熱法海水淡化濃鹽水水質的分析與利用

程方琳，于金旗，劉宇堅，胡永健，張松建

（北京賽諾膜技術有限公司，北京 100083）

熱法海水淡化濃鹽水水質的分析與利用

程方琳，于金旗，劉宇堅，胡永健，張松建

（北京賽諾膜技術有限公司，北京 100083）

通過對熱法海水淡化的濃鹽水進行了為期約兩個月的數據分析，并搭建一套中試裝置，研究了組合工藝對該濃鹽水溫度、濁度和電導率的處理效果。接近兩個月的測量結果顯示，熱法海水淡化的濃鹽水pH（8.0～8.2）比較穩定，電導率（55～60mS/cm）、溫度（37～44℃）和濁度值（5～100NTU）變化較大。采用冷卻塔-多介質過濾-超濾-反滲透組合工藝，可有效對熱法海水淡化濃鹽水進行脫鹽處理，使一部分濃鹽水達到回收利用的目的。另外，該組合工藝可有效降低濃鹽水的溫度，去除濃鹽水的濁度和電導率，為后續實際膜法海水淡化處理工程提供了依據。

熱法海水淡化，濃鹽水；反滲透；水質分析；利用

海水淡化能夠有效解決全球淡水資源短缺問題，然而其生產過程中所產生濃鹽水的處理一直困擾著人們。海水淡化濃鹽水含鹽量高且含溶解性固體多，其性質主要由原料水的組分及預處理工藝，所使用化學試劑（阻垢劑、殺菌劑、絮凝劑和消泡劑等）決定。海水淡化濃鹽水主要分為兩類，一類是熱法海水淡化（包括多級閃蒸、多效蒸發和壓汽蒸餾等）產生的濃鹽水，蒸餾法淡化時，濃鹽水與冷卻海水混合后排放，其排放水濃度比海水約高10%～15%；另一類是膜法海水淡化（反滲透為主）產生的濃鹽水，回收率為50%時，反滲透海水淡化中排放濃鹽水鹽度是自然海水濃度的兩倍。目前，國際上濃鹽水的處理方式主要是直接排放和循環再利用。直接排放會對環境造成一定的污染，排放到海洋中的濃鹽水會對海洋浮游植物的生長、繁殖能力和細胞形態產生一定的影響。濃鹽水的再利用和零排放技術是比較理想的處理方式，但其受處理成本的限制難以推廣使用。濃鹽水的處理費用受其特性、排放前的處理水平和處理方式、濃鹽水體積以及環境特征等影響，一般約占總海水淡化成本的5%～33%。

首鋼京唐鋼鐵聯合有限公司海水淡化項目，采用熱法低溫多效蒸餾工藝，其產生的濃鹽水進入鹽場制成固體鹽，多余的部分經工農業消耗后排入大海，減少了對環境的污染。現該公司擬建一座日處理量2萬噸/天膜法海水淡化設施，進水采用熱法海水淡化濃鹽水，以達到循環經濟和保護環境的目的。筆者通過分析研究該海水淡化濃鹽水性質，并根據其水質特性采用冷卻塔-多介質過濾—超濾—反滲透組合工藝，對其進行了中試研究，為后續實際工程項目提供數據支持。

1 實驗部分

1.1 實驗用水水質

首鋼京唐鋼鐵聯合有限公司采用熱法蒸餾工藝進行海水淡化，該工藝所用曹妃甸區海水和產生的濃鹽水水質詳細指標見表1。其中，曹妃甸海洋檢測數據為該地區海水全年統計平均值，熱法海水淡化濃鹽水檢測數據，為北京賽諾水務科技有限公司委托第三方檢測得出的結果。

表1 熱法海水淡化濃鹽水和海水水質指標

1.2 工藝流程

中試裝置設置在唐山首鋼京唐鋼鐵聯合有限公司內，整個系統集中于一個集裝箱。中試工藝流程見圖1。熱法海水淡化濃鹽水首先進入冷卻塔降溫，然后進入多介質過濾進行過濾，以保證超濾進水懸浮物滿足要求，然后流經超濾單元，去除膠體懸浮物等，并降低濁度和SDI15值，最后流經反滲透單元進行脫鹽。

