反渗透海水淡化系统的非常规预处理技术

李洋

（江苏丰海新能源工程技术有限公司， 江苏 盐城 224100）

随着膜技术和膜装备的不断革新发展， 反渗透工艺已经成为海水淡化的首推、 首选技术。 目前，在国内反渗透型海水淡化厂的产能已经占国内总工程规模的68.7%［1］。 海水淡化预处理系统是一个完整的反渗透海水淡化系统的组成部分， 是反渗透系统长期稳定运行的重要保障。 混凝沉淀、 气浮、 介质过滤、 微滤（MF）和超滤（UF）等常规的预处理技术在现有的海水淡化厂中已经得到了成功应用， 具有较好的有效性和经济性。 随着技术和装置的发展和革新， 纤维束过滤器、 陶瓷膜、 生物过滤器、 电絮凝等非常规海水淡化预处理技术的研究和应用取得了一定的成果， 具有较好的应用前景。

本文简要介绍纤维束过滤器、 陶瓷膜、 生物过滤器、 电絮凝等技术的工作原理、 工艺组成和性能特点， 以及在现有应用案例中的运行表现； 分析各项技术的适用范围和优缺点， 为今后的项目实践提供参考。

1 非常规预处理技术和装置

1.1 纤维束过滤器

介质过滤器在传统的预处理系统中一直扮演着重要的角色， 其作用是在混凝沉淀、 气浮等处理工艺的基础上， 对原海水进行进一步的过滤净化处理。 现有项目中使用到的介质过滤器， 无论是重力式还是压力式， 绝大多数都是采用粒状滤料（如无烟煤、 石英砂、 活性炭、 锰砂等）作为滤元， 对水中的杂质进行过滤吸附。 很多建成及运行的实际项目已经证明， 介质滤料作为预处理系统的重要组成在技术上是可行的， 且具有较高的运行经济性。 但介质过滤器的缺点是占地面积大， 过滤精度易受滤料粒径限制， 运行不合理易出现漏砂跑砂等现象。

纤维束过滤器是一种采用新型的束装软性填料—— 纤维束（图1）作为滤元， 以腈纶、 涤纶或丙纶为原料， 纤维束直径可达几微米到几十微米，具有比表面积大、 过滤阻力小等特点。

图1 纤维束Fig. 1 Fiber bundle

纤维束过滤器由耐腐蚀壳体、 纤维束滤料、 中心集水管、 纤维束固定盘、 扭转传动装置、 进水口、 出水口、 进气口等组成。 过滤器在运行时， 扭转传动装置转动， 使松散的纤维束扭转抱团并形成致密的过滤器层， 海水从过滤层外面进入致密的纤维过滤层， 透过过滤层后进入中心集水管，原海水实现过滤； 反洗时， 扭转传动装置反方向动作， 使纤维束处于松散状态， 利用空气和水对纤维束进行反洗， 去除留在纤维束上的杂质， 恢复过滤层的截留性能。 过滤器的2 个工作状态如图2 所示［2］。

图2 纤维束过滤器的2 个工作状态Fig. 2 Two working status of fiber bundle filter

图3 为纤维束过滤器的工艺流程示意［2］， 原海水经海水提升泵加压后流入管道式静态混合器， 与投加的混凝剂充分混合后进入纤维束过滤器， 过滤后的海水进入产水箱。 与介质过滤器工作机理一样， 过滤一段时间后达到设定压差时， 利用配套的反洗水泵、 反洗风机对过滤器进行气、 水反洗， 以恢复过滤器的截留能力。

图3 纤维束过滤器工艺流程示意Fig. 3 Process flow of fiber bundle filter

Kim 等［2］采用纤维束过滤器作为紧凑型预处理装置处理高浊度海水， 在日产2 000 t 淡化水的中试试验装置中， 纤维束过滤器作为超滤装置的前置过滤器有良好的性能表现。 在为期一年的试验中， 装置进水浊度的范围是5 ～52 NTU， 预处理系统的产水浊度始终保持在0.3 NTU 以下， SDI15值在3 以下， 产水水质满足海水反渗透系统的进水要求。

