苦咸水淡化工艺的应用研究进展

麦正军，赵志伟，彭 伟，张 帅，周继豪

(后勤工程学院 国防建筑规划与环境工程系，重庆 401311)

【基础理论与应用研究】

苦咸水淡化工艺的应用研究进展

麦正军，赵志伟，彭 伟，张 帅，周继豪

(后勤工程学院 国防建筑规划与环境工程系，重庆 401311)

在某些偏远缺水地区，苦咸水是附近唯一可利用的水源，因而近年来苦咸水淡化工艺也成为脱盐领域研究的热点。在简述苦咸水现状及危害的基础上，对近年来苦咸水淡化工艺研究进行了总结与分析，指出了各主要工艺的优缺点和适用性，并针对目前各工艺存在的问题，对以后的研究进行了展望。

苦咸水；脱盐；纳滤；反渗透；电渗析

根据水中含盐量，通常将含有总溶解性固体(TDS)1 000 mg/L至10 000 mg/L的水称为苦咸水，其中TDS小于6 000 mg/L为低中度苦咸水，6 000 mg/L以上为高度苦咸水。苦咸水由于含盐量高无法直接使用，根据世界卫生组织的要求，含盐量低于500 mg/L才适合作为饮用水[1]。调查显示，全球有19%的脱盐工艺用于处理苦咸水，以期获得合格的饮用水[2]。目前，积极开发苦咸水等非常规水源，提高利用效率，已成为缓解水质、水源性缺水的一种重要方式[3]。本研究在简述了苦咸水的现状及危害的基础上，对近年来苦咸水淡化工艺研究进行了总结与分析，指出了各主要工艺的优缺点和适用性，并针对目前各工艺存在的问题进行了展望，以期推动苦咸水淡化工艺的研究与应用。

1 苦咸水

1.1 苦咸水存在形式

苦咸水主要以地下水和地表水的方式存在。地下苦咸水较为丰富，占有地下水资源中一半以上的存量[4]，我国主要存在于北方地域，在某些干旱偏远村镇缺水地区，地下水苦咸水也是附近唯一可用的水源[5]。此外，在沿海、海岛村镇和内陆的地表水受海水侵蚀、渗透、倒灌和地质等原因导致含盐量超标[6-7]，这类地表苦咸水水质不稳定，受季节影响较大。

1.2 苦咸水危害

直接饮用苦咸水，不仅口感差，还危害人类健康，导致腹泻、皮肤过敏、诱发肾结石等[8]。若是以地下苦咸水为水源，常伴有氟化物超标现象。氟化物在水中不以任何颜色、气味或味道存在，如砷一样作为一种无形的毒药存在于地下水[9]。人体摄入过量的氟会出现氟斑牙，导致牙齿出现斑点和韧带钙化[10]。

2 苦咸水淡化的主要工艺

目前针对苦咸水主要有以反渗透、纳滤、电渗析为核心的脱盐工艺，其他还有蒸馏法、膜蒸馏法等。

2.1 反渗透

反渗透技术是一个压力驱动的过程，通过半透膜去除进料液中的溶解性成分(如盐)。作为一种广谱的膜分离技术，以及随着反渗透膜的国产化，反渗透法淡化苦咸水逐渐被广泛接受。

2.1.1 工艺运行优化

与地表水相比，地下水水质更好，用于生产饮用水的前处理工艺更少[11]。李旭等[12]在南疆铁路附近开展了普通反渗透复合膜处理高盐高硬度地下苦咸水(TDS为6 720 mg/L，硬度25.9 mmol/L)的试验研究，采用传统的预处理(多介质过滤和精密过滤)，在操作压力为1.4 MPa时，系统脱盐率稳定在99%左右，单支膜回收率稳定在40%以上，产水水质满足生活饮用水标准，验证了该膜实际可行性和稳定性。