圖1 中試工藝流程

1.3 實驗裝置及其控制參數

中試裝置設置冷卻塔1座，其設計進水量為10m3/h，進水溫為45℃，出水溫為35℃，作用是降低項目進水水溫，保證后續膜系統在水溫40℃以下運行，從而避免高溫對膜元件結構造成破壞，影響使用壽命。

設置多介質過濾器1臺，采用石英砂和無煙煤填料，其主要作用是去除進水中的大部分懸浮物和顆粒物，使其產水懸浮物≤ 5mg/L，從而保證后續超濾的穩定運行。

實驗裝置的核心單元“微濾—反滲透”為北京賽諾水務科技有限公司產品。超濾單元采用北京賽諾水務有限公司開發的大尺寸超濾膜組件，設計最大進水壓為0．4MPa，進水溫度為0～40℃，運行方式為死端過濾。膜材料為PVDF，膜孔徑為0．1μm，膜面積為80m2。反滲透單元設置3組膜組件，單只膜面積40ft2，采用LG進口反滲透膜，膜片為聚酰胺復合膜，型號是LG SW 400 GR，配套進口高壓泵，保證其穩定的脫鹽和產水。反滲透設計進水溫度為35℃，進水壓力60～65bar，產水量1．5～1．8m3/h。整套工藝主要控制參數見表2。

表2 工藝主要控制參數

1.4 分析方法

海水淡化濃鹽水的pH、溫度、濁度和電導率是影響膜法海水淡化系統的重要參數。中試實驗時間為2016年10月24日至12月27日，運行期間，對整個系統進水（即熱法海水淡化濃鹽水）的pH、溫度、濁度和電導率每天各檢測1～2次。溫度采用筆式ORP/ T直接測定；pH采用便攜式雷磁pH計測量；電導率采用便攜式電導率儀（0～200mS/cm）測量；溶解性總固體（TDS）采用180℃烘干法測定；濁度采用哈希的濁度儀（0～50 NTU）測量。

2 結果與討論

2.1 水質情況統計分析

連續檢測約兩個月的熱法海水淡化濃鹽水pH和水溫變化趨勢如圖2所示。從圖中可以看出，pH值在檢測期間比較穩定，波動較小，一般在8．0～8．2之間，在后續實際項目中，不需要特意去調節。而水溫波動比較明顯，在37～44℃之間變化。從進水溫度分布圖（圖3）可以看出，97次檢測數據中，有90%的溫度點集中在40～42℃，平均進水溫度41℃。該溫度已經超過一般超濾、反滲透廠家給出的膜運行溫度范圍（0～40℃），溫度改變會影響膜的性能，若溫度過高會使膜滲透性能增強，脫鹽效率降低，不利于反滲透除鹽的效果。因此，在后續用膜法海水淡化工藝處理該類濃鹽水時，需采取有效降溫措施，來保證整個膜系統的長期運行效果。

圖2 進水水溫和pH統計

圖3 進水水溫分布圖

連續約兩個月的熱法濃鹽水電導率和濁度變化趨勢如圖4所示。電導率大小同含鹽量成正比，含鹽量越高，膜法除鹽中滲透壓越大，濃度差也越大，致使系統脫鹽率下降，所以保持穩定的進水電導率，是保證膜法海水淡化脫鹽系統穩定運行的一個重要因素。從圖4可知，熱法海水淡化濃鹽水的電導率在55～60mS/cm之間波動，水質還算穩定。進水濁度在5NTU到100NTU之間大范圍波動，極不穩定。根據圖5所示進水濁度分布圖可知，在檢測的97次數據當中，有90%的數據點集中在10～30 NTU之間，而平均濁度僅為19．7NTU。濁度值超出膜系統進水水質要求（超濾膜＜10NTU，反滲透膜＜1NTU），因此，用膜法海水淡化回收該類濃鹽水，需在預處理階段去除濁度，可采用多介質過濾器、砂濾和活性炭等過濾設施。