纤维束过滤器具有过滤精度高、 过滤速度快、截污容量大、 占地面积小、 自耗水率低、 吨水造价低等优点。 缺点是会出现因纤维丝断裂、 打结从而导致过滤性能下降等现象。 另外， 随着纤维球滤料、 彗星式纤维滤料以及旋翼式纤维滤料的不断发展， 在一些实际项目案例中， 如冯金玲［3］、 盛堂祥［4］等采用新型滤料取代传统的粒状滤料， 也取得了颇为成功的效果。

1.2 陶瓷膜

目前， 应用于反渗透海水淡化预处理系统的微滤膜、 超滤膜和纳滤膜绝大多数采用的是有机膜，即采用高分子有机复合材料制成的膜， 应用较为广泛的材料有聚醚砜（PES）、 聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙烯（PVC）、 聚丙烯（PP）等。 有机膜以其取材广泛、 单位膜面积制造成本低廉、 膜组件装填密度大等优势， 获得了非常广泛的应用， 目前有机膜占据了整个膜市场90% 以上的份额。 与有机膜相对应的无机膜， 按照制膜材料主要分为金属膜、 陶瓷膜、 沸石膜和玻璃膜等， 其中应用最为广泛的是陶瓷膜。

陶瓷膜是一种以不同规格的氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）、 氧化钛（TiO2）和氧化硅（SiO2）等无机陶瓷材料作为支撑体， 经表面涂膜、 高温烧制而成的非对称固体膜。 陶瓷膜多采用“三明治式”结构： 支撑层（载体层）、 过渡层（中间层）、 膜层（分离层）， 结构类型主要有平板式、 中空纤维式和多通道式； 按过滤精度可以分为： 微滤膜、 超滤膜和纳滤膜。

图4 为中空纤维式陶瓷膜的结构电镜图片［5］。

图4 中空纤维式陶瓷膜电镜图片Fig. 4 Scanning electron microscopy（SEM） images for ceramic hollow fiber membrane

市场化应用较广泛的陶瓷膜主要采用多通道式， 即在单根陶瓷管截面上分布多个通道， 一般通道数有3、 7、 12、 19、 37、 61 等， 再由1 根或多根陶瓷管组成一个膜组件， 图5 为典型的多通道陶瓷膜组件外形。 陶瓷膜装置在工艺系统设计、 系统组成和运行模式上， 与有机膜装置具有很大程度的一致性。 陶瓷膜装置多作为混凝沉淀池、 气浮池、介质过滤器的后置处理系统， 主要由给水泵、 精密过滤器、 陶瓷膜组件、 产水箱、 反洗水泵、 反洗风机、 化学加强反洗和就地化学清洗等工艺设备组成。 在运行模式上， 净水系统多采用“死端运行”的模式， 并按照“过滤→放空→气洗→水反洗→水正洗→过滤”的步序进行循环运行。 当气、 水反洗不足以有效恢复膜组件的过滤能力时， 需对膜组件进行化学加强反洗和化学清洗； 可能用到的化学清洗剂有酸碱液（盐酸、 硫酸、 氢氧化钠等）、 螯合剂（EDTA、 柠檬酸等）、 氧化剂（高锰酸钾、 次氯酸钠等）和表面活性剂等。

图5 陶瓷膜组件外形Fig. 5 Outline of ceramic membrane module

经模拟试验和实际案例运行情况看， 相比于有机膜， 陶瓷膜组件具有运行通量高、 孔径分布窄、分离效果好、 机械强度高、 受温差影响小、 寿命周期长等优点； 缺点是产品造价高、 不耐强碱、 脆性大、 加工成型和装配难度较大等［6］。 目前， 将陶瓷膜应用在海水预处理系统的案例并不多， 其中具有代表性的是由南京工业大学膜科学技术研究所在舟山建成的日产150 t 的示范装置， 该装置采用陶瓷膜组件作为预处理系统的核心部件， 处理后的海水浊度小于0.08 NTU， SDI15值小于2， 铁离子质量浓度小于0.05 mg／L， 产水水质参数完全满足反渗透系统的进水要求。 类似的中试装置研究还有很多， 如Hamad 等［7］、 Kang 等［8］， 都给出了采用陶瓷膜作为预处理系统的产水完全能够达到反渗透系统的进水水质要求的结论。

