反渗透海水淡化预处理工艺

孙永超，解利昕，高婷婷，周晓凯

（天津大学化工学院，天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津300072）

反渗透海水淡化预处理工艺

孙永超，解利昕，高婷婷，周晓凯

（天津大学化工学院，天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津300072）

对不同海水预处理工艺进行了研究，对比分析了不同工艺产水浊度、化学需氧量（CODMn）、污染密度指数（SDI15）等参数及不同预处理工艺对超滤膜膜比通量的影响。混凝-沉淀或气浮处理能够有效降低海水浊度，配合砂滤或纤维过滤，浊度可以降低到0.3NTU左右。当超滤处理海水时，无论采用何种预处理方法，其产水浊度和SDI15都可以满足反渗透进水要求。直接超滤时，CODMn去除效果较差，超滤结合混凝-沉淀或气浮处理时，CODMn去除率有了较大的提高。预处理方法对超滤膜膜比通量影响较大，直接采用超滤进行处理时，超滤膜膜比通量衰减较快，经混凝-沉淀或气浮处理后，膜比通量衰减有所减缓，进一步经砂滤或纤维过滤后，膜比通量的衰减得到了较好的控制。采用混凝-沉淀/纤维过滤预处理工艺时超滤膜膜比通量衰减最低。

反渗透预处理；混凝-沉淀；气浮；砂滤；纤维过滤；超滤

21世纪水资源变得日益紧张，海水淡化作为现有水源有效补充手段，半个多世纪以来得到了迅速发展［1］。截至2014年全球海水淡化产能约为8520×104m3/d［2］，我国海水淡化总量达到了日产94.21×104m3的规模［3］，一定程度上缓解了沿海地区和岛屿居民生活用水以及工业用水紧张的局面。

反渗透技术是应用最广的海水淡化方法，具有设备投资省、能量消耗低、建造周期短等优点［4-5］，近几年来发展迅速，2014年世界范围内反渗透的产水规模所占比例已达到了65%。反渗透海水淡化系统主要由预处理系统和反渗透脱盐系统组成，反渗透海水淡化技术对进水的水质要求苛刻，预处理效果的好坏直接影响反渗透系统的操作和运行［6-7］。传统的预处理主要采用混凝-沉淀和砂滤等工艺，随着超滤技术的发展，反渗透预处理越来越多的开始应用超滤工艺。由于超滤工艺具有产水水质好、系统能耗低、设备运行成本低以及系统回收率高等特点，有效保证了整个反渗透系统的稳定运行。

试验结合即将兴建的海水淡化工程，开展不同预处理方法的研究。通过将几种不同预处理工艺与超滤工艺的结合，比较不同预处理工艺的出水水质以及对超滤膜膜比通量的影响。这将对于以后的工业生产奠定基础。

1　试验部分

1.1海水水质

试验于2015年6月至9月在河北曹妃甸工业区沿岸完成。海水取自附近港池，试验期间海水参数变化范围如表1所示。

1.2试验方法

试验针对图1所示不同单元组合的预处理工艺进行试验研究，以不同工序出水水质和超滤膜膜比通量变化评价预处理工艺，具体工艺组合如表2所示。

表1　海水主要参数

图1　预处理工艺流程简图

表2　预处理单元组合

1.3试验设备及操作条件

试验主要设备有超滤膜组件、混凝-沉淀装置、气浮装置、砂滤装置以及纤维过滤器。其设备参数及操作条件如下所示。

试验中使用超滤膜组件为浸没式中空纤维膜组件。膜材料为聚偏氟乙烯（PVDF），有效膜面积为2m2，膜丝内径和外径分别为0.7mm/1.2mm，膜孔径为0.03μm。试验过程跨膜压差变化范围为0.012～0.15MPa，膜比通量范围在40～45L/（m2·h）。需要运行30min反洗一次，每次反洗时需水洗20s，气水合洗50s，反洗时水量为80L/h，气量为0.8m3/h。