针对海水倒灌引起原水含盐量升高的问题，相关研究人员[6-7]构建了超滤/反渗透一体装置，开展了TDS含量小于2 000 mg/L的苦咸水淡化的中试研究，结果表明，系统操作压力均不超过1.4 MPa，回收率在75%左右，装置对TDS的去除率始终大于96%，出水水质远优于生活饮用水卫生标准。同时指出，采用超滤膜法预处理可有效缓解反渗透膜的有机污染。

2.1.2 减缓系统膜污染

膜污染严重影响了系统的产水水质及水量，为减缓系统膜污染，主要通过优化运行参数、加酸、添加阻垢剂和树脂软化的方式控制膜污染。Venkatesan等[13]构建了离子交换/反渗透工艺，仿真模拟表明，树脂软化后明显抑制了结垢，回收率也可达到90%，减少了浓水处理成本。当反渗透浓水达到一定浓度时，可用于树脂再生，不再需要额外的化学药剂，大大减少了再生费用。Sweity A等[14]研究指出，阻垢剂对预防膜的无机污染具有显著的作用，但也会造成膜的微生物污染。

2.1.3 降低系统能耗

反渗透工艺的高能耗和浓水排放等问题一定程度上阻碍了该工艺的应用。为此，Haidari A H等[15]设计了一套PURO系统，将反渗透膜元件垂直放置于钻井中，通过钻井深处自然的静水压力，在低回收率下获取渗透水。PURO系统在地下钻井运行，无化学预处理，浓水直接注入含有相近盐度地下水的深层承压含水层。与相同产水能力的传统反渗透系统相比，PURO系统能耗可降低39%，但装置在地下运行，维护保养困难。因此，合适的水文地质条件、钻井成本等因素是PURO系统广泛运用的重要条件。

也有研究者利用新能源来降低RO系统的能耗，例如，利用丰富的太阳能和风能驱动RO系统运行[16]，此类系统对于解决偏远缺电地区的饮水问题具有重要意义。

总体看来，苦咸水反渗透工艺水源适用范围广、出水水质安全，但存在预处理要求苛刻、泵的高能耗以及化学药剂使用量大的缺点，在去除盐分的同时，也去除了对人体有益的元素[17-18]。目前的研究集中于工艺的优化运行、膜污染的控制和降低运行能耗方面。

2.2 纳滤

纳滤膜的孔径介于超滤膜与反渗透膜之间，其特点是软化效果好、二价离子去除率高，一价离子去除率低。与反渗透相比，能在低操作压力下产生高膜通量，有效保留水中人体所需要的盐分。

F.Elazhar等[19]分别使用纳滤膜NF90和反渗透膜BW30LE4040处理摩纳哥地区同一地下苦咸水(TDS为2 690 mg/L)，进行平行试验表明，反渗透膜BW30LE4040的产水TDS为132 mg/L，纳滤膜NF90的产水TDS为429 mg/L，产水水质均能达标。然后比较了日产3 000 m3/d的RO系统 和NF系统的经济性， NF系统投资成本略高而运行成本较低，主要是能耗较低、药剂量少，若能提高NF系统使用寿命，延长膜更换周期，制水成本较RO系统更低。

对于南四湖水无机盐超标(TDS为1 368 mg/L)的问题，党敏等[20]采用超滤/纳滤双膜工艺开展了现场试验研究，结果表明，在操作压力0.6 MPa下，纳滤膜通量连续稳定在50 L/(m2·h)左右，TDS去除率在65%左右，产水水质满足生活饮用水标准，同时指出在相同能耗下两段式NF系统产水量比一段式NF系统高58%。

赖特明等[21]采用活性炭和超滤作为纳滤脱盐工艺的预处理，开展了崇明岛苦咸水(高咸期时TDS为3 000 mg/L)淡化中试研究，结果表明，采用活性炭和超滤作为预处理，降低了膜清洗频率，延长了纳滤膜更换周期，节省了膜投入成本。

