反渗透海水淡化中试研究

薛喜东,张 乾,冯 涛,王可宁，安子韩，邵天宝

(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

环渤海区域是我国最为缺水的地区之一，随着经济的发展，工业用水量不断增长[1-4]，水资源短缺与经济发展的矛盾日益突出，海水淡化作为开源增量技术，是解决该区域水资源短缺的重要途径，且该区域具有取水、排水等距离优势，其海水淡化成本要比远距离调水成本低，天津、唐山、青岛等沿海城市纷纷规划建设大型海水淡化工程[5-7]，海水淡化规模已呈稳步增长趋势；此外，为推动海水淡化产业高质量发展，促进海水淡化规模化利用，环渤海各省市在十四五规划中均提出了海水淡化规模化利用[8-9]。

该研究为即将在环渤海地区建设的某大型海水淡化工程开展中试研究，在实际工况下对反渗透海水淡化系统进行性能测试，掌握该海域水质特点、各工艺单元性能等，为大型工程的设计和运行提供技术支撑。

2 工艺及设备方案

2.1 原水水质

为了掌握该海域水质大致情况，便于开展中试工艺及设备设计，在中试试验前(2020-10)进行了两次取样测试，测试结果见表1。

基于以上海水测试数值初步判断，该海域藻类、有机物等污染较轻，悬浮物含量不高，中试工艺设计中暂不考虑除藻、沉淀等工艺单元。

2.2 工艺设计

海水经取水泵输送至原水箱，由给水泵加压进入石英砂过滤器，之后进入超滤膜组，超滤出水达到反渗透膜进水水质要求；清洁海水由中间水泵加压输送进入保安过滤器，保安过滤器出水分成两股，一股经高压泵加压后直接进入反渗透膜组，另一股进入到能量回收中利用反渗透浓海水的余压进行加压，然后再由增压泵二次加压后进入到反渗透膜组。

工艺流程示意图见图1。

图1 工艺流程示意图Fig.1 Process flow diagram

2.3 工艺设备说明

装置采用“砂滤+超滤+反渗透”工艺，所有设备集中布置在12英尺集装箱内(见图2)，设计产水量2.5 m3/h。

图2 集装箱内部图Fig.2 Interior drawing of container

2.3.1 取水系统

取水区域位于避风港湾，海底坡度较小，水深较浅，为保证在低潮位下取水可靠，采用“浮筒悬挂潜水泵”式取水。两个浮筒的浮力约500 kg，浮筒四角通过锚杆固定于海底，潜水泵悬挂于浮筒下方，该方式可保证取水泵始终浸没于水中，在实际应用中，未发生因潮位变动而无法取水。取水泵设置1台，流量10 m3/h，扬程20 m。

2.3.2 预处理系统

预处理系统包括原水箱、给水泵、砂滤罐、超滤膜组、中间水箱、超滤反洗水泵、空压机等。砂滤罐2台并联，每天反洗1次，二者产水相互作为反洗水，滤料厚度1 000 mm，设计滤速10 m/h；超滤膜采用4支膜天UOT-856型号膜，平均孔径30 nm，设计膜通量44.6 L/m2·h，运行工艺由制水、气水反洗、水冲洗、排污和增强反洗(CEB)等工艺过程组成，每个工艺过程的切换通过PLC控制自动实现，每隔30 min反洗1次，每反洗40次进行1次增强反洗，增强反洗设置盐酸和次氯酸钠加药。

2.3.3 反渗透系统

反渗透系统包括中间水泵、保安过滤器、反渗透膜组、高压泵、增压泵、能量回收装置等，设计回收率为34%。保安过滤器过滤精度5 μm，过滤流量9 m3/h；反渗透膜采用6支时代沃顿SW8040LE-400型号膜，共3支膜壳，每支膜壳填充2支膜元件，膜壳采用一级三段式排列，三段产水量比例为5 ∶4 ∶3；高压泵选用丹弗斯柱塞泵，流量2.5 m3/h，扬程700 m；增压泵选用ERI离心泵，流量6.5 m3/h，扬程35 m，高压泵和增压泵均采用变频器调节，过流材质选用SS2205。为了进一步降低能耗，利用能量回收装置将反渗透膜排出的浓海水压力直接传递给原海水，能量回收装置采用ERI功交换式能量回收装置，型号PX-30，流量4.5 m3/h～6.8 m3/h。

