國產超濾膜在海水淡化預處理中的應用分析

涂德貴

(福建省環(huán)境保護設計院有限公司，福建 福州 350002)

海水淡化即利用海水脫鹽生產淡水，是實現(xiàn)水資源利用的開源增量技術，可以增加淡水總量，改善水資源匱乏問題的有效措施，在世界范圍內所起到的積極作用愈加突出，其工程規(guī)模也在持續(xù)擴大?，F(xiàn)在所用的海水淡化方法有海水凍結法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法，目前應用反滲透膜的反滲透法以其設備簡單、易于維護、節(jié)能和設備模塊化的優(yōu)點迅速占領市場，逐步取代其他方法成為最廣泛的方法。在反滲透海水淡化處理工程中，預處理工藝作為一項重要的工藝環(huán)節(jié)，設備總投資中占比超過40%以上，主要包括混凝、沉淀、過濾等一系列工藝過程，流程繁瑣復雜，難以滿足小型反滲透海水淡化處理工程的需要。近年來超濾技術的出現(xiàn)，以效率高、操作便捷、工藝簡單，且出水水質良好等突出優(yōu)勢，逐漸成為反滲透海水淡化預處理過程的主流工藝。

通常采用超濾預處理系統(tǒng)，其出水SDI一般小于2，相較于傳統(tǒng)預處理方法出水SDI值更低、更穩(wěn)定，具備高截留率和高通量，有效提升海水淡化處理效率的同時，能夠將運營成本降到最低，具有良好的經濟效益。本文基于國產超濾膜在海水淡化預處理工藝中的應用情況進行分析，并結合具體運行情況優(yōu)化改進其操作工藝，實踐結果表明可以取得良好的出水水質和產水量，滿足海水淡化工程預期設計要求。

1 超濾膜在海水淡化預處理中的優(yōu)勢

超濾是一種壓力為動力膜分離技術(UItrafil-tration 簡稱UF)。能夠將溶液凈化，分離或者濃縮。超濾是介于微濾與納濾之間，且三者之間無明顯的分界線。超濾膜的孔徑在0.01 μm～1 nm之間，操作壓力為0.1～0.5 MPa。主要用于截留分子量分布在2000～5000道爾頓的懸浮物、膠體、微粒、細菌和病毒等大分子物質，廣泛應用于海水淡化預處理過程，優(yōu)勢特點較為鮮明，具體表現(xiàn)在以下幾點：

(1)海水中的固體懸浮物高效截留，同時還有部分微小細菌和膠體，可以顯著降低淤泥污染指數，即SDI，從而延緩反滲透裝置污染和老化趨勢，又能規(guī)避原海水水質改變帶來的不良影響，出水水質符合預期要求。

(2)代替?zhèn)鹘y(tǒng)預處理工藝系統(tǒng)里繁瑣的步驟，精簡以往預處理工藝流程，超濾占地面積小，可以減少30%～40%的空間，空間利用率高，投資費用和運行成本都大大降低。加之工作操作簡單、便捷，可以實現(xiàn)統(tǒng)一管理[1]?，F(xiàn)階段海水淡化處理對超濾膜的選擇，主要將超濾膜的價格和使用壽命作為重要衡量指標，國產超濾膜在性價比方面具有一定優(yōu)勢，該優(yōu)勢成為是否采用該產品的重要影響因素。

(3)規(guī)避對環(huán)境污染破壞。以往的預處理工藝需要加入大量的水質穩(wěn)定劑、殺生劑、絮凝劑以及阻垢劑等化學試劑，這些化學試劑伴隨著污水排放到自然環(huán)境中，不可避免的產生不良影響。選擇超濾膜技術可以減少化學試劑用量，滿足海水淡化預處理需要的同時，最大程度上減少對環(huán)境的污染和破壞。

2 海水淡化預處理中國產超濾膜的應用分析

2.1 海水淡化預處理工藝中的超濾過程

海水淡化預處理工藝采用超濾膜，首先需要對預處理工藝設計中產水量設定，了解原水水質情況，投資、運營成本，并基于海水淡化反滲透系統(tǒng)的工藝處理要求。具體如下：基于潛水泵中取出海水，借助自清洗過濾器進行預處理，然后進入到連續(xù)超濾裝置，將水中潛藏的微小懸浮物等雜質進行截留，并通過加入適量的殺生劑消滅微生物；超濾摻水輸送到中間水箱后，抽取到保安過濾器進行過濾處理，然后基于高壓泵、能量回收裝置進入反滲透膜組件，摻水礦化處理后輸送到儲水設備中[2]。使用化學清洗系統(tǒng)來充分清洗超濾裝置、反滲透裝置，使用中間水箱的水來反洗超濾裝置。