混凝-沉淀装置包括混合池、反应池和沉淀池，絮凝部分采用4级搅拌，搅拌速度分别为300r/min、100r/min、70r/min和40r/min，在混合池中混合时间为3min，在反应池中絮凝时间为30min，沉淀采用斜板沉淀池，沉淀时间为40min。基于之前试验研究［8-9］，本试验中混凝和气浮过程仍选择三氯化铁作为絮凝剂。混凝过程中絮凝剂加入量为5mg/L（以铁离子计）。

气浮装置进水流量为2.5t/h，气水回流流量为0.4t/h，气水比为1∶10，溶气压力为0.35MPa，每6h排渣一次。气浮过程中絮凝剂加入量为10mg/L（以铁离子计）。

砂滤过滤器内部填料为石英砂，平均粒径为0.35～0.5mm，装置内径为0.5m，装置高度为1.5m，填料高度1m。制水周期为24h，反洗采用气水反洗，气量为14L/（s·m2），水量为3.5L/（s·m2）。

纤维过滤器为胶囊挤压式，直径为500mm。过滤器中纤维丝的材质为聚丙烯纤维，丝长1.5m，纤维丝的直径50μm，比表面积80000m2/m3。过滤器每24h清洗一次，反洗采用气水擦洗，空压机气压为0.05MPa，先由上向下冲洗4min，水洗强度为8L/（m2·s），再由下向上清洗26min，水洗强度为4L/（m2·s）。

1.4水质分析

试验以海水的浊度、SDI15、颗粒数目、CODMn以及超滤膜的膜比通量等指标进行评价。浊度测定采用了哈希2100N浊度仪；温度、TDS、pH的测定采用了哈希HQ30d便携式多参数仪；颗粒数目采用了美国生产的Versacont激光颗粒计数仪；CODMn数值按国家海水质量标准（GB 3097—1997）测量。

SDI15按式（1）进行计算。

式中，T1为在30psi（1psi=6.895kPa）压力下通过0.45μm的微滤膜500mL样品溶液时所需时间，s；T2为15min后，在30psi压力下通过0.45μm的微滤膜500mL样品溶液时所需时间，s。

1.5膜比通量的计算

膜比通量是指在单位时间单位面积1m水柱压力下，通过膜表面的流量大小。膜比通量的大小与膜性能的好坏有直接关系。膜比通量与产水流量、膜面积以及跨膜压差有关，另外，产水流量与进料的温度有关［10-11］。其表达式如式（2）、式（3）所示。

式中，Q为经温度修正后的产水流量，L/h；Q0为实际测量的产水流量，L/h；T为海水的温度，℃；SF为膜比通量，L/（m2·h·mH2O）；A为膜的面积，m2；TMP为跨膜压差，mH2O。

为了反映膜的膜比通量的变化，采用膜比通量的衰减率来表示，其表达式如式（4）所示。

式中，δ为膜比通量的衰减率，L/（m5·h·mH2O）；ΔSF为在操作过程中膜比通量的减少量，L/（m2·h·mH2O）；ΔV为在操作过程中总的产水量，m3。

2　结果与讨论

2.1不同预处理工艺产水水质

2.1.1浊度变化

在整个试验过程中，原海水和不同工艺中不同工序出水的浊度如图2所示。首先7种不同工艺在经过超滤处理之后，海水浊度都较低都能达到反渗透进水要求。原海水经过气浮或者混凝-沉淀之后，海水浊度有一定程度上的降低，再经过砂滤或者纤维过滤处理之后，出水浊度有了进一步明显下降。混凝-沉淀工艺和气浮工艺对于浊度的去除有一定的作用，但是去除效果有限并且原海水浊度发生变化时出水浊度也随之发生改变。但经过砂滤和纤维过滤之后，出水浊度有了明显降低，并且不随原海水浊度的变化而发生改变，处理效果稳定，有效减少了超滤的负荷。砂滤出水的浊度范围为0.203～0.432NTU；纤维过滤出水的浊度范围为0.171～0.441NTU；超滤出水的浊度范围为0.084～0.217NTU。砂滤出水和纤维过滤出水浊度虽然一直保持较小的数值，部分数值仍然超过反渗透进水的要求，而超滤出水浊度一直小于0.3NTU，可以满足反渗透进水要求。

