海水淡化預處理方法比較及其特點分析

張巖崗，吳禮云，何敏，吳剛，于金旗

（1.北京首鋼國際工程技術有限公司，北京 100043；2.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200；3.北京賽諾膜技術有限公司，北京 100083）

隨著淡水資源的日益短缺，開發出新的淡水資源變得尤為重要。海水淡化技術已經給世界上多個國家提供了干凈的飲用水，是解決水資源短缺的重要方法之一。尤其是膜法海水淡化技術，以其技術及成本優勢，越來越多地被應用于海水淡化中。而海水淡化預處理技術是保證海水淡化裝置可靠、長期穩定運行的關鍵因素之一，如何根據海水中不同污染物的性質來選擇合理優化的膜法海水淡化預處理工藝成為海水淡化的關鍵問題。

1 海水淡化方法

海水淡化是將含鹽度較高的海水轉化為可供人類利用的淡水過程，其可分為兩類，即熱法和膜法。熱法海淡又稱蒸餾法，包括多級閃蒸(MSF)、多效蒸餾(MED)和壓汽蒸餾(VC)等；膜法海淡包括反滲透膜法(RO)和電滲析(ED)等。目前工程應用上比較成熟且已大規模應用的海水淡化技術主要是多級閃蒸(MSF)、低溫多效蒸餾(LT-MED)和反滲透法(RO)。據相關資料統計，自2000年以來應用最多的是反滲透法(RO)，約占60%；其次是多級閃蒸法(MSF)，約占26%；低溫多效法(MED)，約占5%。

反滲透海水淡化技術(SWRO)是一種以壓力差為驅動力脫鹽的海水淡化方法，以其占地小、建造周期短、操作簡單、自動化程度高、比投資小、能耗相對較低等技術優勢得到人們的認可，在實際工程項目中得到了越來越多的應用。近年來，我國經濟迅速發展與水資源匱乏矛盾不斷升級，SWRO技術有效的解決了此問題，并在我國實際海水淡化工程中不斷發揮優勢。我國《全國海水利用“十三五”規劃》提出的總體目標是，到“十三五”末，全國海水淡化總規模達到220萬噸/日以上,這必將促進SWRO技術在我國海水淡化市場的進一步發展。

2 膜法海水淡化預處理的必要性

無論超濾膜、納濾膜，還是反滲透膜，膜的污染嚴重影響著膜的使用壽命。當膜污染嚴重時，唯有更換新膜來解決此問題，而更換新的膜產品，則需要較高的費用，提高了運行維護成本。在實際SWRO工程應用中，反滲透膜污染問題長期困擾著人們，因此，利用預處理技術來防止膜污染，以降低運行維護費用變得尤為重要。海水淡化預處理能夠有效地提高系統水的回收率，延長設備的使用壽命，減少膜的清洗維護次數，以及減少清洗過程中化學試劑的用量和污染物的排放量等。

海水淡化預處理的主要目的是去除進水中的懸浮固體、細菌、微生物及大顆粒有機物質，調節進水pH和水溫，防止金屬氧化物及微溶鹽的沉淀等，保證進水滿足反滲透單元進水的要求。反滲透膜對進水水質要求較高，大多數反滲透膜廠家提出，海水進入反滲透系統要求的主要凈化指標如下。

（1）反滲透系統進水SDI15不超過5，以低于3為佳。

（2）保證進水濁度低于1．0 NTU，以小于0．2為佳。

（3）水中余氯需低于0．1mg/L。

（4）盡可能減少導致膜污染或劣化的化學物質。

（5）水溫在5～45℃之間。徐秀萍等對RO海水淡化性能衰減的剖析及事故案例分析，結果顯示由于預處理效果不好導致膜污染引起的反滲透膜元件性能衰減約占總因素的77% ，膜元件的機械損壞僅是次要因素。

