苦咸水淡化工藝的應(yīng)用研究進展

麥正軍，趙志偉，彭 偉，張 帥，周繼豪

(后勤工程學院 國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系，重慶 401311)

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

苦咸水淡化工藝的應(yīng)用研究進展

麥正軍，趙志偉，彭 偉，張 帥，周繼豪

(后勤工程學院 國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系，重慶 401311)

在某些偏遠缺水地區(qū)，苦咸水是附近唯一可利用的水源，因而近年來苦咸水淡化工藝也成為脫鹽領(lǐng)域研究的熱點。在簡述苦咸水現(xiàn)狀及危害的基礎(chǔ)上，對近年來苦咸水淡化工藝研究進行了總結(jié)與分析，指出了各主要工藝的優(yōu)缺點和適用性，并針對目前各工藝存在的問題，對以后的研究進行了展望。

苦咸水；脫鹽；納濾；反滲透；電滲析

根據(jù)水中含鹽量，通常將含有總?cè)芙庑怨腆w(TDS)1 000 mg/L至10 000 mg/L的水稱為苦咸水，其中TDS小于6 000 mg/L為低中度苦咸水，6 000 mg/L以上為高度苦咸水?？嘞趟捎诤}量高無法直接使用，根據(jù)世界衛(wèi)生組織的要求，含鹽量低于500 mg/L才適合作為飲用水[1]。調(diào)查顯示，全球有19%的脫鹽工藝用于處理苦咸水，以期獲得合格的飲用水[2]。目前，積極開發(fā)苦咸水等非常規(guī)水源，提高利用效率，已成為緩解水質(zhì)、水源性缺水的一種重要方式[3]。本研究在簡述了苦咸水的現(xiàn)狀及危害的基礎(chǔ)上，對近年來苦咸水淡化工藝研究進行了總結(jié)與分析，指出了各主要工藝的優(yōu)缺點和適用性，并針對目前各工藝存在的問題進行了展望，以期推動苦咸水淡化工藝的研究與應(yīng)用。

1 苦咸水

1.1 苦咸水存在形式

苦咸水主要以地下水和地表水的方式存在。地下苦咸水較為豐富，占有地下水資源中一半以上的存量[4]，我國主要存在于北方地域，在某些干旱偏遠村鎮(zhèn)缺水地區(qū)，地下水苦咸水也是附近唯一可用的水源[5]。此外，在沿海、海島村鎮(zhèn)和內(nèi)陸的地表水受海水侵蝕、滲透、倒灌和地質(zhì)等原因?qū)е潞}量超標[6-7]，這類地表苦咸水水質(zhì)不穩(wěn)定，受季節(jié)影響較大。

1.2 苦咸水危害

直接飲用苦咸水，不僅口感差，還危害人類健康，導致腹瀉、皮膚過敏、誘發(fā)腎結(jié)石等[8]。若是以地下苦咸水為水源，常伴有氟化物超標現(xiàn)象。氟化物在水中不以任何顏色、氣味或味道存在，如砷一樣作為一種無形的毒藥存在于地下水[9]。人體攝入過量的氟會出現(xiàn)氟斑牙，導致牙齒出現(xiàn)斑點和韌帶鈣化[10]。

2 苦咸水淡化的主要工藝

目前針對苦咸水主要有以反滲透、納濾、電滲析為核心的脫鹽工藝，其他還有蒸餾法、膜蒸餾法等。

2.1 反滲透

反滲透技術(shù)是一個壓力驅(qū)動的過程，通過半透膜去除進料液中的溶解性成分(如鹽)。作為一種廣譜的膜分離技術(shù)，以及隨著反滲透膜的國產(chǎn)化，反滲透法淡化苦咸水逐漸被廣泛接受。

2.1.1 工藝運行優(yōu)化

與地表水相比，地下水水質(zhì)更好，用于生產(chǎn)飲用水的前處理工藝更少[11]。李旭等[12]在南疆鐵路附近開展了普通反滲透復合膜處理高鹽高硬度地下苦咸水(TDS為6 720 mg/L，硬度25.9 mmol/L)的試驗研究，采用傳統(tǒng)的預(yù)處理(多介質(zhì)過濾和精密過濾)，在操作壓力為1.4 MPa時，系統(tǒng)脫鹽率穩(wěn)定在99%左右，單支膜回收率穩(wěn)定在40%以上，產(chǎn)水水質(zhì)滿足生活飲用水標準，驗證了該膜實際可行性和穩(wěn)定性。

