船舶海水淡化二级反渗透深度处理试验

唐小东，姚 磊，孙建清

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海200011）

0 引 言

反渗透膜因具有良好的物理性质和分离效果而广泛应用于化工、医药、海水淡化和环保等领域中。反渗透技术在海水淡化处理方面具有优异的性能，船舶获取的饮用水一般都采用反渗透装置处理。对一级反渗透装置的出水水质进行检测，部分测试项目的测试结果见表1，运行参数：进水TDS为35 000 mg／L；海水温度为15℃；操作压力为5.0 MPa。

表1 一级反渗透装置出水水质检测结果

我国城市自来水和矿泉水的TDS检测结果见表2。

表2 我国城市自来水和矿泉水的TDS检测结果

从表1中可看出，一级反渗透出水的硼含量为0.939 mg／L，超过了《生活饮用水卫生标准》规定的限值0.5 mg／L。对比表1与表2可知，一级反渗透的出水TDS高于城市和矿泉水的TDS，需对一级反渗透的出水进行二级反渗透处理，并开展相关条件下的控制研究。

开展该试验的目的主要是研究二级反渗透装置的进水压力与浓水回流量同产水流量和TDS之间的关系，从而为装置设计提供依据；同时，通过进一步对比脱硼效果，验证二级反渗透处理对保障船舶生活饮用水安全的必要性。

1 试验装置和试验流程

根据实船应用状态进行模拟，设计的反渗透海水淡化试验装置主要由高压泵、增压泵、用于添加还原剂和阻垢剂的加药泵、保安过滤器、膜组件、原水箱、产水箱，以及相应的管路和阀门等附件组成。反渗透装置试验流程见图1。

图1 反渗透装置试验流程

采用此套试验装置处理的海水和二级反渗透装置的部分参数如下：

1）海水TDS约为35 000 mg／L；

2）海水温度为0～40℃；

3）产水量为20 m／d；

4）脱盐率大于等于98%；

5）回收率为74%～89%；

6）膜类型为芳香聚酰胺类RO膜；

7）有效膜面积为34 m。

2 二级反渗透装置试验内容

2.1 操作压力对二级产水和TDS的影响

为研究反渗透装置的进水压力与产水流量和TDS之间的关系，在试验中保证进水流量、进水TDS、进水温度和浓水回流量为定值，试验结果见图2。进水流量为14 L／min；进水TDS为233～235 mg／L；进水温度为24.7～24.9℃；浓水回流量为6 L／min。表观回收率为产水流量与进水流量的比值。

图2 二级产水流量和表观回收率随操作压力的变化曲线

从图2中可看出：当操作压力为0.89～1.05 MPa时，产水流量能达到10.2～12.2 L／min，且操作压力与产水流量之间呈正相关关系，产水的表观回收率在74%～89%，说明控制操作压力可达到80%的回收率要求。

由于二级反渗透装置存在回流装置，因此进入反渗透膜的流量为进水流量与浓水回流量之和，这是反渗透装置进膜的实际流量，反渗透装置的实际回收率会低于表观回收率。实际回收率为产水流量与进水流量和浓水回流量之和的比值。二级产水流量和实际回收率随操作压力的变化曲线见图3。从图3中可看出：操作压力与产水流量之间也呈正相关关系，但二级反渗透的实际回收率为52%～62%。由于装置是3支膜串联的，因此单支膜的实际平均回收率为17%～21%，低于陶氏设计导则规定的30%的最大回收率。

图3 二级产水流量和实际回收率随操作压力的变化曲线

二级产水TDS和表观脱盐率随操作压力的变化曲线见图4。从图4中可看出：当操作压力为0.89～1.05 MPa时，产水TDS在6～10.5 mg／L，低于标准GB 5749—2006的要求，说明钠离子的含量低于50 mg／L，作为饮用水不会有味道，同时操作压力的变化对产水TDS质量浓度基本上没影响。产水TDS的表观脱盐率在95.5%～97.5%，说明二级反渗透的整体脱盐率较高。