反滲透海水淡化傳統預處理方法有消毒、凝聚和絮凝、多介質過濾、加氯殺菌、保安過濾等。傳統預處理方式工序多、占地大、成本高、處理效果較差，特別是傳統的處理方式對細菌、膠體等去除效果差，不能滿足反滲透進水的水質要求。隨著膜過濾技術的發展，新的預處理技術越來越多的應用到反滲透海水淡化技術當中，膜法預處理技術作為一種新的海水淡化預處理技術逐漸得到人們的廣泛認可。近年來，隨著超濾工藝不斷的發展以及超濾膜成本的降低，其逐漸被廣泛的應用于海水淡化預處理中。由上述可知，膜法海水淡化工藝對預處理效果的要求相對較高，尋找適合海水來水水質的預處理方法勢在必行。

表1 我國四個海域海水水質

3 膜法海水淡化預處理技術分析

SWRO海水淡化預處理技術包括混凝、沉淀、氣浮、過濾等常規水處理技術和膜法預處理技術等。

3.1 海水水質分析

海水的來水水質及處理水的用途兩者從根本上決定了預處理方法的選擇。本文基于大量技術文獻資料，分析了我國近海海域（渤海、黃海、東海、南海）的海水水質，給出了四個典型區域的主要水質參數，并對水質進行了分析，詳見表1。

對海水水質的分析結果如下。

（1）水溫：渤海、黃海和東海月均海洋表層水溫2月最低，8月最高，季節變化顯著；南海月均海洋表層水溫1月最低，6月最高，季節差異不大。渤海、黃海和東海年均海洋表層水溫分別為12．4℃、16．6℃和22．1℃，；南海為 27．8℃。

（2）pH值：均在8左右，偏堿性。

（3）藻類：夏季較高。

（4）懸浮物：11．8～ 104．9mg/l，其中浙江玉環海域懸沙含量高造成懸浮物較高，懸沙中值粒徑季節性變化明顯，夏季中值粒徑（0．039～0．051mm）明顯大于冬季（0．002～0．0029mm），這與大范圍的浙江沿岸流引起的泥沙運動有關。

（5）鹽度或TDS：30～37g/L，其中南海鹽度最低，黃海最高。

（6）Na+：9400～10000mg/L；K+，350～500mg/L。

（7）硬度：較高，其中95%以上為永久硬度。

（8）CL-：14700～ 18600mg/L，SO42+：2500mg/L左右。

（9）CODMn：較低，1 ～ 3．2 mg/L。

（10）石油類：較低，小于0．15mg/L。

3.2 海水淡化預處理工藝分析

目前，國內海水淡化項目的預處理工藝主要為以下三種基本組合工藝。

（1）直接混凝+機械過濾。該預處理組合工藝流程較簡單、占地省、過濾面積大，設備結構簡單、操作難度不大，但處理效果較差，主要用于去除來水大顆粒懸浮物、藻類和濁度等，一般用于來水水質較好的中小規模項目。運行此預處理工藝具有代表性的大型項目是山東石島工程，項目地點位于膠東半島南岸，設計規模5000m3/d，預處理僅用機械過濾。

（2）反應沉淀池+機械過濾。海水淡化原水采用比較渾濁的水時一般會設置反應沉淀池，通過反應沉淀池的絮凝、沉淀，將大顆粒懸浮物質去除掉，后進入機械過濾去除較小的懸浮物質后進入后續膜單元。早期的海水淡化項目多采用這種工藝，如華能威海電廠項目，其設計規模2500m3/d，為海邊發電廠解決缺水問題找到了一條合理化道路。

表2 常規海淡預處理工藝比較

（3）反應沉淀池+超濾（微濾）。超濾是在較高膜通量下運行的膜過濾技術，其可制備出的水質，明顯高于多介質過濾產水，是一種行之有效的海水淡化前處理技術。華能玉環電廠、樂清電廠及天津十萬噸項目均運行超濾（微濾）作為預處理工藝。在項目應用中，超濾（微濾）具有占地面積小，產水濁度和SDI15易控制等諸多優點，是海水淡化預處理工藝的首選。