1.3 生物过滤器

在反渗透膜处理系统中， 膜污染现象是在各个项目中不可避免的问题， 主要体现在无机盐结垢、碳酸盐结垢、 金属氧化物沉积、 胶体污染、 有机物污染和生物污染等， 其中生物污染现象尤为显著，同时也是最难以控制的一种膜污染。 膜生物污染会导致反渗透系统出现产水水量下降、 透盐率上升和段间跨膜压差升高等现象。

在典型预处理系统中， 多采用杀菌剂对原海水进行杀菌、 灭活， 以控制微生物对后续工艺设备、管路造成影响。 然而， 在实际执行过程中， 随着微生物耐药性的提高， 少数微生物会穿过预处理系统并附着在反渗透膜表面， 并以被杀死的微生物（可降解性有机物AOC）和预处理系统产水中残留的有机物（溶解性有机物DOC）作为营养源进行快速繁殖［9］， 并形成菌落（生物膜）吸附在膜表面， 从而减少膜组件的有效膜面积， 进一步影响膜系统的产水水质和水量。 典型的混凝沉淀、 气浮、 过滤和杀菌等工艺无法去除原海水中的DOC［9］， DOC 的存在是反渗透膜组件出现有机物污染和生物污染的主要原因。

生物过滤器是一种以活性炭或无烟煤为滤料的压力式过滤器， 属于单层滤料过滤器， 与传统的介质过滤器在结构上无太大差异， 但在设备运行上有一定的区别： ①一般作为传统介质过滤器的后置处理设备， 进水浊度要求不大于1 NTU； ②滤料高度为0.6 ～1.4 m； ③过滤速率为5 m／h 左右， 停留时间为7.5 ～60 min； ④过滤器中水体含氧量控制在5 mg／L 左右； ⑤反洗强度与过滤速率一致。 以上多个运行参数区别于传统介质过滤器， 目的是使海水中的微生物在多孔型滤料上形成菌落和生物膜，利用多种菌类对水中的DOC 进行氧化处理， 以实现降低水中有机物含量的目的。

Naidu 等［9］采用活性炭作为滤料进行试验， 原海水进水浊度为0.68 NTU 左右， DOC 质量浓度为1.85 mg／L 左右， 活性炭有效粒径为0.41 mm， 过滤速度为5 m／h， 滤床高度为0.6 m， 停留时间为10.8 min， 试验数据表明DOC 的去除率可达60%以上。 Hu 等［10］采用活性黏土和沸石作为滤料， 平均粒径为0.5 ～2.5 mm， 滤床高度为1.4 m， 溶解氧质量浓度为5 ～6 mg／L， 在停留时间为30 min 时，AOC 和DOC 的去除率分别为40%～49% 和35%～45%。 Chinu 等［11］分别采用活性炭和无烟煤作为滤料进行装置性能模拟， 试验装置采用内径9.5 cm和高度150 cm 的透明有机玻璃管为壳体， 活性炭有效粒径为0.3 mm、 过滤速率为10 m／h， 无烟煤有效粒径为1.0 mm、 过滤速率为5 m／h， 滤床高度均为0.8 m， 每天进行反洗， 当平均进水浊度为1 NTU 时， 无烟煤和活性炭过滤器的产水浊度分别为0.2 ～0.3 NTU 和0.28 ～0.31 NTU， 膜污染倾向指数在装置运行前20 h 内分别 由0.22 降到0.12，以及由0.35 降到0.21。

