低温低浊度海水淡化高效预处理试验研究

2023-09-25张所新张晓东于崇涛杨鑫姜丽娜李珂王钧陈景光隋春晓周利

工业水处理 2023年9期

张所新，张晓东，于崇涛，杨鑫，姜丽娜，李珂，王钧，陈景光，隋春晓，周利

（1.青岛海水淡化有限公司，山东青岛 266034； 2.世帆工程设计有限公司，山东青岛 266034；3.青岛理工大学，山东青岛 266034）

反渗透膜法海水淡化技术是近年来工业化应用最多的两大海水淡化技术之一。由于反渗透膜对进水的水质要求严格，因此对海水进行预处理是反渗透海水淡化技术的必要环节〔1〕。而超滤技术是近几年我国水务行业迅速发展起来的反渗透膜法预处理技术，能够保证海水反渗透系统的进水水质标准要求。但其存在投资大、运行成本高、膜需定期更换等问题，很大程度上限制了海水淡化产业的进一步发展。如何选择合理的预处理工艺促使海水淡化技术大规模地投入使用，己经成为了海水淡化产业亟需解决的技术难题，也是海水淡化技术是否能进一步发展的关键。

胶州湾位于黄海中部，胶东半岛南岸，属于典型的半封闭海湾，其与外海域的自然交换弱，水质受气象、季节变化及岸滩条件影响明显。显著特征表现为夏季藻类多、浊度大、冬季温度低、浊度小〔2〕。胶州湾是重要的经济发展区域，近年来，青岛市加大了海水淡化投资力度以应对青岛市水资源短缺的问题。因此，针对胶州湾海域的水质特点，开展反渗透海水淡化预处理工艺研究来降低海水淡化的运行成本能有效促进区域建设和发展。

本试验针对反渗透海水淡化技术及胶州湾地区海水冬季低温低浊的特点，开展了混凝+三级过滤及混凝+气浮+三级过滤预处理工艺的中试研究，研究了不同工况下两种预处理工艺的出水水质情况，并与传统超滤工艺在运行成本和投资成本方面进行了对比分析，旨在为反渗透法海水淡化提供一种出水水质稳定且投资及运行成本较低的预处理工艺，从而替代传统超滤工艺作为反渗透膜法海水淡化的预处理，有效解决了胶州湾地区冬季低温低浊海水淡化产水率低、能耗高等问题。目前，针对胶州湾海域水质特点开展反渗透海水淡化预处理工艺的研究尚未见报道，且现有使用胶州湾海水的海水淡化厂都采用超滤作为预处理工艺，因此开展此研究具有较大的工程应用价值。

1 试验装置及方法

1.1 原水水质

试验海水为胶州湾青岛百发海水淡化工程取水，试验时间为2021年12月—2022年3月，测定期间最低温度为-7 ℃，最高温度为18 ℃，试验原水水质见表1。

表1 试验原水水质Table 1 Experimental seawater quality

1.2 工艺流程

试验采用混凝+三级过滤和混凝+气浮+三级过滤的预处理工艺，具体流程分别见图1、图2。

图1 混凝+三级过滤工艺流程Fig. 1 Flow chart of coagulation+three-stage filtration process

图2 混凝+气浮+三级过滤工艺流程Fig. 2 Flow chart of coagulation+air flotation+three-stage filtration process

混凝+三级过滤工艺：海水首先进入混合池，混合时间控制在1～2 min。絮凝池分两级絮凝，絮凝总时间为15～30 min，一级絮凝桨板边沿的线速度为0.5 m/s；二级絮凝桨板边沿的线速度为0.2 m/s。出水经过加压泵，按试验顺序泵入石英砂无烟煤过滤器（滤层厚度为1.0～1.2 m）、石英砂过滤器（滤层厚度为0.9～1.2 m）及活性炭吸附过滤器（滤层厚度为1.5～3.0 m）。

混凝+气浮+三级过滤工艺：海水首先进入混合池，混合时间控制在1～2 min。絮凝池分两级絮凝，絮凝总时间为15～30 min，一级絮凝桨板边沿的线速度为0.5 m/s；二级絮凝桨板边沿的线速度为0.2 m/s。出水进入加压溶气气浮池，停留时间为15 min，气浮出水经加压泵按试验顺序依次经过石英砂无烟煤过滤器（滤层厚度为1.0～1.2 m）、石英砂过滤器（滤层厚度为0.9～1.2 m）及活性炭吸附过滤器（滤层厚度为1.5～3.0 m）。

