某工程膜法海水淡化系统调试运行与模拟分析

于忠伟,纪凯师

(大唐黄岛发电有限责任公司,山东 青岛 266500)

海水淡化作为一种水资源开源、增量技术,已广泛应用于沿海及海岛生产、生活用水[1-2]。目前,工程用海水淡化主要分为蒸馏法海水淡化与膜法海水淡化,其中,反渗透膜法海水淡化是沿海及海岛海水淡化最广泛应用的海水淡化技术[3-4]。

反渗透海水淡化的原理是在高于溶液渗透压的压力作用下,借助反渗透膜的选择分离作用,水分子透过反渗透膜而海水中盐离子不能透过膜,最终将海水中的离子与水进行分离,制得淡水。反渗透海水淡化具有低能耗、易操作、简运维等优点[5]。

为研究沿海及海岛用膜法海水淡化系统设计、运行及进一步放大,研究设计了一套生活饮用水生产能力为10万m3/d的膜法海水淡化系统,对系统进行为期3个月的连续调试运行,通过对调试中水质、压力、流量、电导率等数据的整合分析,验证了研究设计的膜法海水淡化系统的运行稳定性,并为指导进一步放大设计提供借鉴。

1 10万m3/d的膜法海水淡化系统设计

试验系统流程见图1。

图1 试验系统流程示意图

研究设计的膜法海水淡化系统工艺主要涉及海水取水、前处理、超滤与反渗透4个部分,海水经加药后进入前端过滤装置,用以除去原海水中的悬浮物及颗粒杂质等,前端过滤装置主体设备为微孔过滤器(100 μm),在前端管道混合器中加入氯化铁进行混凝。前端过滤装置产水进入超滤系统,超滤系统包含投加阻垢剂还原药剂处理。超滤产水进入一级反渗透,一级反渗透的部分出水在特定工况下通过二级反渗透进一步脱硼,二级反渗透产水与一级反渗透剩余部分产水混合作为产水,产水符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)要求。

2 前端过滤装置调试运行数据分析

2.1 前端过滤装置对海水浊度的去除效果

前端过滤装置对海水浊度的去除效果见图2。由图2可以看出,投加氯化铁混凝经砂滤过滤后,前端过滤装置产水浊度在12.5 NTU以下。进一步研究了混凝碱化过程中海水pH值对海水浊度的影响,见图3。通过图3可以看出,在混凝碱化过程中,pH值控制在9.0～11.5之间可以得到很好的清除海水浊度效果,同时在pH值=10.0时,处理后的海水最低浊度在6.5 NTU。这也说明混凝剂氯化铁投加量需要根据海水进水水质匹配合适的投加量。

图2 前端过滤装置对海水浊度与CODMn的去除效果

图3 混凝过程海水pH值对海水浊度的影响

2.2 前端过滤装置对海水化学需氧量(CODMn)的去除效果

前端过滤装置对海水CODMn的去除效果见图2。由图2可以看出,调试运行期间海水进水CODMn保持在4.5 mg/L左右,经前端过滤后,产水CODMn降到了1.0 mg/L以下,对于CODMn的去除率达到了77.8%。由此可以得出,海水中的大部分有机物可被砂滤与混凝组合工艺去除,进而降低后端超滤膜处理有机物的负荷,减缓后端膜处理工艺过程中膜污染的发生率。

3 超滤装置调试运行数据分析

3.1 超滤对海水浊度的去除效果

超滤对海水浊度的去除效果见表1,由表1可以看出,调试期间,超滤装置海水进水浊度范围主要在9.6 NTU～12.5 NTU左右,而经过超滤后,产水浊度均保持在1.5 NTU以下,浊度去除率均高于90%,这也表明,超滤膜分离过程不仅能够有效去除浊度,且能维持较长时间的稳定浊度去除。

3.2 超滤对海水盐分的去除效果

超滤对海水盐分的去除效果见表1,由表1可以看出,调试期间,超滤装置海水进水电导率存在一定的波动,电导率范围在45 mS/cm～60 mS/cm,超滤对于电导率的去除均在10%以下,产水电导与进水电导相近。这也进一步说明,超滤膜分离过程只能去除预处理海水中较大分子量的物质,而对于盐离子的去除效果较差。