圖4 進水電導率和濁度情況

圖5 進水濁度分布圖

2.2 中試運行效果分析

2.2.1 冷卻塔運行效果

超濾膜和反滲透膜的膜通量會隨著水溫的升高而增大，然而，過高的進水溫度會改變膜的性能，影響系統最終的脫鹽效果和產水水質。本實驗中所用PVDF超濾膜和反滲透聚酰胺復合膜進水溫度，要求控制在0～40℃，而熱法海水淡化濃鹽水溫度在37～44℃之間（見圖2），因此，需設置一冷卻塔進行降溫處理。中試期間環境溫度在-5～10℃，濃鹽水經過冷卻塔的降溫效果見圖6。冷卻塔進水平均溫度41℃，經過冷卻塔降溫后，水溫可降低約7℃，降至平均溫度33．9℃，達到后續膜單元對進水溫度的要求。

圖6 冷卻塔降溫效果

2.2.2 多介質過濾-超濾對濁度的去除效果

濁度值可反映懸浮物的大小，是超濾和反滲透進水必須考慮的重要參數，其值越高，越容易造成膜的污染。膜污染會影響膜的使用壽命，當膜污染嚴重時，需要更換超濾或反滲透膜，更換膜則會增加運行成本。有報道顯示，反滲透膜成本占投資總成本的20%～30%，更換膜所需費用為運行總成本的25%～30%，嚴重影響了反滲透海水淡化的經濟性。為了保護超濾膜和反滲透膜，一般超濾單元進水濁度控制在10 NTU以下，反滲透進水濁度控制在1NTU以下。圖7是中試期間熱法海水淡化濃鹽水（原始進水）、多介質過濾產水和超濾產水中的濁度變化值。由圖7可知，原始進水濁度值在5～100NTU之間，經多介質過濾后，濁度值降至10NTU以下，再經超濾后濁度值小于0．1NTU，該組合工藝具有良好的去除濁度性能，可在一定程度上預防后續反滲透單元的膜污染問題。

圖7 多介質過濾-超濾對濁度的去除效果

2.2.3 超濾—反滲透對電導率的去除效果

電導率值能夠反映水中各類溶解鹽的多少，系統進、出水的電導率變化可表示系統脫鹽效果。中試實驗中記錄的濃鹽水、超濾產水和反滲透產水的電導率值見圖8。如圖所示，超濾進水（濃鹽水）和產水電導率幾乎未有變化，均在55～60mS/cm之間波動，平均值均為57．3mS/cm，而經過反滲透單元后，產水電導率平均值為739μS/cm，接近自來水電導率值（一般為125～1250μS/cm），可中水回用。并且，其平均脫鹽率約為98．7%，達到反滲透單元控制參數中脫鹽率大于97%的設計要求。

圖8 超濾—反滲透對電導率的去除效果

3 結語

（1）對熱法海水淡化產生的濃鹽水，進行為期約2個月的檢測結果顯示：濃鹽水pH比較穩定，基本在8．0～8．2之間；水溫波動比較明顯，在37～44℃之間變化，90%的溫度點集中在40～42℃，平均進水溫度41℃；電導率在55～60mS/cm之間波動；濁度值極不穩定，在5NTU到100NTU之間大范圍波動，90%的數據點集中在10～30NTU之間，平均濁度為19．7 NTU。

（2）冷卻塔進水平均溫度41℃，出水平均溫度33．9℃，水溫可降低約7℃，達到后續膜單元對進水溫度的要求；多介質過濾—超濾組合工藝對濁度去除效果極佳，出水可直接安全進入后續反滲透單元；超濾—反滲透組合工藝脫鹽率平均值為98．7%，滿足設計要求，產水可中水回用。

（3）冷卻塔—多介質過濾—超濾—反滲透組合工藝對熱法海水淡化濃鹽水具有良好的脫鹽效果，后續可考察該組合工藝濃縮水的除鈣、鎂或曬鹽處理，以使海水淡化濃鹽水達到合理資源化利用和保護環境的目的。

[1]F．H． Butt, Faizur Rahman, U． Baduruthamal． Characterization of foulants by autopsy of RO desalination membranes [J]．Desalination, 1997, 114(1):51～64．

P747

A

1671-0711（2017）09（上）-0187-04

大中型海水淡化產業化技術研發及應用——5萬t/d水電聯產與熱膜耦合研發及示范，項目編號：2015BAB10B00。