反滲透膜技術(shù)在海洋平臺(tái)水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

侯辰光，陳 希，林洞峰

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300451）

0 引言

自實(shí)用性的復(fù)合膜發(fā)明以來(lái)，憑借其壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，不易污染，清洗恢復(fù)性好的特性，在電力、石油化工、鋼鐵、電子、醫(yī)藥、食品飲料、市政及環(huán)保等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用，尤其在海水淡化，鍋爐給水、廢水處理及特種分離過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[1-5]。

海上平臺(tái)上所需生產(chǎn)淡水的來(lái)源主要由海水和水源井水兩種，針對(duì)這兩種不同的來(lái)源，反滲透和納濾元件需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1 反滲透原理

滲透是指稀溶液中的溶劑自發(fā)地透過(guò)半透膜進(jìn)入濃溶液側(cè)的溶劑流動(dòng)現(xiàn)象。反滲透原理是在濃溶液側(cè)施加高于自然滲透壓的操作壓力，使得水分子的滲透流動(dòng)方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，部分水分子通過(guò)膜到達(dá)稀溶液側(cè)，達(dá)到凈化產(chǎn)水的目的（圖1）。

圖1 滲透及反滲透原理

其中，產(chǎn)水通量和脫除率是反滲透設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的參數(shù)，他們主要受壓力、溫度、回收率、進(jìn)水含鹽量和進(jìn)水pH 值影響[6-9]。

1.1 常見(jiàn)的膜結(jié)構(gòu)類型及特點(diǎn)

復(fù)合膜是目前全世界反滲透和納濾膜最主要的產(chǎn)品：①由于具備高度交聯(lián)的全芳香結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其高度的化學(xué)物理穩(wěn)定性和耐久性，對(duì)化學(xué)清洗具有良好的耐受性；②高密度的親水性酰胺基團(tuán)，決定其具有高產(chǎn)水和高脫鹽的特性。再通過(guò)補(bǔ)充添加劑、控制哌嗪解離程度，就能調(diào)節(jié)一價(jià)或二價(jià)離子的截流能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溶質(zhì)的選擇性截流，達(dá)到選擇性分離的目的。

復(fù)合膜結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示：無(wú)紡布為復(fù)合膜提供主要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；由于其表面孔隙太大，因此需要在無(wú)紡布上預(yù)先敷設(shè)孔徑約為150 埃米（150×10-10m）的高透水性微孔聚砜作為支撐層；而真正具有分離作用的功能層是超薄分離層。

圖2 復(fù)合膜結(jié)構(gòu)示意

衡量膜性能的重要表征參數(shù)是水通量和溶質(zhì)透過(guò)性。理想的產(chǎn)品除了具備很高的水通量外，還能根據(jù)應(yīng)用要求完全不讓指定的溶質(zhì)透過(guò)。膜系統(tǒng)的一般規(guī)律是：水通量高的膜，鹽透過(guò)量也高。鹽透過(guò)量隨表1 中6 個(gè)因素的增加而降低。

表1 影響膜性能的主要因素

1.2 流程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素

（1）反滲透有效膜面積?？偖a(chǎn)水量與膜元件的總有效膜面積成正比，反滲透系統(tǒng)是以膜單位面積上的流量作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，膜元件的有效面積越大、所需元件數(shù)量及其他配件的數(shù)量就越少。

（2）進(jìn)水通道面積。進(jìn)水通道越寬，對(duì)進(jìn)水水質(zhì)和預(yù)處理設(shè)備的要求越寬松。這是因?yàn)檩^寬的進(jìn)水流道，能夠更有效的對(duì)膜進(jìn)行沖洗，也更能保證膜元件的使用壽命。

（3）清洗pH 范圍。清洗液的pH 是去除膜元件內(nèi)污染物的關(guān)鍵因素，膜元件本身所能承受的pH 范圍越寬越好，并且清洗間隔時(shí)間就越長(zhǎng)，也有利于降低清洗成本。

1.3 預(yù)處理流程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素

對(duì)原水預(yù)處理能夠提高反滲透和納濾膜系統(tǒng)效率，需要根據(jù)原水水質(zhì)情況和系統(tǒng)回收率選擇適宜的預(yù)處理工藝。具體的預(yù)處理方案應(yīng)該取決于所用水源水質(zhì)和對(duì)產(chǎn)水的品質(zhì)要求條件，其中原水水質(zhì)是關(guān)鍵。

1.3.1 海水含鹽量調(diào)節(jié)

