涂德貴

(福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350002)

海水淡化即利用海水脫鹽生產(chǎn)淡水，是實(shí)現(xiàn)水資源利用的開源增量技術(shù)，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(nèi)所起到的積極作用愈加突出，其工程規(guī)模也在持續(xù)擴(kuò)大?，F(xiàn)在所用的海水淡化方法有海水凍結(jié)法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法，目前應(yīng)用反滲透膜的反滲透法以其設(shè)備簡單、易于維護(hù)、節(jié)能和設(shè)備模塊化的優(yōu)點(diǎn)迅速占領(lǐng)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(yù)處理工藝作為一項(xiàng)重要的工藝環(huán)節(jié)，設(shè)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(fù)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(shù)的出現(xiàn)，以效率高、操作便捷、工藝簡單，且出水水質(zhì)良好等突出優(yōu)勢，逐漸成為反滲透海水淡化預(yù)處理過程的主流工藝。

通常采用超濾預(yù)處理系統(tǒng)，其出水SDI一般小于2，相較于傳統(tǒng)預(yù)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(shí)，能夠?qū)⑦\(yùn)營成本降到最低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文基于國產(chǎn)超濾膜在海水淡化預(yù)處理工藝中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，并結(jié)合具體運(yùn)行情況優(yōu)化改進(jìn)其操作工藝，實(shí)踐結(jié)果表明可以取得良好的出水水質(zhì)和產(chǎn)水量，滿足海水淡化工程預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

1 超濾膜在海水淡化預(yù)處理中的優(yōu)勢

超濾是一種壓力為動(dòng)力膜分離技術(shù)(UItrafil-tration 簡稱UF)。能夠?qū)⑷芤簝艋?，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(xì)菌和病毒等大分子物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于海水淡化預(yù)處理過程，優(yōu)勢特點(diǎn)較為鮮明，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)海水中的固體懸浮物高效截留，同時(shí)還有部分微小細(xì)菌和膠體，可以顯著降低淤泥污染指數(shù)，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(zhì)改變帶來的不良影響，出水水質(zhì)符合預(yù)期要求。

(2)代替?zhèn)鹘y(tǒng)預(yù)處理工藝系統(tǒng)里繁瑣的步驟，精簡以往預(yù)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(fèi)用和運(yùn)行成本都大大降低。加之工作操作簡單、便捷，可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理[1]?，F(xiàn)階段海水淡化處理對(duì)超濾膜的選擇，主要將超濾膜的價(jià)格和使用壽命作為重要衡量指標(biāo)，國產(chǎn)超濾膜在性價(jià)比方面具有一定優(yōu)勢，該優(yōu)勢成為是否采用該產(chǎn)品的重要影響因素。

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

2 海水淡化預(yù)處理中國產(chǎn)超濾膜的應(yīng)用分析

2.1 海水淡化預(yù)處理工藝中的超濾過程

海水淡化預(yù)處理工藝采用超濾膜，首先需要對(duì)預(yù)處理工藝設(shè)計(jì)中產(chǎn)水量設(shè)定，了解原水水質(zhì)情況，投資、運(yùn)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(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)入到連續(xù)超濾裝置，將水中潛藏的微小懸浮物等雜質(zhì)進(jìn)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(jìn)行過濾處理，然后基于高壓泵、能量回收裝置進(jìn)入反滲透膜組件，摻水礦化處理后輸送到儲(chǔ)水設(shè)備中[2]。使用化學(xué)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(shí)驗(yàn)設(shè)備

超濾過程一般采用CMF超濾試驗(yàn)裝置進(jìn)行，該裝置主要由機(jī)架、原水罐、工作泵、反洗泵、化學(xué)清洗罐、化學(xué)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(yù)處理的關(guān)鍵所在。超濾裝置在長期運(yùn)行中，不可避免的會(huì)有大量很難清洗干凈的物質(zhì)，對(duì)膜組件造成污染和侵蝕，進(jìn)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(yùn)行，配備了專門的壓縮空氣系統(tǒng)、化學(xué)清洗系統(tǒng)以及反洗系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)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(duì)超濾膜的不良影響。結(jié)合現(xiàn)場具體運(yùn)行調(diào)控，出水水質(zhì)和產(chǎn)水量可以滿足反滲透系統(tǒng)運(yùn)行要求，切實(shí)提升系統(tǒng)運(yùn)行效率[3]。

