船舶海水淡化二級反滲透深度處理試驗

唐小東，姚 磊，孫建清

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海200011）

0 引 言

反滲透膜因具有良好的物理性質和分離效果而廣泛應用于化工、醫藥、海水淡化和環保等領域中。反滲透技術在海水淡化處理方面具有優異的性能，船舶獲取的飲用水一般都采用反滲透裝置處理。對一級反滲透裝置的出水水質進行檢測，部分測試項目的測試結果見表1，運行參數：進水TDS為35 000 mg／L；海水溫度為15℃；操作壓力為5.0 MPa。

表1 一級反滲透裝置出水水質檢測結果

我國城市自來水和礦泉水的TDS檢測結果見表2。

表2 我國城市自來水和礦泉水的TDS檢測結果

從表1中可看出，一級反滲透出水的硼含量為0.939 mg／L，超過了《生活飲用水衛生標準》規定的限值0.5 mg／L。對比表1與表2可知，一級反滲透的出水TDS高于城市和礦泉水的TDS，需對一級反滲透的出水進行二級反滲透處理，并開展相關條件下的控制研究。

開展該試驗的目的主要是研究二級反滲透裝置的進水壓力與濃水回流量同產水流量和TDS之間的關系，從而為裝置設計提供依據；同時，通過進一步對比脫硼效果，驗證二級反滲透處理對保障船舶生活飲用水安全的必要性。

1 試驗裝置和試驗流程

根據實船應用狀態進行模擬，設計的反滲透海水淡化試驗裝置主要由高壓泵、增壓泵、用于添加還原劑和阻垢劑的加藥泵、保安過濾器、膜組件、原水箱、產水箱，以及相應的管路和閥門等附件組成。反滲透裝置試驗流程見圖1。

圖1 反滲透裝置試驗流程

采用此套試驗裝置處理的海水和二級反滲透裝置的部分參數如下：

1）海水TDS約為35 000 mg／L；

2）海水溫度為0～40℃；

3）產水量為20 m／d；

4）脫鹽率大于等于98%；

5）回收率為74%～89%；

6）膜類型為芳香聚酰胺類RO膜；

7）有效膜面積為34 m。

2 二級反滲透裝置試驗內容

2.1 操作壓力對二級產水和TDS的影響

為研究反滲透裝置的進水壓力與產水流量和TDS之間的關系，在試驗中保證進水流量、進水TDS、進水溫度和濃水回流量為定值，試驗結果見圖2。進水流量為14 L／min；進水TDS為233～235 mg／L；進水溫度為24.7～24.9℃；濃水回流量為6 L／min。表觀回收率為產水流量與進水流量的比值。

圖2 二級產水流量和表觀回收率隨操作壓力的變化曲線

從圖2中可看出：當操作壓力為0.89～1.05 MPa時，產水流量能達到10.2～12.2 L／min，且操作壓力與產水流量之間呈正相關關系，產水的表觀回收率在74%～89%，說明控制操作壓力可達到80%的回收率要求。

由于二級反滲透裝置存在回流裝置，因此進入反滲透膜的流量為進水流量與濃水回流量之和，這是反滲透裝置進膜的實際流量，反滲透裝置的實際回收率會低于表觀回收率。實際回收率為產水流量與進水流量和濃水回流量之和的比值。二級產水流量和實際回收率隨操作壓力的變化曲線見圖3。從圖3中可看出：操作壓力與產水流量之間也呈正相關關系，但二級反滲透的實際回收率為52%～62%。由于裝置是3支膜串聯的，因此單支膜的實際平均回收率為17%～21%，低于陶氏設計導則規定的30%的最大回收率。

圖3 二級產水流量和實際回收率隨操作壓力的變化曲線

二級產水TDS和表觀脫鹽率隨操作壓力的變化曲線見圖4。從圖4中可看出：當操作壓力為0.89～1.05 MPa時，產水TDS在6～10.5 mg／L，低于標準GB 5749—2006的要求，說明鈉離子的含量低于50 mg／L，作為飲用水不會有味道，同時操作壓力的變化對產水TDS質量濃度基本上沒影響。產水TDS的表觀脫鹽率在95.5%～97.5%，說明二級反滲透的整體脫鹽率較高。