表1 超滤对海水浊度和电导率的去除效果

3.3 超滤单元跨膜压差随时间的变化

超滤单元跨膜压差随时间的变化见表2,由表2可以看出,调试期间,最初运行时,超滤装置3个超滤单元跨膜压差随时间变化趋势相近,均由0.045 MPa升至0.1 MPa左右。这可能是由于系统运行过程中膜污染逐渐形成并在膜表面沉积,导致跨膜阻力增加。运行3个月后,经过膜清洗,各超滤单元膜污染情况得到恢复,各单元跨膜压差降低了约0.03 MPa。运行6个月后,发现最后一级超滤单元相比前两级超滤单元,其跨膜压差降低更多,这也说明前端超滤单元膜受污染程度更为严重,在同样清洗工艺过程中膜通量恢复相对更慢。

表2 超滤单元跨膜压差随时间的变化

4 反渗透装置调试运行数据分析

4.1 反渗透进水电导率及进水流量随时间的变化

2019-03～09反渗透装置进水电导率及进水流量随时间和温度的变化见图4。由图4可以看出,进水电导率变化主要受温度影响,同海水电导率随温度的变化类似,温度每升高1 ℃,电导率就增加2%左右。同时,从图4中还可以看出,反渗透装置的进水流量基本保持平稳水平(10.3 m3/h)。

图4 反渗透装置进水电导率及进水流量随时间的变化

4.2 反渗透对海水盐分的截留效果

反渗透对海水盐分的截留效果见表3,由表3可以看出,调试期间,反渗透装置海水进水电导率存在一定波动,电导率范围在40 mS/cm～55 mS/cm,一级反渗透对于海水盐分的截留率均在99.5%以上,产水电导与淡水电导相近。同时,二级反渗透对于海水盐分的截留率高达99.98%以上,经与部分一级反渗透产水掺混,此段产水可直接饮用。

表3 反渗透对海水盐分的截留效果和跨膜压差随时间的变化

4.3 反渗透单元跨膜压差随时间的变化

反渗透单元跨膜压差随时间的变化见表3,由表3可以看出,调试期间,反渗透单元跨膜压差主要随着进水流量的变化和进水电导率的波动而变化。由此可知,研究采用的组合工艺可以通过调整跨膜压差应对进水流量和进水电导率的波动而引起的变化。同时,系统脱盐率高,稳定性好,提高跨膜压差不会对海水盐分截留率产生影响。

5 模拟系统实验与现场实验数据对比分析

反渗透膜分离过程是集传质和传动于一体的渗透过程,在已知海水水质特点、膜元件参数和回收率等特点后,可根据物料守恒定律计算反渗透系统的处理效果。然而,上述过程较为繁琐,且实验参数复杂,给实际操作带来了困难。基于此,研究借助海德能反渗透设计软件对该工艺系统调试运行进行了模拟,并将结果进行了对比分析。具体建模过程参照文献报道[6]。模拟与现场调试产水电导率见图5。

图5 模拟产水电导率与调试结果对比

由试验数据和模拟计算的结果对比可见,在产水电导率方面,试验结果与模拟值基本吻合,说明试验运行较为稳定,且达到了接近理论值的良好效果。膜元件的性能会因为污染等因素发生变化,模拟计算中忽略了这些变化,并没有随时间调节污堵系数。总的来说,设计软件对膜分离效果的设计较为准确,有望用于中试工艺的放大。

6 结论

文章研究的以混凝—微孔过滤器—超滤—反渗透为主体工艺的膜法海水淡化组合工艺,系统运行稳定高效,产水符合生活饮用水标准,一级反渗透脱盐率达99.5%以上,二级反渗透脱盐率高达99.98%以上。同时,采用海德能反渗透设计软件模拟了系统调试运行过程,模拟计算结果与调试运行数据基本相符,可为指导进一步放大设计提供借鉴。