超滤用于海水淡化预处理的研究进展

第27卷　第1期2007年2月膜　科　学　与　技　术

MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYVol.27　No.1

Feb.2007

文章编号:1007-8924(2007)01-0073-06

超滤用于海水淡化预处理的研究进展

徐　佳,苏保卫,

高忠文,王玉红,铎(中国海洋大学化学化工学院,)

摘　要:(.与传统预处理

技术相比,UFTOC等,为RO装置提供优良、稳定的,.UF技术作为RO淡化预处理过程,对UF膜的污染和控制对策研究进展也作了评述.UF作为膜法海水.

关键词:海水淡化;反渗透;超滤;预处理;膜污染中图分类号:P747;TQ028.8　　文献标识码:A　　海水淡化作为一种解决水资源短缺的重要战略手段,在世界范围内发挥着越来越重要的作用.国际脱盐协会的最新统计资料表明,到2002年初,全世界脱盐装置淡水总产量达3.24×107t/d,并且还将以10%～30%的年增长率攀升[1].目前,蒸馏法和反渗透法是主要的淡化方法.但由于海水中的盐度、硬度、总固溶物及其它杂质的含量均较高,易造成反渗透膜污染和结垢,蒸馏淡化装置结垢等问题,导致运行、维护费用、能耗及造水成本增加,因此必须对进料海水进行适当的预处理.合理的预处理是淡化装置成功运行的决定性因素之一.

海水超滤预处理技术是近几年发展起来的膜法预处理技术,主要用于海水反渗透(SWRO)的预处理过程,该过程克服了反渗透传统预处理工艺出水水质不稳定、胶体和溶解有机物去除效果差以及使用多种化学试剂等诸多缺点和不足,具有广阔的应用前景.本文将对近年来超滤海水淡化预处理技术的研究进展进行介绍.

将UF用作海水预处理,具有下列优点:

1)能够截留海水中固体悬浮物,胶体和微小细菌,降低淤泥污染指数(SDI),从而降低了RO膜污染的趋势,且UF出水水质稳定,不受原海水水质变化的影响;

2)可取代传统预处理工艺中的多个步骤.空间利用率高,与传统预处理工艺相比,可节省约50%的空间[2],且操作工艺简单可靠,管理方便;

3)减少对环境的影响.传统预处理工艺需加入若干化学试剂(如絮凝剂、杀生剂、水质稳定剂

、阻垢剂等),且最终随浓水排放,无论哪种排放方案,或多或少均会对环境产生不利影响[3];采用UF技术后,化学试剂的使用量将大幅度减少,从而减轻环境压力.

2　超滤膜应用于海水预处理的发展历程

20世纪90年代后期,出现了集成膜系统(Inte2

1　超滤海水预处理的技术优势

超滤(Ultrafiltration,简称UF)是一种以压力为推动力的膜分离技术.其膜孔径通常为2～100

nm[4],截留分子量一般为2000～500000道尔顿.

概念,即将微

滤、超滤作为反渗透或者纳滤脱盐的预处理技术.IMS系统具有可靠性高、对原水的水质变化相对不敏感、操作费用低且均为商品化组件式装置的特点,受到国际淡化界的广泛关注,并有许多相关研究和应用报道.

gratedMembraneSystem,IMS)[6-

收稿日期:2005-05-08;修改稿收到日期:2005-10-17基金项目:国家自然科学基金资助项目(20506025)作者简介:徐　佳(1980-),女,山东济南市人,硕士生,从事海水淡化的研究.3通讯联系人〈gaocjie@ouc.edu.cn〉? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://ki.net

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　　目前,基于UF预处理的海水淡化技术在美国、法国、英国、德国、日本等国家已得到相当多的应用.我国对UF技术的开发迟于国外10余年,自从把包括UF在内的膜分离技术列入国家“七五”、“八五”重点科技攻关项目以来,投入了大量的资金和人力,使我国的UF技术水平迅速提高.

