反滲透海水淡化脫硼技術的研究

王昕彤

目前，越來越多的海上平臺利用反滲透技術進行海水淡化，所得淡水除了用作柴油機冷卻水、鍋爐補給水外，也用作生活飲用水、洗滌水等。盡管海水中的總溶解固含量（TDS）中主要成分如鈉、氯和其他一價、二價離子等都較容易被脫除，但是由于海水中的B的水合離子小（直徑僅約0.4 nm）和帶負電的原因很難通過膜孔被脫除。

本文以渤海某石油開采平臺為目標，設計一套產水適于生活飲用的海水淡化試驗裝置，測試該系統在不同pH值、溫度、反滲透級數下脫B效果的影響。

1 裝置設計

1.1 海水及產水水質

目標海水為渤海海水（見表1），產水滿足《生活飲用水衛生標準》GB 5749-2006。

1.2 工藝流程

海水原水升壓泵→還原劑添加系統→絮凝劑添加系統→管道混合器→多介質過濾器→NaOH添加系統→阻垢劑添加系統→20 μm保安過濾器→5 μm保安過濾器→一級RO高壓泵→一級RO膜組件→一級RO產水箱→NaOH添加系統→二級RO升壓泵→二級RO膜組件→紫外殺菌裝置→產水。

表1 海水主要水質指標范圍

1.3 RO膜型號的確定

根據海水情況與產水要求，本系統一級海水反滲透膜選用SWC4B，二級超低壓反滲透膜選用EXPAB MAX （見表2）。

1.4 RO段設計

RO系統采用兩級設計，一級采用一段式，設計回收率35%；二級采用兩段式，其設計回收率為80%。

表2 反滲透膜元件主要性能參數

1.5 試驗方法

以目標海水四季溫度變化范圍為5～35℃為限，分析系統運行至第3年時不同進水溫度、不同操作pH值等對產水中B濃度的影響。

2 結果與討論

2.1 海水B濃度較低時水溫對脫B效果的影響

以海水水質平均值為設計依據，海水中B含量取5.0 mg/l，海水pH值8.0，一級RO產水量125 m3/d，二級RO產水量100m3/d，通過改變海水溫度，考察各級RO的脫B效果（見圖1）。

圖1 水溫對產水B含量的影響

可知，二級RO產水中B含量低于一級RO產水，水溫在20℃以下時，一級RO產水中的B含量低于0.5 mg/l，隨著溫度的升高，產水中B含量升高。二級RO產水B含量均低于0.5 mg/l。這主要是因為，膜系統產水含鹽量對進水溫度的變化非常敏感，隨著水溫的增加，水通量幾乎線性地增大，但增加水溫會導致脫鹽率降低。

因此，在海水中B含量較低時，僅運行一級RO即可達到產水標準，可以有效節省運行能耗。

2.2 海水B濃度較高時水溫對脫B效果的影響

以海水水質平均值為設計依據，海水中B含量取9.0 mg/l，海水pH值8.0，一級RO產水量125 m3/d，二級RO產水量100 m3/d，通過改變海水溫度，考察各級RO的脫B效果（見圖2）。

圖 2水溫對產水B含量的影響

二級RO產水中B含量低于一級RO產水，只有在5℃時，一級RO產水中B含量低于0.5 mg/l；水溫在20℃以下時，二級RO產水中B含量低于0.5 mg/l，溫度繼續升高，產水中B含量超標。

因此，在海水中B含量較高時，如水溫低于10℃，可以只運行一級RO；水溫在10～25℃時，需要運行二級RO；水溫大于25℃時，則需要采取其他手段，才能保證產水B含量達到飲用水要求。

2.3 一級RO進水pH值對脫B效果的影響

以海水水質平均值為設計依據，海水中B含量取9.0 mg/l，一級RO產水量125 m3/d，原水pH值8.0，改變進水pH值，考察一級RO在不同水溫下的脫B效果（見圖3）。

由圖3可見，在相同水溫下，隨著進料海水pH值的升高，RO產水中B含量降低，當pH值從8.0提高到8.5，從8.5到9.0，脫B率可提高40%以上。RO膜脫B率與進水pH值有關是因為隨著pH值從8.0升高到9.0的過程中，溶液中產生了大量的Mg(OH)2膠粒，因膠粒帶正電，使帶負電荷的B(OH)4-很容易被吸附，B含量則逐漸下降。

圖3 進水pH值對一級RO產水B含量的影響

所以，日常操作時可以通過增加一級RO的進水pH值來提高脫B率。但是由于隨著進水pH值升高，其RO濃水側pH值亦升高，直接導致水中一些難溶鹽的結晶析出可能性增加，RO膜Langelier Saturation Index指數升高，容易造成膜結垢，增加膜的化學清洗頻率，減少膜的使用壽命，所以一級RO進水pH值應控制在8.5左右，不宜過高。海水水溫大于20℃時，一級RO產水不能達到飲用水標準，應考慮運行二級RO，進一步降低水中B含量。

2.4 二級RO進水pH值對脫B效果的影響

以海水水質平均值為設計依據，海水中B含量取9.0 mg/l，一級RO產水量125 m3/d，二級RO產水量100 m3/d，原水pH值8.0，不改變一級RO進水pH值，改變二級RO進水pH值，考察二級RO在不同水溫下的脫B效果（見圖4）。

圖4 進水pH值對二級RO產水B含量的影響

可見，隨著pH值升高，產水B含量下降。在20℃以下時，不需要改變二級RO進水的pH值，產水中B含量即可以達到飲用水標準。在20℃以上時，pH值達到10，二級RO產水B含量仍可以達到飲用水標準。但是，當pH值高于10.8后，RO進水中B的含量會有所回長，這是因為溶液中過量的OH-開始取代B(OH)4-而被Mg(OH)2吸附。綜合以上討論，利用調節二級RO的pH值以提高脫B率時，pH值應控制在10.0～10.8之間。

2.5 經濟性分析

當海水溫度處于10～20℃之間，B含量9.0 mg/l時，可以通過調節一級RO進水的pH值（方案一）或者采用二級RO（方案二）處理，保證出水B含量達到飲用水標準。比較這兩種方案在產水量100 m3/d時的投資成本與成本（見表3、表4）。

表3 兩種方案主要設備組成

表4 兩種方案單位運行成本估算（元/m3）

由表3可見，在計算投資成本時，方案一比方案二膜元件和膜殼數量節省43%，其他設備組成如高壓泵、多介質過濾器等的規格也相對較小。由表4可見，方案二的單位制水成本比方案一高27%左右。

經過上述綜合比較，如果四季海水最高溫度低于20℃時，可以采用一級RO法，通過調節進水pH值降低產水B含量，使產水滿足飲用水標準。

3 結語

研究表明，利用反滲透（RO）進行海水淡化，隨著水溫的升高，產水中B含量也會升高；隨著進水pH值的升高，產水中B含量將降低。當海水溫度小于10℃時，即使海水中B含量達到9 mg/l，經過一級RO處理，產水中B含量仍能滿足我國飲用水衛生標準；當海水溫度處于10～20℃之間，海水中B含量9 mg/l時，通過調節一級RO進水pH值，經過一級RO處理，產水中B含量能夠滿足標準，且這種方法比較經濟；當海水溫度大于20℃，則需要經過二級RO處理，甚至提高二級RO進水的pH值，才能使產水中B含量滿足標準規定。