纳滤工艺在苦咸水淡化工程中的应用

李东洋，晏 鹏，王生辉，黄鹏飞，王锐浩

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

纳滤膜又被称为“疏松型反渗透膜”或“致密型超滤膜”，其孔径范围介于反渗透膜和超滤膜之间，约1 nm左右[1]。纳滤膜具有特殊的分离性能，截留分子量在200道尔顿～1 000道尔顿之间，对盐的截留率与离子价态、组分及浓度密切相关[2-4]。纳滤膜对2价离子的截留率和反渗透相近，对相对分子质量为200～500 的有机物及胶体几乎可以全部脱除[5]。因此，选择合适的纳滤膜用于我国西北地区常见的高硬度硫酸盐型苦咸水淡化处理，在去除水中各种有害物质的同时, 选择性保留水中人体需要的部分矿物质及微量元素[6], 产品水呈弱碱性，满足居民饮水健康要求。同反渗透相比，纳滤膜表面带负电, 在较低压力下仍有较高脱盐性能，系统的能耗更低[7]。文章介绍了纳滤工艺应用于和田苦咸水淡化工程的应用案例，可为同类型地区的农村苦咸水的脱盐处理提供参考。

1 工程概况

苦咸水淡化工程位于和田县，水源为阿依玛克村井水，原水主要超标指标为溶解性总固体、总硬度、氯化物、硫酸盐。当地人长期饮用高含盐量的苦咸水，会引起腹泻、腹胀等消化系统疾病，出现过敏症状，严重的甚至诱发肾结石[8]。要达到生活饮用水卫生标准《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006)的要求需要进行脱盐处理。

2 工艺设计

根据原水低浊度、高硬度、高盐度的水质特点，设计采用“高效浅层介质过滤+纳滤”组合的工艺(见图1)。原水通过潜水泵从水井取出，经浅层介质过滤器、保安过滤器过滤后，进入纳滤膜组进行脱盐，脱盐后的水消毒后经供水泵进入水塔，通过现有供水管线输送至用户。该工艺具有流程简单、占地面积小、能耗低、运行稳定的特点。

图1 工艺流程图Fig.1 Flow chart of treatment process

3 主要设计参数

3.1 取水单元设计

深井泵设计采用离心泵，为防止水井中的大颗粒杂物进入潜水泵，潜水泵外部设计了网罩，进行初步过滤。为对抗苦咸水对水泵的腐蚀，水泵材质为设计选用不锈钢316L。潜水泵与调节水箱液位进行联动控制，一旦出现状况系统自动停潜水泵，并发出信号作用于后续的处理单元。

3.2 预处理单元设计

井水在进入纳滤系统之前，为防止纳滤膜表面发生污染，必须尽量除去悬浮固体、微生物、胶体物质等，使进水浊度<1 NTU, 污染指数(SDI)<3[9]。设计采用“多介质过滤—精密过滤”的组合工艺对井水进行预处理。

3.2.1 浅层介质过滤

采用全自动浅层介质过滤器用来去除水中的肉眼可见颗粒物。过滤器内部设置呈星状均匀分布的蘑菇状压差补偿集水器，使系统在过滤状态下分水压平衡，可在较高过滤流速(20 m/h)下，达到较好的过滤效果；反洗时形成内环流，反洗效率高且不跑砂。系统通过压差变化自动进行运行、反冲及正冲等步骤。系统每隔4 h进行一次反洗，每次反洗时间2 min，反洗耗水量是传统砂滤器的30%左右。

3.2.2 精密过滤

精密过滤器又叫“保安过滤器”，是纳滤膜进水保护的最后一道屏障，确保纳滤进水SDI<3，延长膜的使用寿命。工程设置保安过滤器1台，处理流量为16 m3/h，过滤精度为5 μm。

3.3 纳滤脱盐单元设计

纳滤脱盐单元为整套系统的核心单元，主要包括高压泵和纳滤膜组。

3.3.1 高压泵

设计选用水润滑式叶片泵，与普通多级离心泵相比，能耗更低。高压泵过流件材质设计选用超级双相钢2507，防腐性能良好。高压泵通过变频器启停和调速，保证进水流量的平稳变化，减少对膜元件的冲击。

3.3.2 纳滤膜组

纳滤膜组为系统的脱盐核心，主要设计参数：

(1)运行水温。根据当地自来水公司的检测数据，井水一年四季的温度均在5 ℃以上，同时聚酰胺纳滤膜最高允许进水温度为45 ℃，设计进水水温范围为5 ℃～40 ℃。

(2)平均水通量。膜组进水为无污染的地下井水，水通量取18.5 LMH。

(3)膜元件。设计采用节能型聚酰胺纳滤膜元件12支，单支膜元件性能参数如表1。该膜可在超低压力下工作，从而实现节能、降低操作费用的目的。

表1 纳滤膜元件性能参数Tab.1 Performance parameters of nanofiltration membrane element

(4)水回收率。根据井水水质特点，设计水回收率为70%。

(5)压力容器。设计采用8英寸4芯压力容器3台，耐压等级300 psi。

(6)膜组排列方式。采用两段式(2 ∶1)排列，其中第一段共2台压力容器，每台压力容器中装置有4支8040纳滤膜；第二段共1台压力容器，每台压力容器中装有4支8040纳滤膜。