1.3 分析方法

试验中浊度采用GB/T 5750.4—2006《生活饮用水标准检验方法感官性状和物理指标》散射法测定；污染指数（SDI15）采用TW61M型SDI测定仪测定；UV254采用DSZJC-DMZ-FB21测定仪测定；总磷采用GB/T 11893—1989《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》钼酸铵分光光度法测定；CODMn采用GB 17378.4—2007《海洋监测规范第4部分：海水分析》中的碱性高锰酸钾法测定；总氮采用QDSZJCDMZ-FB11测定仪测定；铝胶体、铁胶体采用GB/T 5750.6—2006《生活饮用水标准检验方法金属指标》电感耦合等离子体发射光谱法；二氧化硅采用SL 91.1—1994硅钼黄分光光度法。

2 结果及讨论

2.1 混凝剂种类及投加量的确定

试验选用市售的FeCl3和PAC两种混凝剂，其中FeCl3质量分数为96%，PAC有效固体质量分数（以Al2O3计）为30%，自行配制试验需要的质量浓度。

在pH=7.0的条件下，通过混合絮凝后出水SDI15的变化情况确定最佳混凝药剂及投加量。快速混合搅拌速度为150 r/min，混合时间为2 min；一级絮凝搅拌速度为50 r/min，絮凝时间为6 min；二级絮凝搅拌速度为20 r/min，絮凝时间为10 min；滤速为8 m/h，分别经过石英砂/无烟煤过滤器、石英砂过滤器、活性炭吸附过滤器三级过滤，不同混凝剂处理效果见图3。

图3 FeCl3、PAC投加量对出水SDI15的影响Fig.3 SDI15 of effluent with different dosage of FeCl3 and PAC

由图3可知，用FeCl3作为混凝剂，当投加量为12 mg/L时，经混凝过滤后出水SDI15最低为4.1；用PAC作为混凝剂，当投加量为10 mg/L时，经混凝过滤后出水SDI15最低为2.9，优于FeCl3，随着PAC投加量的继续增加，SDI15值逐渐增大，这是因为混凝过程虽然对SDI15的去除很有效果，但过量投加的混凝剂残留在水中会明显导致出水SDI15增加〔3〕。因此，本试验确定采用PAC作为絮凝剂，最佳投加量为10 mg/L。

2.2 过滤滤速的确定

选用PAC作为混凝剂，在上述实验条件下测定不同过滤速度下出水SDI15的变化情况，确定最佳过滤速度，结果见图4。

图4 滤速对出水SDI15的影响Fig. 4 SDI15 of effluent with different filtration rate

由图4可知，随着滤速的增加，出水SDI15不断增大，当滤速为8 m/h时，出水SDI15为3.0。反渗透膜元件对进水水质要求较高，SDI15一般要求≤5，为了延长膜元件使用寿命，保证反渗透系统长期稳定运行，工程中一般要求反渗透进水SDI15小于3。本试验确定滤速≤8 m/h，出水SDI15可满足反渗透膜的进水要求。

2.3 两种工艺出水水质分析

本试验分别考察了SDI15、浊度、CODMn、胶体及UV254在滤速为8 m/h，混凝剂PAC投加量为10 mg/L条件下两种工艺的去除效果。

2.3.1 SDI15去除效果

SDI15是判断反渗透预处理工艺处理效果的重要指标。试验期间两种预处理工艺在最佳运行条件下的出水SDI15的变化情况见图5。

图5 两种预处理工艺对SDI15的处理效果Fig. 5 Removal efficiency of SDI15 by two sets of technology

由图5可知，在试验运行期间1月5日温度最低（-9～-18 ℃），3月16日温度最高（4～13 ℃）。总体来说，混凝+气浮+三级过滤工艺的出水SDI15低于混凝+三级过滤工艺的，其中混凝+气浮+三级过滤出水SDI15≤2.7，混凝+三级过滤出水SDI15≤3.0，均能满足反渗透对进水SDI15的要求。其中1月5日温度最低，两种工艺的出水SDI15均出现降低的现象。这是因为，水的黏度随着温度的降低而增大，SDI15测定时的滤速减小，相同时间截留的污染物减小，导致SDI15降低〔4〕。

