超滤用于海水淡化预处理的应用研究

孙磊，戴海平，柯永文（天津膜天膜科技股份有限公司，天津300457）

超滤用于海水淡化预处理的应用研究

孙磊，戴海平，柯永文
（天津膜天膜科技股份有限公司，天津300457）

反渗透系统的性能与预处理效果密切相关，尤其是在水质较差的地区。大量工程案例和测试结果证明，超滤作为反渗透海水淡化的预处理工艺效果显著。然而，超滤预处理工艺并不是一成不变的，为了优化处理效果，系统设计应随操作条件变化。有时，有必要将超滤与传统预处理技术结合使用。为了研究适用于渤海湾地区海水的以超滤为核心的有效预处理工艺，膜天膜公司在该地区开展了三次中试。其中一组试验采用了混凝-超滤集成预处理工艺，其他试验则采用了直接超滤的处理工艺。根据不同的试验条件，如温度、浊度，分为不同的阶段。本文将介绍这些试验的具体过程，并以实际操作经验为基础，对不同的超滤预处理系统进行评估，包括连续膜过滤（CMF）、浸没式膜过滤（SMF），超滤与传统的预处理方法结合或直接超滤系统，同时也验证了一系列有效的膜清洗方式。在本文中，膜性能的主要评价指标包括膜比通量、TMP、产水水质。

超滤；CMF；SMF；预处理

天津膜天膜科技股份有限公司先后进行了三次海水淡化预处理中试，每次实验都采取不同的超滤系统，包括加压式超滤、浸没式超滤，超滤与传统的预处理方法结合和直接超滤的方式。中试的主要目的是探索一种以超滤为核心的有效的预处理方法，作为渤海湾海水淡化预处理工艺。

1试验内容

1.1试验过程

为了保证实验数据的真实性和可靠性，三次试验均采用24h不间断运行方式。试验是在不同的条件下进行的，其中两组试验地点位于海水引潮湾附近，原海水直接抽到超滤系统的原水罐中，分别采用连续膜过滤系统（CMF）、浸没式膜过滤系统（SMF）。另外一组试验采用混凝沉淀预处理-超滤的方式[1]，海水被泵从海水面以下1m的位置抽吸到混凝沉淀设备中，混凝过程中使用三氯化铁作为混凝剂。处理过的海水进入中间水箱，自中间水箱被输送至CMF系统。

CMF是以中空纤维超滤膜组件作为中央处理单元，再加上配套的管路，阀门，自动清洗装置，以及化学加药装置，形成一个连续的闭环系统（图1）。SMF则是使用开放式中空纤维膜元件，将膜元件放入注满水的膜池，利用真空泵的抽吸形成负压来净化水（图2）。试验使用反冲洗，气擦洗，气水洗，化学加强反洗（CEB）来控制膜污染和恢复膜通量。

1.2超滤膜装置

试验采用膜天膜公司的中空纤维超滤柱式膜。CMF试验采用UOF-4D型号膜组件。SMF系统则使用SMF-4型号膜组件。超滤膜组件参数如表1 中所示。

表1 UF膜组件参数

2测试条件

2.1原水分析

试验对原水进行周期性检测，数据显示原水水质随季节变化明显。原海水水质见表2。

图1 直接超滤试验流程图

图2 混凝-超滤试验流程图

表2 海水特性

2.2水温

水的温度是影响超滤系统运行的主要因素之一，因此在对膜比通量进行评价之前，要对通量进行温度校正[2]。图3给出了试验期间的温度变化区间，海水季节性的温度变化非常明显，温度在-1.5～31℃范围内变化。在三个试验的海水温度都显示出相同的变化趋势。

图3 原水的温度

2.3原水浊度

不同试验地点的原水浊度存在明显差异。未经预处理的原海水浊度如图4所示。没有经过预处理的两组试验是在板结泥地海岸区进行的，原水受潮汐影响明显，高浊度的海水未经任何处理，直接从引潮湾抽出，进入超滤系统的原水水箱中，原海水浊度在2～70NTU范围内波动。

图4 未经预处理的原海水浊度

经混凝预处理后的海水浊度如图5所示。经过混凝沉淀之后，海水的浊度降低至5NTU以下，基本分布于2～3 NTU之间。

3超滤系统的性能

3.1未经预处理的CMF系统性能

由于操作条件的不同，例如水温、原水浊度等，超滤系统的性能也有明显的差异。考虑到原水水质较差、冬天水温较低和夏天有机污染物质较多等因素，试验将超滤的膜通量设置为在45～60L/(h·m2)。

