PDF《高回收率膜法苦咸水淡化工艺的应用研究进展》

2015 年第78 卷w2015003

2 咸水和微咸水等非常规水资源的开发利用,提高水资源的利用效率,可以在存量资源不变的条件下,有 效增加新的水资源供给量,是缓解广大地处内陆的半干旱和干旱地区水资源供需矛盾的重要途径[3,4] . 工业上广泛应用的苦咸水淡化工艺包括多级闪蒸(Multi-stage flash distillation, MSF)、低温多效蒸馏 (Multiple effect distillation, MED)、 反渗透(Reverse osmosis, RO)、 纳滤(Nanofiltration, NF)、 正渗透(Forward osmosis, FO)、膜蒸馏(Membrane distillation, MD)、电渗析(Electrodialysis, ED)和电容去离子化(Capacitive deionization, CDI)等八种最常见的技术方法[5~8] ,其中,后六种均为膜法分离技术.膜法苦咸水淡化自

20 世纪

60 年代起快速发展,并由于无相变、低能耗的特点,逐渐在新的苦咸水淡化装机容量中超过热法 技术.苦咸水多取自地下深井,天然地经过了多孔介质的过滤作用(砂质、粘土和岩石等),水中的许多 颗粒物质和一些有机物被除去.而且随着膜法预处理技术的进步,胶体、悬浮固体和大部分微生物能够 被超滤(ultrafiltration, UF)膜较有效地消除;

有机物特别是大分子有机物能够被 UF 膜大部分截留[9,10] .另外,与海水总溶解固体含盐量(total dissolved solids, TDS)中主要由一价 Na+ 和Cl? 构成不同,苦咸水 TDS 中通常是由二价成垢离子 Ca2+ 和SO4 2? 构成[11] .在苦咸水淡化工艺中,溶解性无机盐的浓缩因子 (concentrate factor, CF)一般都在 4~10 之间.因此,膜法苦咸水淡化过程中最可能遇到的困扰是膜面无 机结垢.目前,国内外在提高苦膜法咸水淡化系统产水回收率方面开展了较多的研究.苦咸水淡化的产 水回收率是影响其成本的主要因素.传统 RO 等膜法苦咸水淡化工程的系统产水回收率一般为 40%~ 75%[12~14] .产水回收率是反渗透等膜法系统设计中一个非常关键的参数,决定着进水处理系统(取水、预 处理系统和高压泵)的尺寸和排向环境的浓盐水量.提高系统产水回收率意味着能够降低进水处理系统 的水量、降低耗电量和化学药品的用量,最终降低成本;

同时也大量减少浓盐水排放量,从而降低对环 境的污染.但是,系统产水回收率的提高需要较高的操作压力,由此带来较快的膜面无机结垢和频繁的 膜元件清洗与更换.因此,研发在不加剧膜污染条件下进一步提高苦咸水淡化系统产水回收率的方法, 对于大幅度降低产水成本具有重要意义.本文对国内外高产水回收率膜法苦咸水淡化工艺的研究进展和 面临的问题进行了评述,并对此提出了建议.

1 高产水回收率膜法苦咸水淡化的研究进展 1.1 反渗透工艺 1.1.1 一级一段 RO 工艺 Lee 等[15~18] 在美国 San Joaquin Valley 的研究表明,当采用一段式(浓水分 段)RO 膜法工艺时,大多数内陆苦咸水淡化厂的系统产水回收率为 40%~60%,因此,面临大量浓盐水 外排的严峻环境问题.然而,RO 苦咸水淡化厂系统产水回收率的进一步提高易于导致膜面浓水侧出现 无机结垢,如CaSO4pCaCO3pSiO2 和BaSO4 等. AlTaee 等[18] 采用 ROSA 软件模拟苦咸水 RO 膜元件 BW30-400 进行分离和操作参数优化实验. 当保 持苦咸水进水 TDS 含盐量为

4610 mg/L、进水温度为 25℃、进水 pH 为5.0 恒定不变时,在产水回收率 从25%逐渐上升至 80%的分离过程中,苦咸水 RO 膜BW30 产水的比能耗值从初始的 0.8 kWh/m3 逐渐 下降至产水回收率为 60%时的 0.45 kWh/m3 ,然后又逐渐上升 0.62 kWh/m3 ;