圖4 二級產水TDS和表觀脫鹽率隨操作壓力的變化曲線

二級反滲透裝置存在回流裝置，因此進入反滲透膜的混合水TDS是進水TDS與濃水回流TDS混合形成的。根據進出水TDS總量守恒，在已知進水流量、進水TDS、產水流量、產水TDS和濃水回流量等數據的情況下，可求出進入反滲透膜的實際TDS，計算結果見圖5?？芍憾壏礉B透的實際進水TDS在430～785 mg／L，實際脫鹽率在98.5%～98.8%，略高于表觀脫鹽率。

圖5 二級產水TDS和實際脫鹽率隨操作壓力的變化關系

由于現實中更加注重反滲透裝置的表觀數據，因此后續分析不再考慮反滲透裝置的實際回收率和脫鹽率，只考慮表觀回收率和脫鹽率。

2.2 濃水回流量對二級產水和TDS的影響

為研究反滲透裝置的濃水回流量與產水流量和TDS的變化關系，在試驗中保證進水流量、進水TDS、進水溫度和操作壓力為定值，試驗結果見圖6。進水流量為14 L／min；進水TDS為239 mg／L；進水溫度為25.4℃；操作壓力為1.0 MPa。

圖6 產水流量和TDS隨濃水回流量的變化關系

從圖6中可看出：在進水條件不變的情況下，濃水回流量增加使產水流量略有增加，這是由于濃水回流量增加導致進入反滲透膜的進水流量增加，在相同的操作壓力下導致產水流量增加，產水流量的取值范圍在11.6～11.9 L／min。濃水回流量增加使產水TDS也略有增加，這是由于濃水回流量增加導致進入反滲透膜的混合水中的TDS增加，產水TDS隨之增加，產水TDS的質量濃度的取值范圍為8～10 mg／L。總體來說，濃水回流比對產水流量和產水TDS的影響很小。

2.3 反滲透裝置脫硼研究

人們每天會從食物和飲用水中攝入1～3 mg硼，雖然硼是植物生長必需的微量元素，但人過量攝取會引起惡心、頭痛、腹瀉和肝臟損害，甚至會死亡。因此，去除水源中的硼是極其必要的。標準GB 5749—2006規定硼含量的上限為0.5 mg／L。

由于硼在水中常以硼酸分子的形式存在，直徑小，且不帶電荷，因此其很容易透過反滲透膜達到產水側，溫度對硼的脫除率的影響很大。通過試驗測定不同溫度下一級反滲透裝置和二級反滲透裝置的脫硼效果，結果見表3。

表3 反滲透產水中硼含量隨進水溫度的變化

從表3中可看出：隨著溫度的升高，反滲透裝置的產水中硼含量逐漸上升。當海水溫度小于15℃時，一級反滲透裝置的產水中硼含量低于0.5 mg／L；當海水溫度大于15℃時，一級反滲透裝置的產水中硼含量為0.6～0.9 mg／L，超過了《生活飲用水衛生標準》規定的限值0.5 mg／L；當海水溫度在10.3～26.1℃時，二級反滲透裝置的產水中硼含量在0.2～0.4 mg／L，滿足飲用水的要求。因此，在船舶海水淡化方面，必須對一級反滲透裝置的產水進行二級反滲透處理，只有如此才能使飲用水安全得到保障。

3 結 語

通過對二級反滲透裝置進行多次試驗研究，主要得到以下結論：

1）反滲透裝置的操作壓力與產水流量呈正相關關系，當操作壓力為0.89～1.05 MPa時，產水流量能達到10.2～12.2 L／min，產水TDS在6～10.5 mg／L，鈉離子的質量濃度低于50 mg／L，相比一級反滲透裝置的出水中TDS的質量濃度400 mg／L和鈉離子的質量濃度120 mg／L，二級反滲透裝置的出水水質更好。

2）二級反滲透裝置的濃水回流對產水流量和TDS的影響較小，濃水回流量在3～7 L／min，產水流量在11～13.5 L／min，產水TDS保持在8～9.5 mg／L，滿足產水水量和飲用水TDS的要求。

3）在除硼效果方面，一級反滲透裝置不能達到要求，經過二級反滲透處理的產水硼含量能滿足限值0.5 mg／L的要求。溫度對硼的去除率的影響很大。當海水溫度大于15℃時，一級反滲透裝置的產水中硼含量大于0.5 mg／L，不滿足要求；當溫度在10.3～26.1℃范圍內時，二級反滲透裝置的產水中硼含量在0.2～0.4 mg／L，符合飲用水標準的要求。