超濾用于海水淡化預處理的應用研究

孫磊，戴海平，柯永文（天津膜天膜科技股份有限公司，天津300457）

超濾用于海水淡化預處理的應用研究

孫磊，戴海平，柯永文
（天津膜天膜科技股份有限公司，天津300457）

反滲透系統的性能與預處理效果密切相關，尤其是在水質較差的地區。大量工程案例和測試結果證明，超濾作為反滲透海水淡化的預處理工藝效果顯著。然而，超濾預處理工藝并不是一成不變的，為了優化處理效果，系統設計應隨操作條件變化。有時，有必要將超濾與傳統預處理技術結合使用。為了研究適用于渤海灣地區海水的以超濾為核心的有效預處理工藝，膜天膜公司在該地區開展了三次中試。其中一組試驗采用了混凝-超濾集成預處理工藝，其他試驗則采用了直接超濾的處理工藝。根據不同的試驗條件，如溫度、濁度，分為不同的階段。本文將介紹這些試驗的具體過程，并以實際操作經驗為基礎，對不同的超濾預處理系統進行評估，包括連續膜過濾（CMF）、浸沒式膜過濾（SMF），超濾與傳統的預處理方法結合或直接超濾系統，同時也驗證了一系列有效的膜清洗方式。在本文中，膜性能的主要評價指標包括膜比通量、TMP、產水水質。

超濾；CMF；SMF；預處理

天津膜天膜科技股份有限公司先后進行了三次海水淡化預處理中試，每次實驗都采取不同的超濾系統，包括加壓式超濾、浸沒式超濾，超濾與傳統的預處理方法結合和直接超濾的方式。中試的主要目的是探索一種以超濾為核心的有效的預處理方法，作為渤海灣海水淡化預處理工藝。

1試驗內容

1.1試驗過程

為了保證實驗數據的真實性和可靠性，三次試驗均采用24h不間斷運行方式。試驗是在不同的條件下進行的，其中兩組試驗地點位于海水引潮灣附近，原海水直接抽到超濾系統的原水罐中，分別采用連續膜過濾系統（CMF）、浸沒式膜過濾系統（SMF）。另外一組試驗采用混凝沉淀預處理-超濾的方式[1]，海水被泵從海水面以下1m的位置抽吸到混凝沉淀設備中，混凝過程中使用三氯化鐵作為混凝劑。處理過的海水進入中間水箱，自中間水箱被輸送至CMF系統。

CMF是以中空纖維超濾膜組件作為中央處理單元，再加上配套的管路，閥門，自動清洗裝置，以及化學加藥裝置，形成一個連續的閉環系統（圖1）。SMF則是使用開放式中空纖維膜元件，將膜元件放入注滿水的膜池，利用真空泵的抽吸形成負壓來凈化水（圖2）。試驗使用反沖洗，氣擦洗，氣水洗，化學加強反洗（CEB）來控制膜污染和恢復膜通量。

1.2超濾膜裝置

試驗采用膜天膜公司的中空纖維超濾柱式膜。CMF試驗采用UOF-4D型號膜組件。SMF系統則使用SMF-4型號膜組件。超濾膜組件參數如表1 中所示。

表1 UF膜組件參數

2測試條件

2.1原水分析

試驗對原水進行周期性檢測，數據顯示原水水質隨季節變化明顯。原海水水質見表2。

圖1 直接超濾試驗流程圖

圖2 混凝-超濾試驗流程圖

表2 海水特性

2.2水溫

水的溫度是影響超濾系統運行的主要因素之一，因此在對膜比通量進行評價之前，要對通量進行溫度校正[2]。圖3給出了試驗期間的溫度變化區間，海水季節性的溫度變化非常明顯，溫度在-1.5～31℃范圍內變化。在三個試驗的海水溫度都顯示出相同的變化趨勢。

圖3 原水的溫度

2.3原水濁度

不同試驗地點的原水濁度存在明顯差異。未經預處理的原海水濁度如圖4所示。沒有經過預處理的兩組試驗是在板結泥地海岸區進行的，原水受潮汐影響明顯，高濁度的海水未經任何處理，直接從引潮灣抽出，進入超濾系統的原水水箱中，原海水濁度在2～70NTU范圍內波動。