图4 二级产水TDS和表观脱盐率随操作压力的变化曲线

二级反渗透装置存在回流装置，因此进入反渗透膜的混合水TDS是进水TDS与浓水回流TDS混合形成的。根据进出水TDS总量守恒，在已知进水流量、进水TDS、产水流量、产水TDS和浓水回流量等数据的情况下，可求出进入反渗透膜的实际TDS，计算结果见图5。可知：二级反渗透的实际进水TDS在430～785 mg／L，实际脱盐率在98.5%～98.8%，略高于表观脱盐率。

图5 二级产水TDS和实际脱盐率随操作压力的变化关系

由于现实中更加注重反渗透装置的表观数据，因此后续分析不再考虑反渗透装置的实际回收率和脱盐率，只考虑表观回收率和脱盐率。

2.2 浓水回流量对二级产水和TDS的影响

为研究反渗透装置的浓水回流量与产水流量和TDS的变化关系，在试验中保证进水流量、进水TDS、进水温度和操作压力为定值，试验结果见图6。进水流量为14 L／min；进水TDS为239 mg／L；进水温度为25.4℃；操作压力为1.0 MPa。

图6 产水流量和TDS随浓水回流量的变化关系

从图6中可看出：在进水条件不变的情况下，浓水回流量增加使产水流量略有增加，这是由于浓水回流量增加导致进入反渗透膜的进水流量增加，在相同的操作压力下导致产水流量增加，产水流量的取值范围在11.6～11.9 L／min。浓水回流量增加使产水TDS也略有增加，这是由于浓水回流量增加导致进入反渗透膜的混合水中的TDS增加，产水TDS随之增加，产水TDS的质量浓度的取值范围为8～10 mg／L。总体来说，浓水回流比对产水流量和产水TDS的影响很小。

2.3 反渗透装置脱硼研究

人们每天会从食物和饮用水中摄入1～3 mg硼，虽然硼是植物生长必需的微量元素，但人过量摄取会引起恶心、头痛、腹泻和肝脏损害，甚至会死亡。因此，去除水源中的硼是极其必要的。标准GB 5749—2006规定硼含量的上限为0.5 mg／L。

由于硼在水中常以硼酸分子的形式存在，直径小，且不带电荷，因此其很容易透过反渗透膜达到产水侧，温度对硼的脱除率的影响很大。通过试验测定不同温度下一级反渗透装置和二级反渗透装置的脱硼效果，结果见表3。

表3 反渗透产水中硼含量随进水温度的变化

从表3中可看出：随着温度的升高，反渗透装置的产水中硼含量逐渐上升。当海水温度小于15℃时，一级反渗透装置的产水中硼含量低于0.5 mg／L；当海水温度大于15℃时，一级反渗透装置的产水中硼含量为0.6～0.9 mg／L，超过了《生活饮用水卫生标准》规定的限值0.5 mg／L；当海水温度在10.3～26.1℃时，二级反渗透装置的产水中硼含量在0.2～0.4 mg／L，满足饮用水的要求。因此，在船舶海水淡化方面，必须对一级反渗透装置的产水进行二级反渗透处理，只有如此才能使饮用水安全得到保障。

3 结 语

通过对二级反渗透装置进行多次试验研究，主要得到以下结论：

1）反渗透装置的操作压力与产水流量呈正相关关系，当操作压力为0.89～1.05 MPa时，产水流量能达到10.2～12.2 L／min，产水TDS在6～10.5 mg／L，钠离子的质量浓度低于50 mg／L，相比一级反渗透装置的出水中TDS的质量浓度400 mg／L和钠离子的质量浓度120 mg／L，二级反渗透装置的出水水质更好。

2）二级反渗透装置的浓水回流对产水流量和TDS的影响较小，浓水回流量在3～7 L／min，产水流量在11～13.5 L／min，产水TDS保持在8～9.5 mg／L，满足产水水量和饮用水TDS的要求。

3）在除硼效果方面，一级反渗透装置不能达到要求，经过二级反渗透处理的产水硼含量能满足限值0.5 mg／L的要求。温度对硼的去除率的影响很大。当海水温度大于15℃时，一级反渗透装置的产水中硼含量大于0.5 mg／L，不满足要求；当温度在10.3～26.1℃范围内时，二级反渗透装置的产水中硼含量在0.2～0.4 mg／L，符合饮用水标准的要求。