纳滤淡化苦咸水主要适用于低盐度苦咸水，已有试验结果表明[22]，当原水含盐量(主要是一价离子)较高时，一级NF系统出水的钠离子存在超标的风险。2010年天津市滨海新区建成了双级纳滤工艺处理地表高度苦咸水(TDS为12 000 mg/L)的示范工程用于生产绿化用水，通过两年来的运行表明，两级操作压力均低于0.85 MPa，产水TDS低于600 mg/L，运行费用为2.2元/吨水[23]。

在淡化工艺中，膜自身的材质、制备工艺等决定了膜的应用效能，目前国内大都使用进口纳滤膜。鉴于此，胥璐等[24]选用两种性能不同的国产纳滤膜开展了高氟苦咸水淡化基础研究，配置试验原水(TDS为3 046 mg/L，氟离子为2 mg/L)，研究结果表明，理想操作压力在1.0～1.5 MPa，NF3A脱盐除氟性能优于NF2A，但NF2A的产水通量优于NF3A。试验验证了国产纳滤膜处理高氟苦咸水的可行性，但是试验中缺乏对产水水质含盐量成分的具体分析。

可以看出，由于纳滤独特的分离特性，水源适用范围较窄，但整个系统运行能耗低，相同条件下回收率更高。目前的研究集中于纳滤脱盐性能、工艺的运行优化和国产纳滤膜制备方面。

2.3 电渗析

电渗析脱盐的能耗与原水含盐量成正相关，在海水、高度苦咸水淡化领域不具有经济优势[25]，广泛应用于低中盐度苦咸水的淡化[26]。电渗析在降低盐度的过程中，还能去除水中多余的硝酸盐、氟化物等污染物，去除率取决于运行电压、流速、污染物浓度以及离子交换膜的性能。

Leila Karimi等[27]采用GE公司的EDR装置对苦咸水进行了中试研究，产水量为2.7 m3/h，结果指出在一定范围内增加进水表面流速，可减少离子停留时间，引起离子去除率的降低，同时，原水水温的升高有利于提高离子的去除率。

姜英杰等[28]采用的高效电渗析器使用了频繁倒极和活化水技术，通过缩小极区间隙和在极室添加保护液，进行了产水量为1 m3/h的中试试验，从实际工程应用情况看，适合水含盐量低于5 000 mg/L的水源。

陈维利等[29]在电渗析器的淡化室和浓缩室中填充相同的树脂，开展了EDIR系统的脱盐试验，原水TDS含量为3 000 mg/L，试验条件优化后，系统脱盐率可达90%以上，产水能耗每立方米1.95 kWh，系统稳定性较好。

与纳滤相比，电渗析用于淡化低盐度苦咸水运行成本更低，回收率更高。但我国，由于电渗析器的核心——离子交换膜的性能(膜电阻、分离特性等)较进口膜差异巨大、隔板等其他部件工艺制作水平较国外也差，造成了我国电渗析技术的落后局面。

2.4 蒸馏

蒸馏法主要用于海水淡化和高盐度苦咸水淡化，且以多级闪蒸装置淡化高盐度苦咸水为主。多级闪蒸主要为大型及超大型淡化装置，在海湾国家主要与火力发电厂联合运行，以汽轮机低压抽汽作为热源。闪蒸法的缺点是耗能高，不利于处理中低盐苦咸水。

2.5 膜蒸馏

膜蒸馏法是料液中挥发性组分在膜两侧蒸汽压差下以蒸汽形式透过疏水微孔膜膜孔的分离过程。侯得印等[30]采用自制PVDF中空纤维膜，在进水温度为80.0℃条件下，膜蒸馏渗透通量可达40.5 kg/(m2·h)，盐截留率高达99.99%，研究表明若能利用丰富的太阳能资源，构建太阳能膜蒸馏系统，处理偏远山区的苦咸水，其产水成本不超过1元/t水。但太阳辐射的不稳定性、间歇性和周期性，以及太阳能膜蒸馏系统中集热器的低热效率制约了整个系统的产水量[31]，在现实应用中还存有一定困难。