图5 经预处理后的原水浊度

根据通量的不同，将试验分为以下四个阶段。

第一阶段：通量45 LMH。

第二阶段：通量50 LMH。

第三阶段：通量60LMH。

第四阶段：通量50LMH。

不同阶段超滤系统的性能及运行情况如图6所示，即使运行条件较差，超滤系统仍可以正常运行。

第一阶段，由于水温低至冰点，跨膜压差从85kPa增加到100kPa。在第二阶段，随着水温升高，TMP从75kPa降至50kPa，最后稳定在50kPa左右。第三阶段初TMP表现出一定的波动，经过有效清洗之后基本稳定在50kPa至75kPa。第四阶段，随着温度的降低，TMP不断上升，波动也更加明显。

图7给出了经温度校正后的膜比通量，超滤系统的膜比通量基本稳定，在70～120 L/m2/h/bar范围内变化，基本稳定在90 L/m2/h/bar以上。

图6 未经预处理的CMF系统性能

图7 未经预处理的CMF系统膜比通量

3.2未经预处理的SMF系统的性能

与CMF试验类似，考虑到原水水质较差的情况，试验中SMF系统膜通量控制在40～60LMH范围内。

按照膜通量的不同，分为以下三个阶段。

阶段一：膜通量为40LMH。

阶段二：膜通量为50LMH。

阶段三：膜通量为60LMH。

从图8可以看出，在水温极低的情况下，超滤系统的TMP有明显的上升趋势，从60kPa上升至80kPa。而后随着水温的上升，TMP迅速下降。第二阶段，水温高于15℃时，TMP降至50kPa，并且稳定在50～65kpa范围内。当水温达到20℃、膜通量为60LMH条件下，尽管原水浊度偏高，SMF系统的TMP稳定在50～60kPa范围内。

如图9所示，经过温度校正后，超滤系统的膜比通量稳定在90～120 L/m2/h/bar范围内，基本在100 L/ (m2·h·bar)之上。

图8 未经预处理的SMF系统性能

图9 未经处理的SMF系统的膜比通量

与未经预处理的CMF系统比较，SMF系统的TMP相对较低且更稳定，表明在水质较差的情况下，SMF的性能优于CMF。但是，SMF系统的唯一驱动力来自大气压力，其最大工作压力理论上只能达到100kPa，不适用于高流量和高TMP的情况。因此，虽然SMF系统应用于高浊度原水的性能要优于CMF系统，但仍有其局限性。

3.3经预处理的CMF系统性能

与未经预处理的CMF试验相比，经传统预处理后进行的CMF试验，试验条件更加优越。混凝沉淀的效果理想且稳定，可保证超滤系统的进水浊度在1.5～5.0 NTU之间，符合超滤膜的正常运行条件，试验设计通量较高。

按照膜通量，分为以下三个阶段。

阶段一：膜通量为70LMH。

阶段二：膜通量为60LMH。

阶段三：膜通量为60LMH，水温下降到3℃。

如图10所示，混凝-超滤系统在每个阶段的TMP相对更低，且更加稳定。在第一阶段，TMP稳定在50kPa。在第二阶段的开始，膜通量降至60LMH，TMP降低到40～45kPa范围之内。随后，随着温度的降低，TMP有所增加，但很快稳定在60kPa左右，波动不是很大。在试验的第三阶段，随着水温的降低，TMP明显上升，最终稳定在80～100kPa的范围内。超滤系统表现出了良好的稳定性和重现性。

与传统预处理技术的有效组合，使超滤系统充分的显示出了其优异的性能。经温度校正后的膜比通量相对稳定。在整个试验运行阶段，膜比通量都保持在一个较高的水平，稳定在110～150 L/（m2· h·bar）范围内，基本处于110 L/（m2·h·bar）之上。即使在低温的情况下，超滤系统的膜比通量也可达到100 L/（m2·h·bar），表明与单独超滤系统相比，与传统预处理相结合的超滤系统优势明显。