术应用于SWRO给水预处理方面的研究,采用超滤预处理的海水淡化工程应用日渐增多,比较有代表性的位于美国TampaBay(采用HydranauticsUF-RO系统淡化墨西哥湾海水)、红海和地中海(由中东除盐造水研究中心,即MEDRC,Hydranau2ticsUF-系统淡海海水),其]3　超滤膜应用于海水预处理的研究进展

1RO提供稳定进3.1　超滤预处理海水的运行参数研究水,,膜更换率降低,通量增加,

近年来,U.

1、红海和地中海的应用

1ofandpretreatmentsystematGulfofMexico,RedSea,andMediterranean

海水TDS/(mg?L)

海水浊度/NTU预处理方式

RO水通量/(L?m-2?h-1)

RO回收率/%RO膜更换率/%RO/-1

墨西哥湾

15000～280001～10(3～4av)HydranauticsUF

20.465103墨西哥湾15000～280001～10(3～4av)DMF(传统法)

13.635～50151红　海420000.2～1.1HydranauticsUF

1955106地中海450001～10

HydranauticsUF

15～195086　　GraemePearce等[9]采用Hydranautics的40″HYDRAcapUF组件代替传统预处理过程,UF膜进

(CEB)一次(次氯酸盐和硝酸交替使用);采用不同

浓度的FeCl3作为絮凝剂.经过2500h的测试,有98.4%的测试数据SDI<3,SDI平均值为1.4,浊度

料流量控制在95～98L/h,跨膜压力(TMP)为01015～0.02MPa.结果表明,UF系统水回收率达94%,且UF预处理过程简单、易操作,是传统预处

去除率达到99%,说明该UF的出水水质较好.反冲和絮凝剂对降低TMP和SDI有明显效果,投放FeCl3可有效降低SDI,其适宜浓度为1.3mg/L.

Redondo等[12]用新型的毛细管型UF膜处理高

理的强有力的替代方法.

20世纪90年代,研究者们对UF不同运行方

式(错流过滤和死端过滤)进行了研究.荷兰X-flow公司开发出新型UF技术———AquaFlwcxTM和XIGATM技术,与传统UF系统(采用错流方式)的主

度污染的表层海水.该型UF

膜器的特点是具有频繁、短时、自动清洗膜的功能,且具有在较低的错流流速下运行的能力.其UF膜为毛细管状,截留分子

质量为(150～200)kDa,可确保RO在高通量和高截留率下操作,水回收率为65%,产水量提高10%.预处理能耗约为0.15～0.3kWh/m3,淡化水成本约可降低10%[13,14].

Brehant和Bonnelye等[15]采用Aquasource公

要不同之处在于采用死端过滤,其最大优点是能耗低.AquaFlwcxTM技术可处理高达1000mg/L悬浮固体的原水,而XIGATM技术主要处理悬浮固体小于50mg/L的原水.Rosberg[10]运用X-flow公司生产的LHS型XIGATMUF系统在荷兰作为SWRO的预处理,结果表明能耗大约为0.1kWh/m3,约为错流能耗的1/20～1/10.VanHoof等[11]在加勒比海采用NORIT和X-flow公司的UF膜,考察作为RO预处理的可行性.所采用的UF膜为S-225型PES/PVP共混毛细管膜(耐酸碱,耐氧化),截留分子量为(50～150)kDa,膜管内径为0.8mm,组件有效膜面积为35m2.原海水由毛细管内向管外死端过滤.每15min反洗一次,每6h试剂强化反洗

司的中空纤维UF膜(截留分子质量为100kDa)在直布罗陀海峡进行了UF预处理和传统预处理对比性能试验.UF-RO流程为先加入硫酸调节海水pH为8,再通过200μm的过滤器进入UF装置,由管内向管外死端过滤,透过液用5mg/L的Cl2消毒后进入RO装置;传统预处理系统主要采用双介质过滤器.试验结果表明,UF的出水水质(SDI为0.8)明显优于传统预处理的出水水质(SDI为2.7～

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　佳等:超滤用于海水淡化预处理的研究进展　?75?　