3 结束语

淡化苦咸水已成为缓解水资源短缺的一种重要方式。实际应用中，不同脱盐工艺有各自的适用范围及优缺点，应根据原水水质综合考虑使用地域特点及操作管理水平选择最佳的工艺体系。以后的研究主要在以下几个方面：

1) 与进口纳滤膜相比，国产纳滤膜性能还有待提高，应致力于研制操作压力更低，耐污染性更强、膜通量更高的膜元件。同时，开展工艺体系运行优化研究，控制膜污染，提高运行稳定性，降低产水成本。

2) 优化电渗析器的结构，研发高性能的国产均相离子交换膜，设计研制无需化学清洗，膜维护方式简单的电渗析装置。

3) 提高太阳能膜蒸馏系统集热器的热利用率，增大产水率。

4) 注重太阳能、风能等新能源的利用，耦合各脱盐工艺，降低产水成本。

[1] ALGHOUL M A,POOVANAESVARAN P,SOPIAN K,et al.Review of brackish water reverse osmosis (BWRO) system designs[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews,2009,13(9):2661-2667.

[2] International Desalination Association.Desalination in 2008 Global Market Snapshot[EB/OL].[2008-05-12].21st GWI/International Desalination Association Worldwide Desalting Plant Inventory,http://www.idadesal.org/2008.

[3] ELIMELECH M,WIESNER M R.Membrane separations in aquatic systems[J].Environmental Engineering Science,2002,19(6):341-341.

[4] BADRUZZAMAN M,SUBRAMANI A,DECAROLIS J,et al.Impacts of silica on the sustainable productivity of reverse osmosis membranes treating low-salinity brackish groundwater[J].Desalination,2011,279(1):210-218.

[5] ABUHABIB A A,GHASEMI M,MOHAMMAD A W,et al.Desalination of brackish water using nanofiltration:performance comparison of different membranes[J].Arabian Journal for Science and Engineering,2013,38(11):2929-2939.

[6] 范功端,苏昭越,魏忠庆,等.超滤/反渗透一体化装置处理苦咸水的中试研究[J].中国给水排水,2015,31(17):7-11.

[7] 蓝俊.海岛村镇饮用水膜处理技术的研究与应用[D].杭州:浙江大学,2012.

[8] 王帅,王丽君,付博超.苦咸水和高氟水地区饮水安全保障措施初探[J].水资源研究,2014,35(3):30-32.

[9] VITHANAGE M,BHATTACHARYA P.Fluoride in the environment:sources,distribution and defluoridation[J].Environmental Chemistry Letters,2015,13(2):131-147.

[10]JEAN-PIERRE C T,SIMON Y,CHARLES T,et al.Fluoride in drinking water[J].Community Dentistry & Oral Epidemiology,2013,8(4):179.

[11]CRITTENDEN J C,TRUSSELL R R,HAND D W,et al.MWH′s Water Treatment:Principles and Design[M].USA:John Wiley & Sons,2012.

[12]李旭,武福平.普通反渗透复合膜处理高含盐量高硬度苦咸水实验研究[J].兰州交通大学学报,2011,30(4):120-123.

[13]VENKATESAN A,WANKAT P C.Simulation of ion exchange water softening pretreatment for reverse osmosis desalination of brackish water[J].Desalination,2011,271(1):122-131.

[14]SWEITY A,ZERE T R,DAVID I,et al.Side effects of antiscalants on biofouling of reverse osmosis membranes in brackish water desalination[J].Journal of Membrane Science,2015,481:172-187.

[15]HAIDARI A H,BLANKERT B,TIMMER H,et al.PURO:A unique RO-design for brackish groundwater treatment[J].Desalination,2015,403:208-216.

[16]GARG M C,JOSHI H.A Review on PV-RO Process:Solution to Drinking Water Scarcity due to High Salinity in Non-Electrified Rural Areas[J].Separation Science and Technology,2015,50(8):1270-1283.