2.2 超濾實驗設備

超濾過程一般采用CMF超濾試驗裝置進行，該裝置主要由機架、原水罐、工作泵、反洗泵、化學清洗罐、化學清洗泵、電器控制系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、自清洗過濾器、膜組件超濾裝置等部分組成，其中超濾裝置是系統(tǒng)預處理的關鍵所在。超濾裝置在長期運行中，不可避免的會有大量很難清洗干凈的物質，對膜組件造成污染和侵蝕，進而降低膜組件的整體性能。因此，為了保障超濾裝置安全、長期穩(wěn)定運行，配備了專門的壓縮空氣系統(tǒng)、化學清洗系統(tǒng)以及反洗系統(tǒng)，同時設置了加藥系統(tǒng)，用于控制微生物滋生和繁殖，最大程度上減少對超濾膜的不良影響。結合現(xiàn)場具體運行調控，出水水質和產水量可以滿足反滲透系統(tǒng)運行要求，切實提升系統(tǒng)運行效率[3]。

2.3 國產中空纖維超濾膜組件

國產中空纖維超濾膜組件參數:本實驗采用膜天超濾膜，型號為UOT-865,該產品采用耐化學藥劑性能很強的聚偏氟乙烯(PVDF)材質，膜孔徑為0.03 μm，耐受pH值范圍為1～10。依據實際情況選擇全流過濾或錯流過濾，采用外壓式過濾形式，膜絲則采用復合紡絲工藝制成，中空纖維膜的膜絲外徑1.3 mm、內徑0.7 mm，膜絲有效過濾面積則是65 m2，純水初期通量是膜通量范圍40～100 L/(m2h)。

3 超濾裝置的運行效果分析

3.1 實驗試運行階段

超濾裝置在試運行階段，依據超濾膜產品參數進行操作控制。通過CMF超濾試驗裝置循環(huán)往復進行處理，調整操作參數，系統(tǒng)運行一段時間后收集相關數據。由運行一段時間后的數據信息分析，如果控制超濾系統(tǒng)進水量恒定，伴隨著裝置運行時間推移，超濾系統(tǒng)的產水量不可避免的呈現(xiàn)下降趨勢，這主要是由于膜污染原因所導致。根據系統(tǒng)運行參數來分析，間隔一定時間進行一次化學增強反洗，清洗后產水量顯著提升，隨著清洗次數的增加，產水量隨之衰減，而且系統(tǒng)進水管與產水管壓力恒定。在進行化學增強反洗處理后，系統(tǒng)產水量仍然無法得到提升，則需要停止系統(tǒng)運行，可采用化學恢復性清洗方式[4]，也可以適當提高系統(tǒng)操作壓力，控制產水量符合要求。

從試運行數據結果來看，原水濁度高，污染大，如果仍然是嚴格遵循超濾膜預設操作參數，會延長化學增強反洗周期，產水量呈現(xiàn)快速衰減趨勢，難以為系統(tǒng)產水量與品質提供保障[5]。因此，需停止運行進行一次化學恢復性清洗，此類情況會影響到裝置運行效率。所以，積極推動國產超濾膜工藝優(yōu)化設計顯得十分重要。

3.2 國產超濾膜性能表現(xiàn)分析

為確保能夠從科學、嚴謹的角度，對國產超濾膜技術性能進行有效測評，并驗證其在海水淡化工程中的適用性。本實驗采用特定海水水質作為原料海水，同時將國產中空纖維超濾膜加入CMF超濾試驗裝置進行綜合評價，以確定所采用的國產超濾膜組件運行穩(wěn)定性。

3.2.1 低溫承受能力分析

海水溫度變化對于預處理過程中淡化、凈化環(huán)節(jié)影響較為明顯[6]。尤其是北方地區(qū)，低溫環(huán)境對于淡化預處理效果產生一定的負面影響。國內大多數地區(qū)冬季海水溫度一般在0 ℃ 左右，本次實驗過程中海水溫度在3～6 ℃區(qū)間。在本次實驗的溫度環(huán)境中，CMF超濾試驗裝置能夠正常運行，國產超濾膜在實驗中各項參數均表現(xiàn)正常，可確保產生成的淡水濁度<0.2 NTU。證明國產中空纖維超濾膜組件在海水淡化預處理過程中，能夠有效保障淡化效率和效果，其性能能夠超越傳統(tǒng)預處理技術。