2.3.4 冲洗/化学清洗系统

冲洗/化学清洗系统主要包括冲洗/化学清洗水箱、水泵、保安过滤器及其附属设备。当反渗透停止运行时，用反渗透产水自动冲洗膜内和管道中的浓盐水，使膜完全浸泡在淡水中，形成对膜和装置的有效保养；为更好地保证系统正常运行，一般情况下，3个月～6个月进行一次化学清洗。

2.3.5 加药系统

加药系统包括加药箱、加药泵级附属管件等。取水管路设置次氯酸钠杀菌加药点，加药量1.5 mg/L；超滤增强反洗设置次氯酸钠和盐酸加药点，加药量分别为400 mg/L和500 mg/L；反渗透(保安过滤前)设置阻垢剂和还原剂加药点，加药量分别为3 mg/L和4 mg/L；另外，为了预防反渗透膜生物污染，设置反渗透非氧化杀菌加药点，每隔2 d冲击投加1次，加药量为50 mg/L。

2.3.6 电控系统

电控系统设置1面控制柜，内附配电单元和控制系统，采用“PLC+触摸屏”控制方式，具备手动和自动两种功能，配置各类远传仪表，可实现数据在线采集。在手动模式下，系统将根据现场操作情况决定各设备的启停；在自动运行模式下，系统采用逻辑程序控制，各部分程序均根据相应水箱的液位高低情况决定相应程序的运行状况。

3 试验研究

中试试验在2020-11-18～12-18开展，每天运行时间为上午9时至下午17时，每小时记录一次数据，所有数据由在线仪表或远传仪表直接读取。

3.1 原水水质分析

原水温度、原水浊度、原水电导率的变化见图3，为了比较整体的运行趋势，取每天各时间点的平均值进行比较。

从图3 可以看出，随着冬季推移，原水温度逐渐降低，由14.2 ℃降低至-0.4 ℃，其中原水温度阶段性上升、下降主要是受气温的阶段性变化影响；测试结果表明，原水温度在每天内变化波动差异不大，波动范围2 ℃～4 ℃。

图3 原水水质变化图Fig.3 Variation diagram of raw water quality

从图3还可以看出，原水电导变化幅度较大，现场调查发现，取水附近有盐场不定时排放浓盐水，由于取水区域属于避风港湾，浓盐水扩散较慢，因此浓盐水排放在潮位较低时会持续影响后续几天的原水电导率。如若不考虑浓盐水排放时间段的影响，从整体来看，原水电导率保持在31 mS/cm～39 mS/cm。此外，如若不考虑浓盐水排放时间段，原水电导率在每天内波动不大，波动范围为0.5 mS/cm～1.5 mS/cm。

从图3浊度数据可以看出，原水浊度波动较大，最小值为3.6 NTU，最大值为17.0 NTU，90%时间浊度保持在10 NTU以下。试验中发现，在海面风浪较大和下大雨时浊度较高。从结果来看，原水浊度在每天内变化波动差异较大，最小波动小于1 NTU，最大波动大于10 NTU。

综上分析，该海域大型海淡工程设计中，预处理工艺设计需考虑冬季低温低浊的水质特点，确保产水水质满足反渗透进水要求；反渗透高压泵选型需考虑冬季低温运行工况下的扬程，确保冬季产水量满足用水要求；取水区域浓盐水排放对原水电导率影响较大，工程建设中取水头部需尽可能远离该浓盐水排放口。

3.2 预处理运行分析

砂滤在每天停机后反洗一次，超滤采取错流运行，期间主要考察砂滤和超滤的产水水质及稳定性，试验结果见图4。

图4 砂滤及超滤产水水质变化图Fig.4 Variation diagram of produced water quality of sand filtration and ultrafiltration