2.3 國產(chǎn)中空纖維超濾膜組件

國產(chǎn)中空纖維超濾膜組件參數(shù):本實(shí)驗(yàn)采用膜天超濾膜，型號(hào)為UOT-865,該產(chǎn)品采用耐化學(xué)藥劑性能很強(qiáng)的聚偏氟乙烯(PVDF)材質(zhì)，膜孔徑為0.03 μm，耐受pH值范圍為1～10。依據(jù)實(shí)際情況選擇全流過濾或錯(cuò)流過濾，采用外壓式過濾形式，膜絲則采用復(fù)合紡絲工藝制成，中空纖維膜的膜絲外徑1.3 mm、內(nèi)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(yùn)行效果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行階段

超濾裝置在試運(yùn)行階段，依據(jù)超濾膜產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行操作控制。通過CMF超濾試驗(yàn)裝置循環(huán)往復(fù)進(jìn)行處理，調(diào)整操作參數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后收集相關(guān)數(shù)據(jù)。由運(yùn)行一段時(shí)間后的數(shù)據(jù)信息分析，如果控制超濾系統(tǒng)進(jìn)水量恒定，伴隨著裝置運(yùn)行時(shí)間推移，超濾系統(tǒng)的產(chǎn)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(dǎo)致。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)來分析，間隔一定時(shí)間進(jìn)行一次化學(xué)增強(qiáng)反洗，清洗后產(chǎn)水量顯著提升，隨著清洗次數(shù)的增加，產(chǎn)水量隨之衰減，而且系統(tǒng)進(jìn)水管與產(chǎn)水管壓力恒定。在進(jìn)行化學(xué)增強(qiáng)反洗處理后，系統(tǒng)產(chǎn)水量仍然無法得到提升，則需要停止系統(tǒng)運(yùn)行，可采用化學(xué)恢復(fù)性清洗方式[4]，也可以適當(dāng)提高系統(tǒng)操作壓力，控制產(chǎn)水量符合要求。

從試運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果來看，原水濁度高，污染大，如果仍然是嚴(yán)格遵循超濾膜預(yù)設(shè)操作參數(shù)，會(huì)延長化學(xué)增強(qiáng)反洗周期，產(chǎn)水量呈現(xiàn)快速衰減趨勢，難以為系統(tǒng)產(chǎn)水量與品質(zhì)提供保障[5]。因此，需停止運(yùn)行進(jìn)行一次化學(xué)恢復(fù)性清洗，此類情況會(huì)影響到裝置運(yùn)行效率。所以，積極推動(dòng)國產(chǎn)超濾膜工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得十分重要。

3.2 國產(chǎn)超濾膜性能表現(xiàn)分析

為確保能夠從科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌?，?duì)國產(chǎn)超濾膜技術(shù)性能進(jìn)行有效測評(píng)，并驗(yàn)證其在海水淡化工程中的適用性。本實(shí)驗(yàn)采用特定海水水質(zhì)作為原料海水，同時(shí)將國產(chǎn)中空纖維超濾膜加入CMF超濾試驗(yàn)裝置進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以確定所采用的國產(chǎn)超濾膜組件運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2.1 低溫承受能力分析

海水溫度變化對(duì)于預(yù)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(duì)于淡化預(yù)處理效果產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。國內(nèi)大多數(shù)地區(qū)冬季海水溫度一般在0 ℃ 左右，本次實(shí)驗(yàn)過程中海水溫度在3～6 ℃區(qū)間。在本次實(shí)驗(yàn)的溫度環(huán)境中，CMF超濾試驗(yàn)裝置能夠正常運(yùn)行，國產(chǎn)超濾膜在實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)參數(shù)均表現(xiàn)正常，可確保產(chǎn)生成的淡水濁度<0.2 NTU。證明國產(chǎn)中空纖維超濾膜組件在海水淡化預(yù)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(yù)處理技術(shù)。