針對海水倒灌引起原水含鹽量升高的問題，相關(guān)研究人員[6-7]構(gòu)建了超濾/反滲透一體裝置，開展了TDS含量小于2 000 mg/L的苦咸水淡化的中試研究，結(jié)果表明，系統(tǒng)操作壓力均不超過1.4 MPa，回收率在75%左右，裝置對TDS的去除率始終大于96%，出水水質(zhì)遠優(yōu)于生活飲用水衛(wèi)生標準。同時指出，采用超濾膜法預(yù)處理可有效緩解反滲透膜的有機污染。

2.1.2 減緩系統(tǒng)膜污染

膜污染嚴重影響了系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)及水量，為減緩系統(tǒng)膜污染，主要通過優(yōu)化運行參數(shù)、加酸、添加阻垢劑和樹脂軟化的方式控制膜污染。Venkatesan等[13]構(gòu)建了離子交換/反滲透工藝，仿真模擬表明，樹脂軟化后明顯抑制了結(jié)垢，回收率也可達到90%，減少了濃水處理成本。當反滲透濃水達到一定濃度時，可用于樹脂再生，不再需要額外的化學藥劑，大大減少了再生費用。Sweity A等[14]研究指出，阻垢劑對預(yù)防膜的無機污染具有顯著的作用，但也會造成膜的微生物污染。

2.1.3 降低系統(tǒng)能耗

反滲透工藝的高能耗和濃水排放等問題一定程度上阻礙了該工藝的應(yīng)用。為此，Haidari A H等[15]設(shè)計了一套PURO系統(tǒng)，將反滲透膜元件垂直放置于鉆井中，通過鉆井深處自然的靜水壓力，在低回收率下獲取滲透水。PURO系統(tǒng)在地下鉆井運行，無化學預(yù)處理，濃水直接注入含有相近鹽度地下水的深層承壓含水層。與相同產(chǎn)水能力的傳統(tǒng)反滲透系統(tǒng)相比，PURO系統(tǒng)能耗可降低39%，但裝置在地下運行，維護保養(yǎng)困難。因此，合適的水文地質(zhì)條件、鉆井成本等因素是PURO系統(tǒng)廣泛運用的重要條件。

也有研究者利用新能源來降低RO系統(tǒng)的能耗，例如，利用豐富的太陽能和風能驅(qū)動RO系統(tǒng)運行[16]，此類系統(tǒng)對于解決偏遠缺電地區(qū)的飲水問題具有重要意義。

總體看來，苦咸水反滲透工藝水源適用范圍廣、出水水質(zhì)安全，但存在預(yù)處理要求苛刻、泵的高能耗以及化學藥劑使用量大的缺點，在去除鹽分的同時，也去除了對人體有益的元素[17-18]。目前的研究集中于工藝的優(yōu)化運行、膜污染的控制和降低運行能耗方面。

2.2 納濾

納濾膜的孔徑介于超濾膜與反滲透膜之間，其特點是軟化效果好、二價離子去除率高，一價離子去除率低。與反滲透相比，能在低操作壓力下產(chǎn)生高膜通量，有效保留水中人體所需要的鹽分。

F.Elazhar等[19]分別使用納濾膜NF90和反滲透膜BW30LE4040處理摩納哥地區(qū)同一地下苦咸水(TDS為2 690 mg/L)，進行平行試驗表明，反滲透膜BW30LE4040的產(chǎn)水TDS為132 mg/L，納濾膜NF90的產(chǎn)水TDS為429 mg/L，產(chǎn)水水質(zhì)均能達標。然后比較了日產(chǎn)3 000 m3/d的RO系統(tǒng) 和NF系統(tǒng)的經(jīng)濟性， NF系統(tǒng)投資成本略高而運行成本較低，主要是能耗較低、藥劑量少，若能提高NF系統(tǒng)使用壽命，延長膜更換周期，制水成本較RO系統(tǒng)更低。