[17]STRATHMANN H.Electrodialysis,a mature technology with a multitude of new applications[J].Desalination,2010,264(3):268-288.

[18]STRATHMANN H.Ion-exchange membrane separation processes[M].USA:Elsevier,2004.

[19]ELAZHAR F,TOUIR J,ELAZHAR M,et al.Techno-economic comparison of reverse osmosis and nanofiltration in desalination of a Moroccan brackish groundwater[J].Desalination and Water Treatment,2015,55(9):2471-2477.

[20]党敏.超滤/纳滤双膜工艺处理南四湖水中试研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2015.

[21]赖特明,方建慧,邓英,等.纳滤膜处理崇明岛苦咸水中试研究[J].盐业与化工,2009,38(2):17-20.

[22]王文正,张鹏,王庚平.纳滤膜技术在甘肃农村安全饮水工程中的应用[J].给水排水,2011 (S1):28-30.

[23]陈晓英,赵后昌,王龙滨,等.双级纳滤在地表高度苦咸水淡化工程中的应用[J].膜科学与技术,2013,33(5):63-67.

[24]胥璐,姜雯丽,王剑,等.国产纳滤膜淡化高氟苦咸水基础研究[J].膜科学与技术,2015,35(1):108-114.

[25]WALHA K,AMAR R B,FIRDAOUS L,et al.Brackish groundwater treatment by nanofiltration,reverse osmosis and electrodialysis in Tunisia:performance and cost comparison[J].Desalination,2007,207(1):95-106.

[26]GMAR S,SAYADI I B S,HELALI N,et al.Desalination and Defluoridation of Tap Water by Electrodialysis[J].Environmental Processes,2015,2(1):209-222.

[27]KARIMI L,GHASSEMI A.Effects of operating conditions on ion removal from brackish water using a pilot-scale electrodialysis reversal system[J].Desalination & Water Treatment,2015,57(19):1-13.

[28]姜英杰.高效电渗析器在苦成水脱盐中的应用[C]//中国土木工程学会水工业分会全国给水深度处理研究会2013年年会论文集.北京:[出版者不详],2013.

[29]陈维利,王建友,费兆辉,等.倒极电去离子苦咸水淡化技术的试验研究[J].水处理技术,2012,38(9):38-42.

[30]侯得印,王军,王宝强,等.PVDF疏水膜的制备及其在苦咸水脱盐中的应用[J].北京大学学报(自然科学版),2010,46(3):395-400.

[31]田瑞.太阳能膜蒸馏淡化水系统研究进展[J].膜科学与技术,2011,31(3):176-179.

(责任编辑唐定国)

Progress in Investigation and Application of Brackish Water Desalination Technology

MAI Zheng-jun, ZHAO Zhi-wei, PENG Wei, ZHANG Shuai, ZHOU Ji-hao

(Department of National Defense Architectural Planing and Environment Engineering,Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401311, China)

Brackish water is also the only available source nearby in some remote areas with the shortage of water. Consequently, brackish water desalination technology has become a research hotspot in the desalination field during the past few years. In this paper, the present situation and harm of brackish water were briefly described and brackish water desalination technology in recent years were reviewed. The advantages, disadvantages and applicability were discussed. Eventually, the prospect of technology development was also presented.

brackish water; desalination; nanofiltration; reverse osmosis; electrodialysis

2016-08-25；

2016-09-29

军队后勤科研计划项目(BY114J005);重庆市研究生科研创新项目(CYB16126)

麦正军(1992—),男,硕士研究生,主要从事军事给排水技术与装备研究。

赵志伟(1976—),男,教授,主要从事军事给排水技术与装备、水处理功能材料研发等研究。

10.11809/scbgxb2017.01.039

麦正军，赵志伟，彭伟，等.苦咸水淡化工艺的应用研究进展[J].兵器装备工程学报，2017(1):174-177.

format:MAI Zheng-jun, ZHAO Zhi-wei, PENG Wei, et al.Progress in Investigation and Application of Brackish Water Desalination Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):174-177.

TU99

A