3.2.2 海水濁度對(duì)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(xiàng)重要測評(píng)指標(biāo)[7]。原海水濁度一般會(huì)有一定幅度的波動(dòng)，在波動(dòng)范圍內(nèi)要求CMF超濾試驗(yàn)裝置能夠正常運(yùn)行，保證預(yù)處理后的濁度值基本不發(fā)生波動(dòng)，能夠確保超濾膜穩(wěn)定運(yùn)行。本次實(shí)驗(yàn)過程中多數(shù)時(shí)間海水濁度<9 NTU,在極端條件下能夠超過80 NTU，波動(dòng)幅度較大。國產(chǎn)超濾膜在原海水濁度波動(dòng)條件下能夠保證出水濁度穩(wěn)定，在進(jìn)行相關(guān)性分析后，證明國產(chǎn)超濾膜出水濁度與原海水濁度不相關(guān)。該項(xiàng)分析能夠證明國產(chǎn)超濾膜在原海水濁度波動(dòng)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(yù)處理裝置中，超濾膜能夠?qū)崿F(xiàn)豎直安裝、水平安裝2種安裝方式[8]，本次實(shí)驗(yàn)中采用的國產(chǎn)超濾膜為豎直安裝方式。安裝前通過對(duì)豎直安裝超濾膜的優(yōu)勢進(jìn)行對(duì)比分析，相對(duì)于水平安裝方式，豎直安裝在超濾膜沖洗時(shí)可以進(jìn)行充氣，通過充氣在氣泡的作用下引起超濾膜膜絲振動(dòng)，有利于降低清洗生成污染物的難度。水平安裝的方式會(huì)導(dǎo)致超濾膜無法加氣沖洗，同時(shí)不能使用藥劑進(jìn)行沖洗，易導(dǎo)致超濾膜運(yùn)行性能降低。實(shí)驗(yàn)中采用的國產(chǎn)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(zhì)會(huì)對(duì)超濾膜產(chǎn)生污染，影響到產(chǎn)水量，具體污染物包括有機(jī)物、無機(jī)鹽、膠體、固體懸浮物以及細(xì)菌等[9]。在物理、化學(xué)和機(jī)械作用下，物質(zhì)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(dǎo)致較為嚴(yán)重的膜污染問題。對(duì)于氫氧化鋁、氫氧化鐵等膠體，基于交聯(lián)有機(jī)或無機(jī)聚合物增大顆粒直徑效應(yīng)，可以形成凝膠態(tài)污染物，致使超濾膜性能大大下降。國內(nèi)主要是基于MFI和SDI指數(shù)來衡量超濾膜進(jìn)水水質(zhì)和出水水質(zhì)，選擇電子顯微鏡、超聲波等設(shè)備檢驗(yàn)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(zhì)，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(yán)重，應(yīng)該對(duì)超濾膜進(jìn)行適度清洗處理，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行[11]。在長期實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，通過強(qiáng)化過濾操作、反沖技術(shù)和改變進(jìn)水水質(zhì)等方式，可以顯著改善膜污染問題。基于提高料液流速方式在改善膜污染問題方面效果顯著，操作便捷、可行，可以調(diào)整膜面料液的水力學(xué)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(duì)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(duì)于微生物污染，在海水中加入殺菌劑進(jìn)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(jié) 論

在海水淡化預(yù)處理中，通過國產(chǎn)超濾膜的實(shí)際應(yīng)用，并在應(yīng)用過程中測評(píng)超濾膜的適用性，依據(jù)評(píng)測結(jié)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(chǎn)水水質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)國產(chǎn)超濾膜的性能進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)研究超濾膜化學(xué)恢復(fù)性清洗頻率，保持長時(shí)間的高產(chǎn)水量等性能，能夠作為優(yōu)化國產(chǎn)超濾膜提供參考，可以有效改善傳統(tǒng)海水淡化預(yù)處理工藝缺陷和不足，提升預(yù)處理效果，為后續(xù)工序進(jìn)行提供堅(jiān)實(shí)保障，同時(shí)也為海水淡化工程中選用國產(chǎn)超濾膜提供一定參考依據(jù)。

超濾作為海水淡化預(yù)處理工藝的應(yīng)用以及理論研究是一項(xiàng)復(fù)雜且與工程實(shí)際相關(guān)聯(lián)的研究課題，本實(shí)驗(yàn)僅在實(shí)驗(yàn)階段研究國產(chǎn)超濾膜在海水淡化系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行了研究，從長遠(yuǎn)看，用超濾技術(shù)來獲得工業(yè)用水和民用水有著廣闊的前景，而且國產(chǎn)超濾膜生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，性能在不斷改善，對(duì)操作運(yùn)行條件也不像以前要求苛刻，生產(chǎn)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(huì)得到快速發(fā)展和廣泛推廣。