圖4 未經預處理的原海水濁度

經混凝預處理后的海水濁度如圖5所示。經過混凝沉淀之后，海水的濁度降低至5NTU以下，基本分布于2～3 NTU之間。

3超濾系統的性能

3.1未經預處理的CMF系統性能

由于操作條件的不同，例如水溫、原水濁度等，超濾系統的性能也有明顯的差異。考慮到原水水質較差、冬天水溫較低和夏天有機污染物質較多等因素，試驗將超濾的膜通量設置為在45～60L/(h·m2)。

圖5 經預處理后的原水濁度

根據通量的不同，將試驗分為以下四個階段。

第一階段：通量45 LMH。

第二階段：通量50 LMH。

第三階段：通量60LMH。

第四階段：通量50LMH。

不同階段超濾系統的性能及運行情況如圖6所示，即使運行條件較差，超濾系統仍可以正常運行。

第一階段，由于水溫低至冰點，跨膜壓差從85kPa增加到100kPa。在第二階段，隨著水溫升高，TMP從75kPa降至50kPa，最后穩定在50kPa左右。第三階段初TMP表現出一定的波動，經過有效清洗之后基本穩定在50kPa至75kPa。第四階段，隨著溫度的降低，TMP不斷上升，波動也更加明顯。

圖7給出了經溫度校正后的膜比通量，超濾系統的膜比通量基本穩定，在70～120 L/m2/h/bar范圍內變化，基本穩定在90 L/m2/h/bar以上。

圖6 未經預處理的CMF系統性能

圖7 未經預處理的CMF系統膜比通量

3.2未經預處理的SMF系統的性能

與CMF試驗類似，考慮到原水水質較差的情況，試驗中SMF系統膜通量控制在40～60LMH范圍內。

按照膜通量的不同，分為以下三個階段。

階段一：膜通量為40LMH。

階段二：膜通量為50LMH。

階段三：膜通量為60LMH。

從圖8可以看出，在水溫極低的情況下，超濾系統的TMP有明顯的上升趨勢，從60kPa上升至80kPa。而后隨著水溫的上升，TMP迅速下降。第二階段，水溫高于15℃時，TMP降至50kPa，并且穩定在50～65kpa范圍內。當水溫達到20℃、膜通量為60LMH條件下，盡管原水濁度偏高，SMF系統的TMP穩定在50～60kPa范圍內。

如圖9所示，經過溫度校正后，超濾系統的膜比通量穩定在90～120 L/m2/h/bar范圍內，基本在100 L/ (m2·h·bar)之上。

圖8 未經預處理的SMF系統性能

圖9 未經處理的SMF系統的膜比通量

與未經預處理的CMF系統比較，SMF系統的TMP相對較低且更穩定，表明在水質較差的情況下，SMF的性能優于CMF。但是，SMF系統的唯一驅動力來自大氣壓力，其最大工作壓力理論上只能達到100kPa，不適用于高流量和高TMP的情況。因此，雖然SMF系統應用于高濁度原水的性能要優于CMF系統，但仍有其局限性。

3.3經預處理的CMF系統性能

與未經預處理的CMF試驗相比，經傳統預處理后進行的CMF試驗，試驗條件更加優越。混凝沉淀的效果理想且穩定，可保證超濾系統的進水濁度在1.5～5.0 NTU之間，符合超濾膜的正常運行條件，試驗設計通量較高。

按照膜通量，分為以下三個階段。

階段一：膜通量為70LMH。

階段二：膜通量為60LMH。

階段三：膜通量為60LMH，水溫下降到3℃。

如圖10所示，混凝-超濾系統在每個階段的TMP相對更低，且更加穩定。在第一階段，TMP穩定在50kPa。在第二階段的開始，膜通量降至60LMH，TMP降低到40～45kPa范圍之內。隨后，隨著溫度的降低，TMP有所增加，但很快穩定在60kPa左右，波動不是很大。在試驗的第三階段，隨著水溫的降低，TMP明顯上升，最終穩定在80～100kPa的范圍內。超濾系統表現出了良好的穩定性和重現性。

與傳統預處理技術的有效組合，使超濾系統充分的顯示出了其優異的性能。經溫度校正后的膜比通量相對穩定。在整個試驗運行階段，膜比通量都保持在一個較高的水平，穩定在110～150 L/（m2· h·bar）范圍內，基本處于110 L/（m2·h·bar）之上。即使在低溫的情況下，超濾系統的膜比通量也可達到100 L/（m2·h·bar），表明與單獨超濾系統相比，與傳統預處理相結合的超濾系統優勢明顯。