3.4 化学清洗及加药单元设计

随着纳滤系统的长时间运行，污垢会吸附、沉积到膜面上或进入到膜孔中，严重的情况下会将膜孔道堵塞，使膜的渗透阻力显著增加，膜通量降低，导致产水流量下降[10]。为了确保纳滤系统长期稳定运行，工程设置化学清洗装置1套，化学清洗频率为3个月。

为防止纳滤膜内结垢，并提高系统水回收率，原水在进入纳滤膜之前需投加阻垢剂，以防止难溶性碳酸盐和硫酸盐在膜组件的浓水侧析出结垢，根据原水水质特点及膜软件计算结果，设计阻垢剂投加浓度为3 mg/kg。纳滤产水采用次氯酸钠进行消毒，设计加入量为1 mg/kg。

3.5 供水单元设计

工程设置产水缓冲水箱高低液位和高位水塔高低液位监控，系统通过监控液位的变化自动控制产水泵及消毒剂计量泵的启停，从而自动对外供水。

4 运行效果分析

连续30 d监测结果表明工艺运行稳定，出水水质良好。整套系统平均进水量为16.0 m3/h，平均产水量为10.8 m3/h，平均淡水回收率为67.5%，平均产水TDS约115 mg/L。纳滤单元平均淡水回收率为70.1%，平均进膜压力0.66 MPa，平均浓水压力0.65 MPa。选择连续运行30 d的进出水水质数据进行分析，平均进出水水质指标及主要超标物质去除率见表2。

表2 进出水水质Tab.2 Influent and effluent quality

4.1 进水水质

由表2可知，原水中溶解性总固体、总硬度、硫酸盐及氯化物含量严重超标。与《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006)相比，溶解性总固体是标准限值的2.85倍，总硬度是标准限值的2.44倍，氯化物含量是标准限值的1.86倍，硫酸盐含量是标准限值的5.08倍。原水硬度高、盐度高，硫酸盐含量高，属于典型的硫酸盐型苦咸水。

4.2 出水水质

由表2可知，产水各指标均已达到《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006)要求。30 d内产水主要指标随时间呈现小幅波动，但全部低于指标限值(见图2)。30 d运行周期内，产水TDS维持在104 mg/L～135 mg/L之间，平均TDS去除率为96.0%；氯化物含量维持在55.3 mg/L～74.6 mg/L之间，平均氯化物去除率为86.2%；总硬度维持在5.48 mg/L～7.49 mg/L之间，平均总硬度去除率为99.4%；硫酸盐含量维持在6.13 mg/L～8.48 mg/L之间，平均硫酸盐去除率为99.4%；各超标物去除效果明显。

图2 产水主要指标Fig.2 Main indicators of product water

4.3 系统能耗及节能分析

系统选用水润滑式叶片泵，同普通的多级离心泵相比，在流量15.4 m3/h,0.66 MPa工况条件下，能耗降低约21.2%。另一方面，从产水数据可知纳滤对二价离子的脱除率超过了99%，而对一价氯离子的脱除率仅有86%，这种选择透过性，特别适用于硫酸盐型苦咸水淡化。以该项目进水水质为例，若采用反渗透进行脱盐处理，经专业膜系统设计软件模拟计算，系统操作压力约为0.89 MPa，纳滤工艺比反渗透工艺节能约14.8%。

系统总体运行功率约12.6 kW。其中取水及浅层过滤单元运行功率4.96 kW，纳滤脱盐单元运行功率6.02kW，供水单元1.58 kW，折合吨水运行能耗约1.17 kW·h。

4.4 运行成本分析

经测算，系统运行成本约0.92元/m3，各部分费用构成详见表3。

表3 运行成本分析Tab.3 Running cost analysis

5 结论

“浅层介质过滤—纳滤”的组合工艺在和田苦咸水淡化工程中运行稳定，总硬度及硫酸盐的去除率超过了99%， TDS去除率达到了96%，氯化物的去除率达到了86%，产水水质满足《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006)的要求。该组合工艺运行成本为0.92元/m3，具有较高的经济价值、实用价值和良好的推广前景，为解决我国西北地区地下水含盐量高的问题提供可供复制的样板，为纳滤脱盐技术在同类型地区的推广提供参考。