1.4 电絮凝

电絮凝技术是以消耗型金属（如铝、 铁等）作为电极， 在直流电的作用下， 阳极被溶蚀并电解氧化成金属阳离子Al3＋、 Fe3＋、 Fe2＋， 在水中发生一系列的水解、 聚合作用形成羟基络合物、 多核羟基络合物和氢氧化物絮凝剂， 与待处理的水混合均匀后，水中的胶体杂质、 悬浮杂质脱稳并凝聚； 同时， 在电化学作用下， 阳极和阴极产生的气体形成微小气泡， 并吸附在絮凝体上， 使絮凝体上浮并达到分离的效果［12］。

一个完整的电絮凝装置主要由电极板、 耐腐蚀壳体、 布水装置、 集水装置和供电电源等组成， 极板多采用性价比高的铝板或铁板。 根据电极板连接方式的不同， 可以将电絮凝装置分为单极式、 双极式和组合式。 供电电源多采用“供电－断电－供电”不断重复的脉冲式供电方式， 同时采用自动周期换向的输出方式， 以解决在传统电絮凝技术中存在极板钝化问题。 影响电絮凝装置处理效果的因素主要有： 原水水质、 电极材质、 极板间距、 电流密度、 脉冲波形、 停留时间、 原水pH 值、 原水温度等。

电絮凝装置在提供与化学药剂絮凝同等功能的同时， 还能够去除水中的藻类、 细菌及重金属等杂质。 该技术已经在生活污水、 工业废水、 含油污水等方面有着广泛的应用。 近些年来， 电絮凝技术在海水预处理方面也有较为深入的研究。 Timmes 等［13］采用电絮凝技术作为某军用净化水装置中超滤系统的前置工艺， 试验装置采用铁板作为极板， 极板规格： 宽×高×厚＝19.050 cm×50.800 cm×0.318 cm，水力停留时间为40 s， 上升流速为18 m／h， 电流密度为19A／m2， 在处理进水浊度为17 NTU、 pH 值为8、 总溶解固体物的质量浓度为33 000 mg／L 的海水时， 发现经电絮凝处理的试验组减缓了超滤工艺的膜污染， 且出水效果更好， 跨膜压差控制在41 kPa 左右。 Hakizimana 等［14］使用电絮凝作为膜法海水淡化系统的预处理技术， 并对水中的硬度、 微生物和有机物的去除率进行了研究， 通过电絮凝试验装置的处理， DOC 去除率高达70.8%， 吸光度下降89.7%； 在电流密度为11.2 mA／cm2， 停留时间为10 min 的条件下， 微生物可以得到完全去除， 但硬度去除率只在10% 左右。 Zhang 等［15］研究了电絮凝技术在苦咸水和海水预处理中对二氧化硅的脱除效果， 试验结果表明使用铝板作为极板比采用铁板会获得更高的二氧化硅去除率， 苦咸水中的二氧化硅去除率最高可达90.2%， 海水中的二氧化硅去除率最高可达60.7%； 同时， 当苦咸水中二氧化硅的质量浓度在28 mg／L 时， 可以获得最佳的去除效果。

2 技术对比

上述分别介绍了纤维束过滤器、 陶瓷膜、 生物过滤器、 电絮凝技术的基本原理、 运行工艺、 当前研究进展以及优缺点。 现对这几项技术与典型的技术进行对比， 内容详见表1。

表1 反渗透海水淡化预处理系统的非常规技术对照Tab. 1 Performance comparison among unconventional pretreatment technologies for reverse osmosis seawater desalination system

3 结语

季节性变化、 潮汐运动以及人类活动等不利因素将导致原海水水质恶化， 对系统造成冲击和影响， 作为反渗透装置的前置处理， 预处理系统承担着减轻这一影响的作用。 这就要求设计者在进行系统设计和工艺路线选择时， 应充分考虑各种不利因素， 为每个处理装置的处理负荷留有冗余。 合理的预处理系统既要满足功能性要求， 又要从选材便捷性、 运行维护和经济性等进行综合考虑。

纤维束过滤器、 陶瓷膜、 生物过滤器、 电絮凝装置在技术成熟度、 市场占有率和应用经济性方面与常规技术相比都有较大差距。 相信随着技术研究的不断深入和工艺制造水平的持续发展，这些技术会逐步应用到反渗透海水淡化的研发领域和工程案例中。