3.2.2 海水濁度對超濾膜性能的影響

原需超濾的海水濁度是超濾膜性能的一項重要測評指標[7]。原海水濁度一般會有一定幅度的波動，在波動范圍內要求CMF超濾試驗裝置能夠正常運行，保證預處理后的濁度值基本不發(fā)生波動，能夠確保超濾膜穩(wěn)定運行。本次實驗過程中多數時間海水濁度<9 NTU,在極端條件下能夠超過80 NTU，波動幅度較大。國產超濾膜在原海水濁度波動條件下能夠保證出水濁度穩(wěn)定，在進行相關性分析后，證明國產超濾膜出水濁度與原海水濁度不相關。該項分析能夠證明國產超濾膜在原海水濁度波動過程中表現(xiàn)良好，具有一定的抗?jié)岫葲_擊能力。

3.2.3 安裝方式的影響分析

海水淡化超濾預處理裝置中，超濾膜能夠實現(xiàn)豎直安裝、水平安裝2種安裝方式[8]，本次實驗中采用的國產超濾膜為豎直安裝方式。安裝前通過對豎直安裝超濾膜的優(yōu)勢進行對比分析，相對于水平安裝方式，豎直安裝在超濾膜沖洗時可以進行充氣，通過充氣在氣泡的作用下引起超濾膜膜絲振動，有利于降低清洗生成污染物的難度。水平安裝的方式會導致超濾膜無法加氣沖洗，同時不能使用藥劑進行沖洗，易導致超濾膜運行性能降低。實驗中采用的國產超濾膜采用了加氣沖洗的方式，在清洗過程中體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。

4 超濾膜污染和控制措施

海水中的部分物質會對超濾膜產生污染，影響到產水量，具體污染物包括有機物、無機鹽、膠體、固體懸浮物以及細菌等[9]。在物理、化學和機械作用下，物質與膜發(fā)生作用，在膜表面附著和沉積，容易出現(xiàn)膜孔道堵塞現(xiàn)象，導致較為嚴重的膜污染問題。對于氫氧化鋁、氫氧化鐵等膠體，基于交聯(lián)有機或無機聚合物增大顆粒直徑效應，可以形成凝膠態(tài)污染物，致使超濾膜性能大大下降。國內主要是基于MFI和SDI指數來衡量超濾膜進水水質和出水水質，選擇電子顯微鏡、超聲波等設備檢驗超濾膜表面污染情況。超濾膜表面污染物中，基于能譜分析法發(fā)現(xiàn)污染物中主要有硅、鋁、鈣、鉀等物質，多是來源于石灰?guī)r和淤泥；超聲法則是檢查膜污染的有效方法，敏感度較高[10]。

如果發(fā)現(xiàn)膜污染情況較為嚴重，應該對超濾膜進行適度清洗處理，保證系統(tǒng)正常運行[11]。在長期實踐中積累了豐富的經驗，通過強化過濾操作、反沖技術和改變進水水質等方式，可以顯著改善膜污染問題?；谔岣吡弦毫魉俜绞皆诟纳颇の廴締栴}方面效果顯著，操作便捷、可行，可以調整膜面料液的水力學條件，將膜面流體邊界層厚度適度降低，濃差極化縮小，可以有效改善膜污染問題。

對于過濾一些顆粒較大的懸浮物，可以選擇增加砂濾、微濾等方式；對于微生物污染，在海水中加入殺菌劑進行殺菌處理，避免微生物侵蝕超濾膜[12]，起到改善超濾膜污染問題。

5 結 論

在海水淡化預處理中，通過國產超濾膜的實際應用，并在應用過程中測評超濾膜的適用性，依據評測結果提升超濾膜性能及其穩(wěn)定性，能夠有效提升海水淡化系統(tǒng)的產水水質。實驗中對國產超濾膜的性能進行驗證，同時研究超濾膜化學恢復性清洗頻率，保持長時間的高產水量等性能，能夠作為優(yōu)化國產超濾膜提供參考，可以有效改善傳統(tǒng)海水淡化預處理工藝缺陷和不足，提升預處理效果，為后續(xù)工序進行提供堅實保障，同時也為海水淡化工程中選用國產超濾膜提供一定參考依據。

超濾作為海水淡化預處理工藝的應用以及理論研究是一項復雜且與工程實際相關聯(lián)的研究課題，本實驗僅在實驗階段研究國產超濾膜在海水淡化系統(tǒng)中應用進行了研究，從長遠看，用超濾技術來獲得工業(yè)用水和民用水有著廣闊的前景，而且國產超濾膜生產企業(yè)的規(guī)模在不斷擴大，性能在不斷改善，對操作運行條件也不像以前要求苛刻，生產成本也不斷的降低。因此，在不久的將來，超濾膜在海水淡化工程將會得到快速發(fā)展和廣泛推廣。