對較低且更穩(wěn)定，表明在水質(zhì)較差的情況下，SMF的性能優(yōu)于CMF。但是，SMF系統(tǒng)的唯一驅(qū)動力來自大氣壓力，其最大工作壓力理論上只能達(dá)到100kPa，不適用于高流量和高TMP的情況。因此，雖然SMF系統(tǒng)應(yīng)用于高濁度原水的性能要優(yōu)于CMF系統(tǒng)，但仍有其局限性。

3.3經(jīng)預(yù)處理的CMF系統(tǒng)性能

與未經(jīng)預(yù)處理的CMF試驗(yàn)相比，經(jīng)傳統(tǒng)預(yù)處理后進(jìn)行的CMF試驗(yàn)，試驗(yàn)條件更加優(yōu)越。混凝沉淀的效果理想且穩(wěn)定，可保證超濾系統(tǒng)的進(jìn)水濁度在1.5～5.0 NTU之間，符合超濾膜的正常運(yùn)行條件，試驗(yàn)設(shè)計(jì)通量較高。

按照膜通量，分為以下三個階段。

階段一：膜通量為70LMH。

階段二：膜通量為60LMH。

階段三：膜通量為60LMH，水溫下降到3℃。

如圖10所示，混凝-超濾系統(tǒng)在每個階段的TMP相對更低，且更加穩(wěn)定。在第一階段，TMP穩(wěn)定在50kPa。在第二階段的開始，膜通量降至60LMH，TMP降低到40～45kPa范圍之內(nèi)。隨后，隨著溫度的降低，TMP有所增加，但很快穩(wěn)定在60kPa左右，波動不是很大。在試驗(yàn)的第三階段，隨著水溫的降低，TMP明顯上升，最終穩(wěn)定在80～100kPa的范圍內(nèi)。超濾系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

與傳統(tǒng)預(yù)處理技術(shù)的有效組合，使超濾系統(tǒng)充分的顯示出了其優(yōu)異的性能。經(jīng)溫度校正后的膜比通量相對穩(wěn)定。在整個試驗(yàn)運(yùn)行階段，膜比通量都保持在一個較高的水平，穩(wěn)定在110～150 L/（m2· h·bar）范圍內(nèi)，基本處于110 L/（m2·h·bar）之上。即使在低溫的情況下，超濾系統(tǒng)的膜比通量也可達(dá)到100 L/（m2·h·bar），表明與單獨(dú)超濾系統(tǒng)相比，與傳統(tǒng)預(yù)處理相結(jié)合的超濾系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。

圖10 經(jīng)預(yù)處理的CMF系統(tǒng)性能

圖11 經(jīng)過預(yù)處理的CMF系統(tǒng)的膜比通量

3.4膜污染與清洗

超濾系統(tǒng)的膜污染主要包括膠體和顆粒對膜的堵塞污染、生物和有機(jī)物的污染以及重金屬離子對膜的污染[6]。污染原因及解決辦法如表3所示。

根據(jù)污染物質(zhì)的不同，試驗(yàn)分別采用反沖洗，氣擦洗，氣水洗，化學(xué)加強(qiáng)反洗(CEB)以及在線清洗（CIP）來控制膜污染和恢復(fù)膜通量。

表3 膜污染成因及解決辦法

膜天膜的氣水反洗技術(shù)可達(dá)到有效的清洗效果，在未經(jīng)過預(yù)處理的CMF和SMF試驗(yàn)中，氣水洗的周期為20～60min一次。在有預(yù)處理的試驗(yàn)中，氣水洗的周期為30～60min一次。

化學(xué)加強(qiáng)反洗（CEB）中使用的主要化學(xué)要劑是次氯酸鈉。藥劑使用量在2.0～5.0×10-2%。CEB頻率為2～6d一次。一般情況下，CEB可使膜比通量恢復(fù)10%～20%。

根據(jù)不同的膜污染狀況，試驗(yàn)分別使用鹽酸、檸檬酸、次氯酸鈉進(jìn)行在線清洗，試驗(yàn)表明鹽酸和檸檬酸結(jié)合對重金屬污染有良好的去除效果。