图10 经预处理的CMF系统性能

图11 经过预处理的CMF系统的膜比通量

3.4膜污染与清洗

超滤系统的膜污染主要包括胶体和颗粒对膜的堵塞污染、生物和有机物的污染以及重金属离子对膜的污染[6]。污染原因及解决办法如表3所示。

根据污染物质的不同，试验分别采用反冲洗，气擦洗，气水洗，化学加强反洗(CEB)以及在线清洗（CIP）来控制膜污染和恢复膜通量。

表3 膜污染成因及解决办法

膜天膜的气水反洗技术可达到有效的清洗效果，在未经过预处理的CMF和SMF试验中，气水洗的周期为20～60min一次。在有预处理的试验中，气水洗的周期为30～60min一次。

化学加强反洗（CEB）中使用的主要化学要剂是次氯酸钠。药剂使用量在2.0～5.0×10-2%。CEB频率为2～6d一次。一般情况下，CEB可使膜比通量恢复10%～20%。

根据不同的膜污染状况，试验分别使用盐酸、柠檬酸、次氯酸钠进行在线清洗，试验表明盐酸和柠檬酸结合对重金属污染有良好的去除效果。

4试验结果

4.1超滤系统的产水浊度

试验中对超滤系统的进水和产水浊度进行检测，未经预处理的超滤系统的进水浊度较高，在2～ 70NTU，即使进水水质较差，CMF和SMF系统产水水质也十分稳定，CMF系统的产水浊度维持在0.07～0.15NTU，平均产水浊度为0.08NTU。SMF的产水浊度维持在0.08～0.17NTU，平均产水浊度为0.09NTU。

经混凝沉淀预处理的CMF系统的进水水质相对较好，产水浊度稳定在0.07～0.12 NTU的范围内，平均水平在0.08NTU。

图12 未经预处理的CMF进水和产水浊度

图13 未经预处理的SMF进水和产水浊度

图14 经预处理的CMF进水和产水浊度

4.2 SDI15

SDI15的测定频率通常为3～15d一次，采用Milli⁃pore ZLFI00001 SDI测定仪进行检测。未经预处理的CMF系统产水的SDI15值保持在1.88～2.77范围内，平均产水SDI15值为2.20。未经预处理的SMF系统产水的SDI15值保持在1.87～2.88范围内，平均值为2.22。经预处理后的CMF系统产水SDI15值稳定在1.86～2.72范围内，平均值为2.11。88%的产水SDI15小于2.5。

图15 未经预处理的CMF系统产水SDI

图16 未经预处理的SMF系统产水SDI

图17 经预处理过后的CMF系统产水SDI

5 结论

使用PVDF中空纤维超滤膜组件（膜天膜UOF-4D和SMF-4）进行试验，试验结果表明，虽然试验地点以及进水水质不同，膜天膜的超滤膜组件都可为反渗透系统提供良好的进水。试验中超滤产水的浊度稳定在0.07～0.17NTU范围内，基本低于0.10NTU。超滤产水SDI15稳定在1.86～2.88范围内，85%的产水SDI15低于2.5。

虽然三组试验运行条件有明显差异，但运用高效的物理和化学的膜清洗技术（气水洗，反冲洗，化学药剂清洗，在线清洗），超滤系统均可保持稳定的运行性能，即使在进水浊度较高的条件下，超滤系统仍可正常运行。

在进水水质较差的情况下，SMF系统性能要优于CMF系统。但由于缺乏主要的驱动力（SMF系统的驱动力主要来自于大气压力），SMF膜组件无法满足流量较高以及TMP较高的运行要求。

与单独超滤相比，与混凝沉淀结合的超滤系统能在较低的跨膜压差和较高的流量下稳定运行。超滤系统的膜比通量显著提升，稳定在110～150 L/(m2· h·bar)之间，基本处于110 L/(m2·h·bar)以上。与传统预处理技术的有效组合，使超滤性能更充分的发挥。考虑到系统的稳定性和长期的运行成本，选择超滤系统与传统混凝沉淀相结合的集成工艺作为渤海湾反渗透海水淡化预处理技术是比较合理的。

［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.

［2］P. Glueckstern, M. Priel, Mark Wilf. Field evaluation of capillary UF technology as a pretreatment for large seawater RO systems. Desalination, 2002, 147(1-3):55-62.

［3］R. Sheikholeslami，J. Bright. Silica and metals removal by pretreatment to prevent fouling of reverse osmosis membranes. Desalination, 2002, 143(3):255-267.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.009

TQ085+47

A

1008-1267（2016）02-0025-07

2015-11-10