對于南四湖水無機鹽超標(TDS為1 368 mg/L)的問題，黨敏等[20]采用超濾/納濾雙膜工藝開展了現(xiàn)場試驗研究，結(jié)果表明，在操作壓力0.6 MPa下，納濾膜通量連續(xù)穩(wěn)定在50 L/(m2·h)左右，TDS去除率在65%左右，產(chǎn)水水質(zhì)滿足生活飲用水標準，同時指出在相同能耗下兩段式NF系統(tǒng)產(chǎn)水量比一段式NF系統(tǒng)高58%。

賴特明等[21]采用活性炭和超濾作為納濾脫鹽工藝的預(yù)處理，開展了崇明島苦咸水(高咸期時TDS為3 000 mg/L)淡化中試研究，結(jié)果表明，采用活性炭和超濾作為預(yù)處理，降低了膜清洗頻率，延長了納濾膜更換周期，節(jié)省了膜投入成本。

納濾淡化苦咸水主要適用于低鹽度苦咸水，已有試驗結(jié)果表明[22]，當原水含鹽量(主要是一價離子)較高時，一級NF系統(tǒng)出水的鈉離子存在超標的風險。2010年天津市濱海新區(qū)建成了雙級納濾工藝處理地表高度苦咸水(TDS為12 000 mg/L)的示范工程用于生產(chǎn)綠化用水，通過兩年來的運行表明，兩級操作壓力均低于0.85 MPa，產(chǎn)水TDS低于600 mg/L，運行費用為2.2元/噸水[23]。

在淡化工藝中，膜自身的材質(zhì)、制備工藝等決定了膜的應(yīng)用效能，目前國內(nèi)大都使用進口納濾膜。鑒于此，胥璐等[24]選用兩種性能不同的國產(chǎn)納濾膜開展了高氟苦咸水淡化基礎(chǔ)研究，配置試驗原水(TDS為3 046 mg/L，氟離子為2 mg/L)，研究結(jié)果表明，理想操作壓力在1.0～1.5 MPa，NF3A脫鹽除氟性能優(yōu)于NF2A，但NF2A的產(chǎn)水通量優(yōu)于NF3A。試驗驗證了國產(chǎn)納濾膜處理高氟苦咸水的可行性，但是試驗中缺乏對產(chǎn)水水質(zhì)含鹽量成分的具體分析。

可以看出，由于納濾獨特的分離特性，水源適用范圍較窄，但整個系統(tǒng)運行能耗低，相同條件下回收率更高。目前的研究集中于納濾脫鹽性能、工藝的運行優(yōu)化和國產(chǎn)納濾膜制備方面。

2.3 電滲析

電滲析脫鹽的能耗與原水含鹽量成正相關(guān)，在海水、高度苦咸水淡化領(lǐng)域不具有經(jīng)濟優(yōu)勢[25]，廣泛應(yīng)用于低中鹽度苦咸水的淡化[26]。電滲析在降低鹽度的過程中，還能去除水中多余的硝酸鹽、氟化物等污染物，去除率取決于運行電壓、流速、污染物濃度以及離子交換膜的性能。

Leila Karimi等[27]采用GE公司的EDR裝置對苦咸水進行了中試研究，產(chǎn)水量為2.7 m3/h，結(jié)果指出在一定范圍內(nèi)增加進水表面流速，可減少離子停留時間，引起離子去除率的降低，同時，原水水溫的升高有利于提高離子的去除率。

姜英杰等[28]采用的高效電滲析器使用了頻繁倒極和活化水技術(shù)，通過縮小極區(qū)間隙和在極室添加保護液，進行了產(chǎn)水量為1 m3/h的中試試驗，從實際工程應(yīng)用情況看，適合水含鹽量低于5 000 mg/L的水源。

陳維利等[29]在電滲析器的淡化室和濃縮室中填充相同的樹脂，開展了EDIR系統(tǒng)的脫鹽試驗，原水TDS含量為3 000 mg/L，試驗條件優(yōu)化后，系統(tǒng)脫鹽率可達90%以上，產(chǎn)水能耗每立方米1.95 kWh，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