2.3.2 浊度去除效果

试验期间两种预处理工艺在最佳运行条件下，出水浊度的变化情况见图6。

图6 两种预处理工艺对浊度的处理效果Fig. 6 Removal efficiency of turbidity by two sets of technology

由图6可知，在试验运行期间混凝+气浮+三级过滤工艺对浊度的处理效果明显优于混凝+三级过滤工艺，处理后出水浊度较低，其中混凝+气浮+三级过滤出水平均浊度为0.27 NTU，低于0.3 NTU，混凝+三级过滤出水浊度低于0.6 NTU，膜生产厂商建议RO膜进水浊度低于0.3 NTU，混凝+气浮+三级过滤出水基本满足该要求。

2.3.3 CODMn去除效果

分子质量大、疏水性带正电的有机物极易被吸附于膜表面，一般规定反渗透膜进水CODMn宜≤2 mg/L，否则需要考虑增加前处理〔5〕。两种预处理工艺对CODMn的处理效果见图7。

图7 两种预处理工艺对CODMn的处理效果Fig. 7 Removal efficiency of CODMn by two sets of technology

由图7可知，在试验运行期间混凝+气浮+三级过滤工艺对CODMn的最大去除率为54.89%，混凝+三级过滤工艺对CODMn的最大去除率为46.81%，因原海水CODMn较低，两种工艺去除效率不高，但出水CODMn均≤2 mg/L，能满足反渗透系统进水要求。其中混凝+气浮+三级过滤去除效果优于混凝+三级过滤工艺。

2.3.4 胶体去除效果

试验期间两种预处理工艺在最佳运行条件下，出水胶体变化情况见图8。

图8 两种预处理工艺对出水胶体的处理效果Fig.8 Removal efficiency of colloid by two sets of technology

由图8可知，在试验运行期间混凝+气浮+三级过滤工艺对3种胶体的处理效果明显优于混凝+三级过滤工艺。原海水中二氧化硅胶体质量浓度<0.4 mg/L，其次是铁胶体质量浓度<0.28 mg/L，铝胶体质量浓度<0.1 mg/L。两种工艺处理后，铁胶体及铝胶体质量浓度较低，其中混凝+气浮+三级过滤工艺出水均低于0.06 mg/L，而且部分出水没有检出，基本满足部分膜厂商建议的RO进水铁、铝胶体质量浓度低于0.05 mg/L的要求；混凝+气浮+三级过滤出水二氧化硅胶体质量浓度低于0.25 mg/L，混凝+气浮+三级过滤出水低于0.2 mg/L。

2.3.5 UV254去除效果

UV254能够反应水中天然存在的腐殖酸类大分子有机物以及含C= = C双键和C= = O双键的芳香族化合物的浓度。而腐殖酸类物质因其多种官能团能够与水中金属离子络合，会增加胶体的稳定性，影响RO膜产水通量〔3〕。试验期间两种预处理工艺在最佳运行条件下，出水UV254的变化情况见图9。

图9 两种预处理工艺对UV254的处理效果Fig. 9 Removal efficiency of UV254 by two sets of technology

由图9可知，在试验运行条件下混凝+气浮+三级过滤工艺对UV254的处理效果明显优于混凝+三级过滤工艺，处理后出水UV254≤1.8 mg/L，UV254去除率≥43.0%；混凝+三级过滤出水UV254≤2.2 mg/L，UV254去除率≤30.3%。

2.4 气浮工艺分析

气浮工艺是依靠微气泡，使其黏附于絮体颗粒上，从而实现絮体颗粒强制性上浮，达到固液分离的一种工艺。由于气泡的密度远小于水，浮力很大，因此能促使絮体颗粒迅速上浮，因而提高了固液分离速度。气浮工艺除能去除浊度外，对油脂等有机物，尤其是藻类有良好的去除效果，而且药耗较少，出水水质较好。

分析胶州湾海水多年来的数据，95%的情况下浊度均在18.9 NTU以下，说明胶州湾海水悬浮物浓度一直处在较低范围；并且由于胶州湾处于我国北方，冬季水温较低，对于低温低浊水，气浮的处理效果较好。另外，春季原海水中总氮浓度较高，胶州湾码头较多，海水水质存在油类污染甚至富营养化的可能。去除藻类、油脂、有机物等是胶州湾海水预处理的主要目标之一。所以采用混凝+气浮+过滤工艺的处理效果要优于混凝+过滤工艺。