图2　原海水和不同工段出水的浊度

如图3所示，测量了几种不同工艺中不同工序出水不同颗粒大小的颗粒数目。由图3（a）所示，经过气浮或者混凝-沉淀处理之后，不同颗粒大小下水中颗粒数目均有降低，并且气浮出水的颗粒数目明显多于混凝-沉淀出水的颗粒数目，充分说明混凝-沉淀的出水水质优于气浮出水。出现这种现象的原因与这两个工艺的工作原理有关，混凝-沉淀的原理是将絮凝剂加入到原海水中之后，絮凝剂会与小颗粒相结合形成较大的颗粒，在沉淀池中沉淀下来；而气浮主要是依靠气泡将颗粒带到海水表面，通过排渣除去。结合图3可以发现混凝-沉淀或气浮出水经过砂滤或者纤维过滤后，可以有效地减少不同颗粒大小下颗粒个数，有效地分担超滤的负荷，这也验证了从浊度角度得出的结论，因而可以得出增加砂滤或者纤维过滤后可以降低超滤膜的负荷。同时无论是混凝-沉淀出水还是气浮出水在分别经过砂滤和纤维过滤之后，纤维过滤出水的不同颗粒大小的颗粒数目明显少于砂滤出水的颗粒数目，从颗粒数目变化可以发现纤维过滤的处理效果优于砂滤的处理效果。这主要是由于纤维过滤器的纤维丝的直径为50μm，而砂滤平均粒径为0.35～0.5mm，当纤维丝受到气囊挤压时，纤维丝之间的空隙要远小于砂滤中砂滤的间隙，因而纤维过滤器的过滤效果要优于砂滤。

2.1.2污染密度指数（SDI15）

SDI15是评价反渗透进水水质的一个很重要的指标，代表了水中颗粒、胶体和其他阻塞水净化设备物质的含量。经过试验发现7种不同工艺的超滤出水都可以满足反渗透的进水标准。经过前一部分分析可以发现表3中4种工艺可以很大程度上减少超滤膜的负荷，各工艺出水的SDI15如表3所示。对比这4个工艺中超滤进水的SDI15发现，混凝-沉淀工艺的处理效果要优于气浮工艺，经过纤维过滤后的处理效果要优于经过砂滤后的处理效果。对比这4个工艺发现原海水/混凝-沉淀/纤维过滤工艺对海水初步预处理有比较好的效果，这将很大程度上减小超滤预处理的负荷，减少超滤膜的化学清洗次数。

表3　不同工艺出水的SDI15

2.1.3化学需氧量（CODMn）

CODMn是用来标定海水中有机物等物质的含量，CODMn表示水中可化学氧化的有机物和还原性无机物含量的参数。不同工艺过程的CODMn去除率如图4所示。单纯只依靠超滤时，CODMn的去除率不高，加上混凝-沉淀或气浮工艺后，CODMn去除率有了明显地提高。

图4　不同工艺CODMn去除率

2.2膜比通量变化

膜比通量及其衰减率是评价膜性能的一个重要参数，从图5可以清楚发现，直接超滤时膜比通量下降最快，其衰减率也是最大的，这不仅使得海水产量下降，消耗能量增加，同时也使得膜丝的使用寿命降低。而且通过对比还很容易发现混凝-沉淀/超滤工艺要优于气浮/超滤工艺，再次说明对于试验地区的海水而言混凝-沉淀的处理效果比气浮更好。

