膜法海水淡化集成测试平台设计与开发

王晓玲，肖亚苏，李 露，张 乾，吴云奇

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

1 前言

膜法海水淡化的发展体现在膜材料的更新换代、膜工艺的改进优化、成本的日益降低。但我国对海水淡化的研究还不够深入，系统设计和集成创新能力较低，淡化装备的开发和制造等方面能力与国际先进水平仍有很大距离[1]。尤其在规模大型化后，针对海域水质、用水水质需求、成本要求不同，采用的工艺和操作条件都会不同，为此开发建设了膜法工艺集成测试平台，将超滤、纳滤、海水反渗透、高压反渗透先模块化，再应用于一个小尺度的系统，并与常规预处理系统和浓盐水处理系统组成全流程的膜法海水淡化测试平台，用于多种工艺的测试、研发、中试，验证膜系统性能，预测大型系统中可能存在的问题。

2 海水淡化膜技术及其应用

通过全膜法进行淡化脱盐已显示出很好的前景。一般来说，膜法海水淡化工艺是将原料海水经传统预处理或膜法预处理后，用高压泵打入反渗透膜，经反渗透膜处理后分成两股(浓盐水和产品淡水)液流。为降低系统能耗，反渗透海水淡化中通常配置能量回收装置回收浓水能量。典型的海水淡化膜技术有微滤(MF)技术、超滤(UF)技术、纳滤(NF)技术、反渗透(RO)技术。反渗透是海水淡化脱盐的核心，而微滤、超滤、纳滤常作为反渗透的预处理技术，纳滤还可作为反渗透或纳滤浓水的再浓缩工艺。

在这些膜技术中，MF膜孔径相对较大，一般0.01 μm～10 μm，在去除悬浮固体上效果明显，可有效降低淤泥污染指数(SDI)值，且运行费用较低。UF膜孔径一般0.001 μm～0.1 μm，不仅对水中悬浮固体有截留作用，对大分子、胶体和部分的细菌也有一定的去除作用。相比微滤，超滤连续性好、自动化程度高、颗粒介质去除率高，尤其适用于高污染的给水水源，如地表水、废水或开放式进水海水，超滤组件正向大型化、模块化、高效化发展，用超滤代替微滤是海水淡化预处理的发展趋势[2]。

NF膜的作用效果则介于超滤和反渗透之间，NF膜对二价以上的离子及相对分子量较大的有机物的截留性能较好，对一价离子或者小分子的有机物的去除率则有限，因此纳滤膜通常用于海水软化，脱除海水中易导致结垢的二价的钙镁离子[1]。

随着零排放技术和高盐浓盐水处置技术的发展，高压反渗透用于海水淡化浓盐水逐级浓缩减量化的技术成为行业发展的新方向，高压反渗透膜产品的推广使用也日益增长。尤其是NF+RO+HPRO的组合膜工艺，联合蒸发结晶的方法，解决了高盐废水及分盐零排放工艺中的难题，大大提升了处理效果。

3 平台组成、功能

顺应膜法海水淡化上述前沿发展方向，传统反渗透工艺与纳滤、高压反渗透结合是今后的研究热点。该测试平台集成UF、NF、SWRO、HPRO等工艺，采用实际海水，模拟多种预处理水质和工况，从而提供集成工艺、安全供水研究和评价服务，并能够对关键设备、材料进行评价服务。作为海水淡化科研攻关中试试验平台，具有海水淡化主流工艺通用性和可靠性的同时，还具有工艺创新性。膜法海水淡化集成测试平台主要包括UF模块、NF模块、SWRO模块、HPRO模块，每个脱盐模块又包含一级一段、一级两段、二级等多个子模块，子模块又根据能量回收的方式有PX、段间增压泵、段间涡轮增压的工艺区分，其具有以下功能和优点：

(1)兼独立性与集成性。平台所建设的超滤、纳滤、反渗透、高压反渗透工艺分别模块化，均可单独与海水淡化常规预处理工艺结合形成单一的膜法海水淡化工艺系统，又可将其中的两种或三种联合组成新的工艺，达到梯级处理、分质产水、减排降耗研究和开发的目的。

(2)兼通用性与创新性。纳滤和反渗透常用工艺有单级、单段、一级两段、二级，其国内外常用的海水淡化能量回收方式为正位移式能量回收，一般为美国ERI公司生产的PX系列产品。该平台在满足这些常用工艺的基础上，升级了段间增压泵、段间涡轮增压器两种段间增压方式；除了将纳滤应用于反渗透预处理，还能应用于反渗透浓水分盐处理；采用新型超高压反渗透对海水淡化浓盐水进行再浓缩处理；上述单一工艺还能形成联合工艺，用于模拟大型海水淡化工程工艺链过程，应用覆盖面广。

(3)兼完整性与扩展性。平台涵盖海水淡化预处理、淡化水分质产水、浓盐水再浓缩、浓盐水分盐等工艺，集成了全膜法海水淡化的所有工艺环节，每一个模块又设有可扩展接口和转换工艺接口，切换不同工艺模式，适应多种工艺的测试评价。如纳滤和反渗透产水预留接口与蒸馏海水淡化或电渗析相结合，膜元件可根据需要安装不同性能的膜元件扩展工艺测试范围。这些设计理念有利于与其它新技术新工艺结合，适应未来发展需要，有利于今后的推广应用。

