反渗透膜技术在海洋平台水处理系统的设计探讨

侯辰光，陈 希，林洞峰

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300451）

0 引言

自实用性的复合膜发明以来，凭借其寿命长，性能稳定，不易污染，清洗恢复性好的特性，在电力、石油化工、钢铁、电子、医药、食品饮料、市政及环保等领域广泛运用，尤其在海水淡化，锅炉给水、废水处理及特种分离过程中发挥着重要作用[1-5]。

海上平台上所需生产淡水的来源主要由海水和水源井水两种，针对这两种不同的来源，反渗透和纳滤元件需要进行针对性的设计和优化。

1 反渗透原理

渗透是指稀溶液中的溶剂自发地透过半透膜进入浓溶液侧的溶剂流动现象。反渗透原理是在浓溶液侧施加高于自然渗透压的操作压力，使得水分子的渗透流动方向发生逆转，部分水分子通过膜到达稀溶液侧，达到净化产水的目的（图1）。

图1 渗透及反渗透原理

其中，产水通量和脱除率是反渗透设计中最为关键的参数，他们主要受压力、温度、回收率、进水含盐量和进水pH 值影响[6-9]。

1.1 常见的膜结构类型及特点

复合膜是目前全世界反渗透和纳滤膜最主要的产品：①由于具备高度交联的全芳香结构，导致其高度的化学物理稳定性和耐久性，对化学清洗具有良好的耐受性；②高密度的亲水性酰胺基团，决定其具有高产水和高脱盐的特性。再通过补充添加剂、控制哌嗪解离程度，就能调节一价或二价离子的截流能力，从而实现对不同溶质的选择性截流，达到选择性分离的目的。

复合膜结构示意如图2 所示：无纺布为复合膜提供主要的结构强度；由于其表面孔隙太大，因此需要在无纺布上预先敷设孔径约为150 埃米（150×10-10m）的高透水性微孔聚砜作为支撑层；而真正具有分离作用的功能层是超薄分离层。

图2 复合膜结构示意

衡量膜性能的重要表征参数是水通量和溶质透过性。理想的产品除了具备很高的水通量外，还能根据应用要求完全不让指定的溶质透过。膜系统的一般规律是：水通量高的膜，盐透过量也高。盐透过量随表1 中6 个因素的增加而降低。

表1 影响膜性能的主要因素

1.2 流程设计的关键因素

（1）反渗透有效膜面积。总产水量与膜元件的总有效膜面积成正比，反渗透系统是以膜单位面积上的流量作为设计基础，膜元件的有效面积越大、所需元件数量及其他配件的数量就越少。

（2）进水通道面积。进水通道越宽，对进水水质和预处理设备的要求越宽松。这是因为较宽的进水流道，能够更有效的对膜进行冲洗，也更能保证膜元件的使用寿命。

（3）清洗pH 范围。清洗液的pH 是去除膜元件内污染物的关键因素，膜元件本身所能承受的pH 范围越宽越好，并且清洗间隔时间就越长，也有利于降低清洗成本。

1.3 预处理流程设计的关键因素

对原水预处理能够提高反渗透和纳滤膜系统效率，需要根据原水水质情况和系统回收率选择适宜的预处理工艺。具体的预处理方案应该取决于所用水源水质和对产水的品质要求条件，其中原水水质是关键。

1.3.1 海水含盐量调节

（1）在设计海水淡化预处理及反渗透系统时须考虑海水高含盐量带来的高渗透压，为了避免超过膜元件的耐压极限，海水淡化系统的回收率一般限制在40%～50%，并通过加入硫酸来调节pH，使进水的S&DSIC（斯蒂夫和大卫饱和指数）为负值。S&DSIC=pHC-pHS，其中pHC为浓水pH 值、pHS为CaCO3饱和时的pH 值。当S&DSIC≥0 时，就会出现CaCO3结垢。

（2）表面取水的海水淡化系统还需要设置防止生物污染的措施。

1.3.2 颗粒及胶体处理

海水进水中的淤泥和胶体的来源通常包括细菌、黏土、胶体硅等。胶体和颗粒会大幅降低反渗透及纳滤元件的性能，影响降低产水量。为此采用的处理方式有以下3 种。

（1）介质过滤。介质过滤器可以除去颗粒、悬浮物和胶体，水处理系统最常用的过滤介质是石英砂和无烟煤，采用石英砂上填充无烟煤的双介质过滤器时，能够提供更加有效的清洗效果。建议过滤介质的最小总床层深度不小于0.8 m。

（2）微滤或超滤。微滤或超滤膜能除去悬浮物及部分有机物。通常情况下，产水的浊度可以小于1、SDI（Silt Density Index，淤泥密度指数）可以小于3。另外，原水中的细菌、病毒、藻类及一些有机物也能被截留，从而减小反渗透膜的污染。因此，采用微滤或超滤膜做为预处理，更能保证系统的稳定运行。

（3）滤芯式过滤。每台反渗透和纳滤系统应配置滤芯式保安过滤器，其滤网孔径的要求小于10 μm，目的是保护膜和高压泵。需要注意的是，滤芯式过滤器不能用于大量杂质的过滤，如果上一级的介质过滤和超滤失去保护作用时，滤芯式过滤器不能长时间保持系统运行。

1.3.3 生物污染处理

海水均含有各种微生物和藻类，细菌一般在1～3 μm，所以可以通过预防胶体污染的方法来处理。但由于微生物和藻类会具备大量繁殖的能力，因此需要对其进行特别处理。常见方式有两种：

（1）氯杀菌。氯作为高效灭菌剂能运用广泛。但是由于膜元件对氯敏感，因此在进入膜元件之前必须经过彻底地脱氯处理，防止膜的氧化。

（2）冲击式杀菌处理。冲击处理方式是在有限的时间段内，向系统的进水中加入过量杀菌剂，通常利用亚硫酸氢进行处理。

1.3.4 含H2S 水源

海上平台的水源除海水之外，还有可能选择水源井水及地层水。该水源除上述污染物之外，还有很大可能性含有H2S，为此，需要针对性采取措施处理：添加亚硫酸氢钠等还原剂；脱气去除H2S；加药形成沉淀，再通过多介质滤器或絮凝组合处理。

1.4 系统处理工艺汇总（图3）

图3 系统处理工艺汇总

2 结束语

海上平台上所需淡水的来源主要有海水和水源井水，对于这两种不同的来源，反渗透和纳滤元件都有较为成熟的处理解决方案，为海洋平台上大规模的淡水供给提供有效支持，具有较好的推广价值。

需要注意的是，受季节性变化、潮汐、人类活动等各种因素，海水水源会对系统造成冲击和影响，因此，设计者在进行系统方案设计时，应充分考虑每个处理装置的负荷余量，既满足系统功能要求，又需要综合考虑运行维护成本。