圖10 經預處理的CMF系統性能

圖11 經過預處理的CMF系統的膜比通量

3.4膜污染與清洗

超濾系統的膜污染主要包括膠體和顆粒對膜的堵塞污染、生物和有機物的污染以及重金屬離子對膜的污染[6]。污染原因及解決辦法如表3所示。

根據污染物質的不同，試驗分別采用反沖洗，氣擦洗，氣水洗，化學加強反洗(CEB)以及在線清洗（CIP）來控制膜污染和恢復膜通量。

表3 膜污染成因及解決辦法

膜天膜的氣水反洗技術可達到有效的清洗效果，在未經過預處理的CMF和SMF試驗中，氣水洗的周期為20～60min一次。在有預處理的試驗中，氣水洗的周期為30～60min一次。

化學加強反洗（CEB）中使用的主要化學要劑是次氯酸鈉。藥劑使用量在2.0～5.0×10-2%。CEB頻率為2～6d一次。一般情況下，CEB可使膜比通量恢復10%～20%。

根據不同的膜污染狀況，試驗分別使用鹽酸、檸檬酸、次氯酸鈉進行在線清洗，試驗表明鹽酸和檸檬酸結合對重金屬污染有良好的去除效果。

4試驗結果

4.1超濾系統的產水濁度

試驗中對超濾系統的進水和產水濁度進行檢測，未經預處理的超濾系統的進水濁度較高，在2～ 70NTU，即使進水水質較差，CMF和SMF系統產水水質也十分穩定，CMF系統的產水濁度維持在0.07～0.15NTU，平均產水濁度為0.08NTU。SMF的產水濁度維持在0.08～0.17NTU，平均產水濁度為0.09NTU。

經混凝沉淀預處理的CMF系統的進水水質相對較好，產水濁度穩定在0.07～0.12 NTU的范圍內，平均水平在0.08NTU。

圖12 未經預處理的CMF進水和產水濁度

圖13 未經預處理的SMF進水和產水濁度

圖14 經預處理的CMF進水和產水濁度

4.2 SDI15

SDI15的測定頻率通常為3～15d一次，采用Milli?pore ZLFI00001 SDI測定儀進行檢測。未經預處理的CMF系統產水的SDI15值保持在1.88～2.77范圍內，平均產水SDI15值為2.20。未經預處理的SMF系統產水的SDI15值保持在1.87～2.88范圍內，平均值為2.22。經預處理后的CMF系統產水SDI15值穩定在1.86～2.72范圍內，平均值為2.11。88%的產水SDI15小于2.5。

圖15 未經預處理的CMF系統產水SDI

圖16 未經預處理的SMF系統產水SDI

圖17 經預處理過后的CMF系統產水SDI

5 結論

使用PVDF中空纖維超濾膜組件（膜天膜UOF-4D和SMF-4）進行試驗，試驗結果表明，雖然試驗地點以及進水水質不同，膜天膜的超濾膜組件都可為反滲透系統提供良好的進水。試驗中超濾產水的濁度穩定在0.07～0.17NTU范圍內，基本低于0.10NTU。超濾產水SDI15穩定在1.86～2.88范圍內，85%的產水SDI15低于2.5。

雖然三組試驗運行條件有明顯差異，但運用高效的物理和化學的膜清洗技術（氣水洗，反沖洗，化學藥劑清洗，在線清洗），超濾系統均可保持穩定的運行性能，即使在進水濁度較高的條件下，超濾系統仍可正常運行。

在進水水質較差的情況下，SMF系統性能要優于CMF系統。但由于缺乏主要的驅動力（SMF系統的驅動力主要來自于大氣壓力），SMF膜組件無法滿足流量較高以及TMP較高的運行要求。

與單獨超濾相比，與混凝沉淀結合的超濾系統能在較低的跨膜壓差和較高的流量下穩定運行。超濾系統的膜比通量顯著提升，穩定在110～150 L/(m2· h·bar)之間，基本處于110 L/(m2·h·bar)以上。與傳統預處理技術的有效組合，使超濾性能更充分的發揮。考慮到系統的穩定性和長期的運行成本，選擇超濾系統與傳統混凝沉淀相結合的集成工藝作為渤海灣反滲透海水淡化預處理技術是比較合理的。

［1］Wei Ma, Yaqian Zhao, Lu Wang. The pretreatment with enhanced coagulation and a UF membrane for seawater desalination with reverse osmosis. Desalination, 2007，203(1-3):256-259.

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10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.009

TQ085+47

A

1008-1267（2016）02-0025-07

2015-11-10