與納濾相比，電滲析用于淡化低鹽度苦咸水運行成本更低，回收率更高。但我國，由于電滲析器的核心——離子交換膜的性能(膜電阻、分離特性等)較進口膜差異巨大、隔板等其他部件工藝制作水平較國外也差，造成了我國電滲析技術(shù)的落后局面。

2.4 蒸餾

蒸餾法主要用于海水淡化和高鹽度苦咸水淡化，且以多級閃蒸裝置淡化高鹽度苦咸水為主。多級閃蒸主要為大型及超大型淡化裝置，在海灣國家主要與火力發(fā)電廠聯(lián)合運行，以汽輪機低壓抽汽作為熱源。閃蒸法的缺點是耗能高，不利于處理中低鹽苦咸水。

2.5 膜蒸餾

膜蒸餾法是料液中揮發(fā)性組分在膜兩側(cè)蒸汽壓差下以蒸汽形式透過疏水微孔膜膜孔的分離過程。侯得印等[30]采用自制PVDF中空纖維膜，在進水溫度為80.0℃條件下，膜蒸餾滲透通量可達40.5 kg/(m2·h)，鹽截留率高達99.99%，研究表明若能利用豐富的太陽能資源，構(gòu)建太陽能膜蒸餾系統(tǒng)，處理偏遠山區(qū)的苦咸水，其產(chǎn)水成本不超過1元/t水。但太陽輻射的不穩(wěn)定性、間歇性和周期性，以及太陽能膜蒸餾系統(tǒng)中集熱器的低熱效率制約了整個系統(tǒng)的產(chǎn)水量[31]，在現(xiàn)實應(yīng)用中還存有一定困難。

3 結(jié)束語

淡化苦咸水已成為緩解水資源短缺的一種重要方式。實際應(yīng)用中，不同脫鹽工藝有各自的適用范圍及優(yōu)缺點，應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)綜合考慮使用地域特點及操作管理水平選擇最佳的工藝體系。以后的研究主要在以下幾個方面：

1) 與進口納濾膜相比，國產(chǎn)納濾膜性能還有待提高，應(yīng)致力于研制操作壓力更低，耐污染性更強、膜通量更高的膜元件。同時，開展工藝體系運行優(yōu)化研究，控制膜污染，提高運行穩(wěn)定性，降低產(chǎn)水成本。

2) 優(yōu)化電滲析器的結(jié)構(gòu)，研發(fā)高性能的國產(chǎn)均相離子交換膜，設(shè)計研制無需化學清洗，膜維護方式簡單的電滲析裝置。

3) 提高太陽能膜蒸餾系統(tǒng)集熱器的熱利用率，增大產(chǎn)水率。

4) 注重太陽能、風能等新能源的利用，耦合各脫鹽工藝，降低產(chǎn)水成本。

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(責任編輯唐定國)

Progress in Investigation and Application of Brackish Water Desalination Technology

MAI Zheng-jun, ZHAO Zhi-wei, PENG Wei, ZHANG Shuai, ZHOU Ji-hao

(Department of National Defense Architectural Planing and Environment Engineering,Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401311, China)

Brackish water is also the only available source nearby in some remote areas with the shortage of water. Consequently, brackish water desalination technology has become a research hotspot in the desalination field during the past few years. In this paper, the present situation and harm of brackish water were briefly described and brackish water desalination technology in recent years were reviewed. The advantages, disadvantages and applicability were discussed. Eventually, the prospect of technology development was also presented.

brackish water; desalination; nanofiltration; reverse osmosis; electrodialysis

2016-08-25；

2016-09-29

軍隊后勤科研計劃項目(BY114J005);重慶市研究生科研創(chuàng)新項目(CYB16126)

麥正軍(1992—),男,碩士研究生,主要從事軍事給排水技術(shù)與裝備研究。

趙志偉(1976—),男,教授,主要從事軍事給排水技術(shù)與裝備、水處理功能材料研發(fā)等研究。

10.11809/scbgxb2017.01.039

麥正軍，趙志偉，彭偉，等.苦咸水淡化工藝的應(yīng)用研究進展[J].兵器裝備工程學報，2017(1):174-177.

format:MAI Zheng-jun, ZHAO Zhi-wei, PENG Wei, et al.Progress in Investigation and Application of Brackish Water Desalination Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):174-177.

TU99

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