314).此外,还考察了不同通量(60～150L/m2?h)

5,但长期操作经验表明SWRO进水的SDI应该小

和是否投加FeCl3对UF的影响.试验中发现,初始通量控制在60L/(m2?h),逐渐增大到80L/(m2?h)的过程中,TMP也逐渐增加;当通量大于80L/(m2?h)时,UF膜污染加剧,TMP迅速升高.VanHoof等[16]用XIGATMUF膜处理Addur海水也得到类似结果,解决方法是使用CEB(以EDTA和酶

于3[20].

Ahaad[34]使用中空纤维UF膜预处理SDI为13～25的表层海水,UF产水的SDI小于1;而传统预处理并不能有效使SDI小5.VanHoop等[16]用UF2,浊度小于0.,系统的可靠

为化学试剂)控制通量在75L/(m2?h),89%.而Brehant等则采用加FeCl3决TMP迅速升高问题,,FeCl3,)和HNO3(每隔.但Teuler等[17]岛做过相同试验,却得出不同结论:20℃下,通量为100L/(m2?h)的Canaries海水不会使TMP迅速升高,UF膜不存在

,.Teng等[21]试验对比

,结果表明,升高压力,MF具有高流量,但MF出水的SDI高于UF出水的SDI,即UF的出水水质优于MF的出水水质.

Chua[22]等考察SWRO的4种预处理方法(传统法、砂滤-UF、UF、MF)对于新加坡海水的处理效果,其中传统法采用介质过滤,UF(膜材质为PES)膜孔径为0.01μm,MF(膜材质为PVDF)膜孔径为0.1μm.各种预处理方法的出水水质如表2所示.实验结果表明,多介质过滤预处理的出水水质较差且波动大,SDI平均为4.5左右;而膜法预处理的出水水质较好,SDI小于3.膜法预处理对TOC、总悬浮固体、胶体硅的去除率分别为30%～60%,50%～80%,85%～95%,但活性硅、油和脂的去除率很低.另外,砂滤-UF系统出水的SDI比直接UF系统大,即砂滤并没有改善UF的出水水质,其原因还有待于进一步研究.但VanHoof[16]曾指出,当原海水的总悬浮固体超过20mg/L时,采用砂滤会有较好的去除效果.

王兴戬等[19]采用微絮凝/UF技术对天津汉沽盐场海水进行了处理.结果表明,混凝剂和次氯酸钠的最佳投量分别为2.8mg/L,3.3mg/L.产水浊度、COD的去除率分别为99.99%和57.0%,超滤对SDI的去除率较微絮凝提高了53%,而且微絮凝工艺减缓了海水对膜的污染.

结垢问题.

Halpern等[18]报道位于夏威夷群岛的SWRO装置(190000t/d)于2002年采用中空纤维UF膜(膜孔径为0.005～0.01μm)预处理.原海水经5μm的过滤器后进入UF系统.UF系统采用死端过滤,运行过程中TMP逐渐升高.一个月后TMP升至0.14MPa时,反冲采用CEB(化学试剂为30mg/L的NaClO),反冲周期为60min,反冲时间为30s.运行结果表明,CEB能有效降低TMP,并保持稳定状态.此外,RO产水量提高10%,TDS为150～325mg/L,由此可见,UF出水可确保RO高通量和高截留率.

Pervov等[33]在里海采用BW30UF膜进行UF预处理试验.通过计算Ca的结垢速率判断UF膜的污染速度.结果表明,计算结垢速率可有效判断膜污染速度,从而评价预处理的可行性.此外,该实验还采用膜孔径在0.015～0.02μm的UAM-150,UAM-200,UPM-150和UPM-200UF膜(截留分子量为50～100kDa),建立了UF反冲洗的优化模型(包括反冲保留时间、反冲速度和反冲周期的关系),确定了最佳回收率,为UF系统的广泛应用奠定了基础.3.2　超滤预处理海水的处理效果浊度是反映水中悬浮物含量的指标之一,RO进水一般要求控制在0.3～0.5NTU以下;污染指数(SDI)是衡量水中胶体、淤泥、铁锰氧化物和腐殖质等含量的重要指标,RO进水SDI一般要求小于