从图6中可以发现混凝-沉淀/纤维过滤/超滤工艺的处理效果更好，这也说明纤维过滤比砂滤处理效果更好。与图5中的混凝-沉淀工艺相比较，发现增加砂滤或者纤维过滤后膜比通量变化更缓慢，衰减率也更小，因而说明增加一个过滤装置后，超滤系统的运行更加稳定。

从图7中可以发现，气浮/纤维过滤/超滤工艺的处理效果更好，这也再次说明纤维过滤比砂滤处理效果更好。与图5中气浮工艺相比，再次验证了增加了砂滤或纤维过滤之后，超滤的稳定性更好。

图5　直接超滤、混凝-沉淀/超滤和气浮/超滤3种工艺的膜比通量及其衰减率的对比

图6　混凝-沉淀/砂滤/超滤和混凝-沉淀/纤维过滤/超滤两种工艺的膜比通量及其衰减率的对比

图7　超滤、气浮/砂滤/超滤和气浮/纤维过滤/超滤两种工艺的膜比通量及其衰减率的对比

3　结 论

采用混凝-沉淀或气浮工艺处理海水，可以一定程度上降低浊度，配合砂滤或纤维过滤，浊度值可以降低到0.3NTU左右，但SDI15仍较高。当超滤处理海水时，不管采用何种预处理方法，其产水浊度和SDI15都可以满足反渗透进水要求。混凝-沉淀出水的浊度较气浮处理过程低，纤维过滤处理后浊度和SDI15较砂滤处理效果好。海水直接采用超滤系统时，CODMn的去除率较低，当超滤结合混凝-沉淀或气浮处理时，CODMn去除率有了较大提高。

直接采用超滤处理海水时，超滤膜膜比通量的衰减率较大，采用混凝-沉淀或气浮加超滤工艺时，膜比通量的衰减可以有效减缓，当增加砂滤或纤维过滤时，膜比通量的衰减率可以得到有效控制。通过试验发现，海水经过混凝-沉淀/纤维过滤/超滤工艺处理后膜比通量的衰减最小。

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A study on different pretreatments process in sea water reverse osmosis（SWRO） desalination

SUN Yongchao，XIE Lixin，GAO Tingting，ZHOU Xiaokai
（Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology，School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Different seawater pretreatment processes were studied in terms of comparative analysis of turbidity，chemical oxygen demand（CODMn），pollution density index（SDI15），etc and the effects on ultrafiltration membrane flux of different pretreatment processes. Coagulation-sedimentation or air flotation process can reduce seawater turbidity effectively. With sand filtration or fibre filtration，turbidity can be reduced to around 0.3NTU. When seawater was treated by the ultrafiltration，regardless of the method，the turbidity of the water and SDI15can meet the requirement of reverse osmosis. When ultrafiltration is adopted directly，the removal effect of CODMnwas very bad. When ultrafiltration combines with coagulation-sedimentation or air flotation，the removal rate of CODMnwas enhanced. Pretreament methods have a great influence on ultrafiltration membrane flux. Ultrafiltration membrane flux declined rapidly by ultrafiltration directly. Membrane flux attenuation slows by coagulation-sedimentation or air flotation. Membrane flux attenuation was well controlled after sand filtration or fibre filtration. Membrane flux attenuation is lowest by using coagulation-sedimentation/ fibre filtration.

reverse osmosis pretreatment；coagulation-sedimentation；air flotation；sand filtration；fibre filtration；ultrafiltration

P747+.5

A

1000-6613（2016）11-3658-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.041

2016-03-31；修改稿日期：2016-05-03。

国家科技支撑计划项目（2014BAB04B00）。

孙永超（1989—），男，硕士研究生，研究方向为化学工程。

联系人：解利昕，研究员，主要从事化学工程及海水淡化相关领域研究。E-mail xie_lixin@tju.edu.cn。