从图4可以看出，超滤产水浊度受原水浊度的影响较小，产水浊度稳定在0.10 NTU～0.20 NTU；砂滤在运行初期，产水浊度较高，且受原水浊度变化的影响较大，之后砂滤产水浊度逐渐稳定，受原水浊度变化的影响减小，基本保持在1.0 NTU～2.5 NTU。此外，就每天运行的测试数据来看，砂滤及超滤的产水浊度在每天设备开机阶段较高，之后逐渐降低并趋于稳定。综上分析，该海域大型海淡工程设计中，针对冬季低温低浊的水质特点，预处理采用“滤料过滤+超滤膜过滤”工艺可满足反渗透进水水质要求。

通过一个月的连续运行，超滤跨膜压差由0.03 MPa上升至0.08 MPa，试验比较了“0.15%盐酸”和“0.2%次氯酸钠+0.1%氢氧化钠”两种清洗方案的效果，结果见表2。

表2 超滤膜清洗方案对比Tab.2 Comparison of ultrafiltration membrane cleaning schemes

通过表2可以看出，使用“0.2%次氯酸钠+0.1%氢氧化钠”清洗方案较“0.15%盐酸”的清洗效果显著，说明超滤膜的污染主要以有机污染物为主，并未发生显著的无机盐结垢等现象。

3.3 反渗透运行分析

试验选取34%、50%、55%、60%四个回收率值分别运行，反渗透产水流量恒定为2.5 m3/h，运行数据见图5～图8。

从图5～图8可以看出，进水电导率受取水区域浓盐水排放的影响，波动幅度较大，进水电导率对进水压力、产水电导率的影响也较大。在进水电导率相对稳定的时间段内，随着进水温度的降低，产水电导率降低，运行压力上升；在进水温度相对稳定的时间段内，随着进水电导率的升高，产水电导率升高，运行压力上升；从图中还可以发现，在回收率一定时，与进水温度相比，进水电导率对产水电导率、运行压力的影响更为显著。此外，从每天测试数据来看，产水电导率在每天设备开机阶段较高，之后逐渐降低并趋于稳定。

图5 反渗透34%回收率下运行曲线Fig.5 Operating curve at 34% recovery

图6 反渗透50%回收率下运行曲线Fig.6 Operating curve at 50% recovery

图7 反渗透55%回收率下运行曲线Fig.7 Operating curve at 55% recovery

图8 反渗透60%回收率下运行曲线Fig.8 Operating curve at 60% recovery

反渗透在不同回收率下的运行数据见表3。

表3 反渗透在不同回收率下的运行数据Tab.3 Operating data of RO at different recovery rates

综上分析，回收率对反渗透运行压力影响较大，而对产水水质影响较小，在大型海淡工程设计中，需结合吨水能耗优化设计回收率。

4 结论及建议

1)原水温度变化范围为-0.4 ℃～14.2 ℃，每天波动范围2 ℃～4 ℃；原水浊度变化范围为3.6 NTU～17.0 NTU，90%时间浊度保持在10 NTU以下，每天波动差异较大；原水电导率受附近盐场不定时排放浓盐水的影响较大，若不考虑浓盐水排放时间段的影响，原水电导率变化范围为31 mS/cm～39 mS/cm，每天波动范围0.5 mS/cm～1.5 mS/cm。

2)超滤产水浊度不受进水浊度的影响，产水浊度基本保持在0.1 NTU～0.2 NTU；砂滤产水浊度受进水浊度的影响较大，在运行初期，产水浊度较高，之后逐渐降低，产水浊度基本保持在1.0 NTU～2.5 NTU。

3)反渗透进水压力、产水电导率受进水温度和进水电导率的影响较大；随着进水温度的降低，产水电导率降低，进水压力上升；随着进水电导率的升高，产水电导率升高，进水压力上升；与进水温度相比，进水电导率对产水电导率、进水压力的影响更显著。

4)针对该海域水质，“砂滤+超滤+反渗透”工艺路线在冬季可行，其它季节还需密切关注藻类，必要时在砂滤工艺前增加气浮除藻工艺，并开展试验研究考察除藻性能；此外，取水区域浓盐水排放对原水电导率影响较大，工程建设中取水头部需尽可能远离该浓盐水排放口。