4試驗(yàn)結(jié)果

4.1超濾系統(tǒng)的產(chǎn)水濁度

試驗(yàn)中對超濾系統(tǒng)的進(jìn)水和產(chǎn)水濁度進(jìn)行檢測，未經(jīng)預(yù)處理的超濾系統(tǒng)的進(jìn)水濁度較高，在2～ 70NTU，即使進(jìn)水水質(zhì)較差，CMF和SMF系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)也十分穩(wěn)定，CMF系統(tǒng)的產(chǎn)水濁度維持在0.07～0.15NTU，平均產(chǎn)水濁度為0.08NTU。SMF的產(chǎn)水濁度維持在0.08～0.17NTU，平均產(chǎn)水濁度為0.09NTU。

經(jīng)混凝沉淀預(yù)處理的CMF系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)相對較好，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.07～0.12 NTU的范圍內(nèi)，平均水平在0.08NTU。

圖12 未經(jīng)預(yù)處理的CMF進(jìn)水和產(chǎn)水濁度

圖13 未經(jīng)預(yù)處理的SMF進(jìn)水和產(chǎn)水濁度

圖14 經(jīng)預(yù)處理的CMF進(jìn)水和產(chǎn)水濁度

4.2 SDI15

SDI15的測定頻率通常為3～15d一次，采用Milli?pore ZLFI00001 SDI測定儀進(jìn)行檢測。未經(jīng)預(yù)處理的CMF系統(tǒng)產(chǎn)水的SDI15值保持在1.88～2.77范圍內(nèi)，平均產(chǎn)水SDI15值為2.20。未經(jīng)預(yù)處理的SMF系統(tǒng)產(chǎn)水的SDI15值保持在1.87～2.88范圍內(nèi)，平均值為2.22。經(jīng)預(yù)處理后的CMF系統(tǒng)產(chǎn)水SDI15值穩(wěn)定在1.86～2.72范圍內(nèi)，平均值為2.11。88%的產(chǎn)水SDI15小于2.5。

圖15 未經(jīng)預(yù)處理的CMF系統(tǒng)產(chǎn)水SDI

圖16 未經(jīng)預(yù)處理的SMF系統(tǒng)產(chǎn)水SDI

圖17 經(jīng)預(yù)處理過后的CMF系統(tǒng)產(chǎn)水SDI

5 結(jié)論

使用PVDF中空纖維超濾膜組件（膜天膜UOF-4D和SMF-4）進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然試驗(yàn)地點(diǎn)以及進(jìn)水水質(zhì)不同，膜天膜的超濾膜組件都可為反滲透系統(tǒng)提供良好的進(jìn)水。試驗(yàn)中超濾產(chǎn)水的濁度穩(wěn)定在0.07～0.17NTU范圍內(nèi)，基本低于0.10NTU。超濾產(chǎn)水SDI15穩(wěn)定在1.86～2.88范圍內(nèi)，85%的產(chǎn)水SDI15低于2.5。

雖然三組試驗(yàn)運(yùn)行條件有明顯差異，但運(yùn)用高效的物理和化學(xué)的膜清洗技術(shù)（氣水洗，反沖洗，化學(xué)藥劑清洗，在線清洗），超濾系統(tǒng)均可保持穩(wěn)定的運(yùn)行性能，即使在進(jìn)水濁度較高的條件下，超濾系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行。

在進(jìn)水水質(zhì)較差的情況下，SMF系統(tǒng)性能要優(yōu)于CMF系統(tǒng)。但由于缺乏主要的驅(qū)動力（SMF系統(tǒng)的驅(qū)動力主要來自于大氣壓力），SMF膜組件無法滿足流量較高以及TMP較高的運(yùn)行要求。

與單獨(dú)超濾相比，與混凝沉淀結(jié)合的超濾系統(tǒng)能在較低的跨膜壓差和較高的流量下穩(wěn)定運(yùn)行。超濾系統(tǒng)的膜比通量顯著提升，穩(wěn)定在110～150 L/(m2· h·bar)之間，基本處于110 L/(m2·h·bar)以上。與傳統(tǒng)預(yù)處理技術(shù)的有效組合，使超濾性能更充分的發(fā)揮。考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長期的運(yùn)行成本，選擇超濾系統(tǒng)與傳統(tǒng)混凝沉淀相結(jié)合的集成工藝作為渤海灣反滲透海水淡化預(yù)處理技術(shù)是比較合理的。

［1］Wei Ma, Yaqian Zhao, Lu Wang. The pretreatment with enhanced coagulation and a UF membrane for seawater desalination with reverse osmosis. Desalination, 2007，203(1-3):256-259.

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10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.009

TQ085+47

A

1008-1267（2016）02-0025-07

2015-11-10