4 平台设计

4.1 典型工艺

该平台可对多种全膜法海水淡化工艺进行测试，由UF、NF、SWRO、BWRO、HPRO模块组成，其中，超滤模块作为所有脱盐模块的预处理，常规工艺均能实现一级一段、一级两段、二级等工艺子模块，一级两段工艺又能形成直接通过式、段间增压泵式、涡轮增压器式工艺，这些工艺是膜法海水淡化基本工艺，这里不再赘述。

这些工艺模块及其子模块可以根据设计要求，形成联合集成工艺，用以解决工业生产中的难题。典型工艺如下。

(1)UF-NF-SWRO产水梯级工艺[3，6]。如图1，纳滤为反渗透预处理，产水作为反渗透进水，反渗透浓水回流与原料水混合后作为纳滤进水或外排，纳滤浓水外排，反渗透产水为产品水。相当于反渗透作为纳滤的二级处理，提高产品水质。该工艺中纳滤一般采用一级两段处理，也可将纳滤部分产水进行反渗透处理，是一种梯级产水工艺，可用于海水软化，提高淡水品质和回收率，同时降低反渗透的操作压力。

图1 UF-NF-SWRO产水梯级工艺Fig.1 Cascade process of UF-NF-SWRO permeat

(2)UF-NF-HPRO浓缩梯级工艺[7]。如图2，纳滤浓盐水作为反渗透浓缩模块的进水，相当于进行二级浓缩，反渗透的浓盐水为高浓度浓盐水，反渗透产水为产品水，纳滤可根据含盐量进行分质供水，或者将反渗透产水和纳滤产水混合供水。该工艺是一种逐级浓缩工艺，可用于提高浓缩倍率，减少排放，减少反渗透系统结垢风险，也可给制盐工艺提供高浓度水质。

图2 UF-NF-HPRO浓缩梯级工艺Fig.2 Cascade process of UF-NF-HPRO concentration

(3)UF-SWRO-NF浓缩软化工艺[8]。如图3，反渗透的浓盐水作为纳滤的进水，纳滤产水回流至反渗透前与超滤混合后作为反渗透的进水，纳滤浓缩液可为高浓度浓盐水同时进行蒸发结晶等回收再利用，反渗透产水为产品水。该工艺是一种浓缩软化工艺，可用于海水淡化浓盐水浓缩分离和高盐浓水减量化处理。

图3 UF-SWRO-NF浓缩软化工艺Fig.3 Concentration and softening process of UF-SWRO-NF

(4)UF-SWRO-NF-HPRO节能减排工艺[9]。如图4，它由单级反渗透(SWRO)和三级渗透液循环NF-HPRO组成，SWRO的高压浓水经是三级渗透液循环NF-HPRO的进料，三级渗透液循环NF-HPRO即二级NF渗透液循环至一级NF高压进料侧，HPRO渗透液循环至二级NF高压进料侧。该工艺与常规SWRO工艺相比，在相同的总回收率下，渗透压差分别比SWRO降低33%，降低能耗，同时能够得到高浓度的浓盐水，减少盐水处理量，是一种节能减排工艺，最终高浓度浓盐水可结合蒸馏工艺，用于海水淡化节能减排和提供制盐工艺原料。

图4 UF-SWRO-NF-HPRO节能减排工艺Fig.4 Energy saving and emission reduction process of UF-SWRO-NF-HPRO

4.2 设计参数

(1)超滤(UF)模块。最大产水量40 m3/h，套内每支超滤膜组件都能单独运行，也可同时运行。采用外压式中空纤维膜，膜丝材质为PVDF。超滤装置可全量过滤方式。超滤装置考虑水质较差的情况下，采用错流过滤方式，错流过滤水量按10%考虑。

(2)纳滤(NF)模块。共两级，可独立运行，回收率可在45%～70%之间调节。一级采用一级两段6芯设计，产水量12 m3/h～15 m3/h，最大给水压力3.87×106Pa。二级采用一级两段4芯设计，产水量8 m3/h～9 m3/h。

(3)反渗透(SWRO)模块。一级两段6芯设计，产水量6.5 m3/h～7.5 m3/h，最大给水压力6.0×106Pa。段间设有增压泵和涡轮能量回收装置两种工艺，回收率可在40%～50%之间调节。

(4)反渗透(BWRO)模块。一级两段4芯设计，1 ∶1排列，产水量4.75 m3/h～5 m3/h，采用4寸苦咸水膜元件。

(5)高压反渗透(HPRO)模块。一级一段6芯设计，采用8寸高压反渗透膜元件，每只膜可单独控制，由于设计处理纳滤和反渗透浓水，根据来水水质和水量，回收率可在30%～45%之间处理，处理量7.5 m3/h～12 m3/h。

5 结语

膜法海水淡化集成测试平台用于模拟全膜法海水淡化新工艺、新产品的研发和测试，在天津市临港经济区示范基地建成，可针对膜法海水淡化关键设备、部件、材料自主创新不足及成果转化困难的现状，开展工艺优化和大型海水淡化可行性研究和技术评价。