（1）在設(shè)計(jì)海水淡化預(yù)處理及反滲透系統(tǒng)時(shí)須考慮海水高含鹽量帶來(lái)的高滲透壓，為了避免超過(guò)膜元件的耐壓極限，海水淡化系統(tǒng)的回收率一般限制在40%～50%，并通過(guò)加入硫酸來(lái)調(diào)節(jié)pH，使進(jìn)水的S&DSIC（斯蒂夫和大衛(wèi)飽和指數(shù)）為負(fù)值。S&DSIC=pHC-pHS，其中pHC為濃水pH 值、pHS為CaCO3飽和時(shí)的pH 值。當(dāng)S&DSIC≥0 時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)CaCO3結(jié)垢。

（2）表面取水的海水淡化系統(tǒng)還需要設(shè)置防止生物污染的措施。

1.3.2 顆粒及膠體處理

海水進(jìn)水中的淤泥和膠體的來(lái)源通常包括細(xì)菌、黏土、膠體硅等。膠體和顆粒會(huì)大幅降低反滲透及納濾元件的性能，影響降低產(chǎn)水量。為此采用的處理方式有以下3 種。

（1）介質(zhì)過(guò)濾。介質(zhì)過(guò)濾器可以除去顆粒、懸浮物和膠體，水處理系統(tǒng)最常用的過(guò)濾介質(zhì)是石英砂和無(wú)煙煤，采用石英砂上填充無(wú)煙煤的雙介質(zhì)過(guò)濾器時(shí)，能夠提供更加有效的清洗效果。建議過(guò)濾介質(zhì)的最小總床層深度不小于0.8 m。

（2）微濾或超濾。微濾或超濾膜能除去懸浮物及部分有機(jī)物。通常情況下，產(chǎn)水的濁度可以小于1、SDI（Silt Density Index，淤泥密度指數(shù)）可以小于3。另外，原水中的細(xì)菌、病毒、藻類及一些有機(jī)物也能被截留，從而減小反滲透膜的污染。因此，采用微濾或超濾膜做為預(yù)處理，更能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）濾芯式過(guò)濾。每臺(tái)反滲透和納濾系統(tǒng)應(yīng)配置濾芯式保安過(guò)濾器，其濾網(wǎng)孔徑的要求小于10 μm，目的是保護(hù)膜和高壓泵。需要注意的是，濾芯式過(guò)濾器不能用于大量雜質(zhì)的過(guò)濾，如果上一級(jí)的介質(zhì)過(guò)濾和超濾失去保護(hù)作用時(shí)，濾芯式過(guò)濾器不能長(zhǎng)時(shí)間保持系統(tǒng)運(yùn)行。

1.3.3 生物污染處理

海水均含有各種微生物和藻類，細(xì)菌一般在1～3 μm，所以可以通過(guò)預(yù)防膠體污染的方法來(lái)處理。但由于微生物和藻類會(huì)具備大量繁殖的能力，因此需要對(duì)其進(jìn)行特別處理。常見(jiàn)方式有兩種：

（1）氯殺菌。氯作為高效滅菌劑能運(yùn)用廣泛。但是由于膜元件對(duì)氯敏感，因此在進(jìn)入膜元件之前必須經(jīng)過(guò)徹底地脫氯處理，防止膜的氧化。

（2）沖擊式殺菌處理。沖擊處理方式是在有限的時(shí)間段內(nèi)，向系統(tǒng)的進(jìn)水中加入過(guò)量殺菌劑，通常利用亞硫酸氫進(jìn)行處理。

1.3.4 含H2S 水源

海上平臺(tái)的水源除海水之外，還有可能選擇水源井水及地層水。該水源除上述污染物之外，還有很大可能性含有H2S，為此，需要針對(duì)性采取措施處理：添加亞硫酸氫鈉等還原劑；脫氣去除H2S；加藥形成沉淀，再通過(guò)多介質(zhì)濾器或絮凝組合處理。

1.4 系統(tǒng)處理工藝匯總（圖3）

圖3 系統(tǒng)處理工藝匯總

2 結(jié)束語(yǔ)

海上平臺(tái)上所需淡水的來(lái)源主要有海水和水源井水，對(duì)于這兩種不同的來(lái)源，反滲透和納濾元件都有較為成熟的處理解決方案，為海洋平臺(tái)上大規(guī)模的淡水供給提供有效支持，具有較好的推廣價(jià)值。

需要注意的是，受季節(jié)性變化、潮汐、人類活動(dòng)等各種因素，海水水源會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊和影響，因此，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮每個(gè)處理裝置的負(fù)荷余量，既滿足系統(tǒng)功能要求，又需要綜合考慮運(yùn)行維護(hù)成本。