3.3 常規海水淡化預處理技術比較

國內常用的海水淡化預處理工藝技術有：以Veolia為代表的高效混凝沉淀池類，以Degremont為代表的高密度澄清池類，臥式過濾器，組合工藝如氣浮-沉淀池、氣浮-濾池等。根據相關文獻及網絡資料，主要預處理技術比較見表2。

由表2海淡預處理工藝對比分析，可得出如下結論。

（1）五種工藝均能滿足超濾膜進水水質要求，以臥式雙介質過濾器出水水質最優。

（2）氣浮-沉淀池和臥式雙介質過濾器耗電量相對較低，氣浮-沉淀池運行管理復雜。

（3）除氣浮-濾池外，其余四種工藝均具有較高的抗沖擊負荷能力；高密度澄清池對低溫低濁水有較好的處理效果；氣浮-沉淀工藝對溫度第、濁度低、含藻量高的原水有較好的處理效果。

（4）臥式雙介質過濾器無需加藥；氣浮-沉淀池和高效混凝沉淀池僅需投加混凝劑，助凝劑投加量較少或可不加；高密度沉淀池加藥量大，易發生藥劑過量現象且投加的助凝劑有穿透超濾膜的可能；氣浮-濾池的氣浮效果與加藥量直接相關，較難控制。

3.4 膜法預處理技術分析

膜法預處理主要包括微濾(MF)、超濾(UF)和納濾(NF)三種。

微濾是一種以壓力為驅動的膜分離技術，它可將懸浮物、細菌、部分病毒及大尺寸膠體分離，微濾膜的孔徑一般為0．05～5μm。采用微濾作為預處理具有對水質波動適應性強、占地面積小等優點。天津膜天膜工程技術有限公司自主研制的連續微濾工藝產水水質濁度≤0．1NTU，SDI15≤3，保證了反滲透膜的進水水質。

超濾(UF)是一種能夠將溶液進行凈化、分離或者濃縮的膜法分離技術，超濾膜的孔徑范圍為0．01～0．1 μm，介于納濾和微濾之間，可直接去除病毒、病原體及有機大分子，膠體硅去除率可達99%。其具有抗膠體污染和有機污染性能強、膜的機械性能穩定等特點，使用壽命可達5～7年。當超濾作為反滲透的預處理階段時，可提高反滲透產水量10%～20%，膜的平均壽命可提高2～3年。由于超濾膜低廉的價格及良好的處理效果，目前被廣泛應用于海水淡化預處理領域。

通過膜的運行工藝及工程實際應用業績來看，內壓式超濾膜無法適應水質水量變化的沖擊。在進水濁度＜5NTU以下時，可采用全流量過濾；當進水濁度超過10NTU以上時，則需采用錯流過濾。此運行方式使膜過濾系統日常運行工藝繁瑣，增加了系統的不安全性和不穩定性。而外壓式超濾膜對進水水質水量適應范圍則比較廣，對水中的懸浮物、微生物、有機物等適應范圍比較寬；采用外壓式超濾膜能更好的適應原水的突然變化沖擊如懸浮物、藻類、有機物的影響。

納濾是自20世紀80年代末開始發展起來的一種新型的介于超濾和反滲透之間的膜分離技術，納濾膜的孔徑大小約為1nm，在超低壓下(0．1MPa)仍能工作，并有較大的通量。納濾膜的特點是對Ca2+、SO42-等二價離子有很高的去除率，可用于水的軟化，而對一價離子的去除率較低。納濾膜對有機物有很好的去除效果，故在微污染水源的飲用水處理中有廣闊的應用前景。海水淡化與納濾結合可以降低海水的高硬度，還可以降低進入反滲透膜組件的海水鹽度，提高了海水淡化回收率。

4 國內應用情況分析

據中國水利企業協會脫鹽分會統計，至2015年12月，國內建有海水淡化項目139個，規模達102．65萬噸/日。下面以幾個典型項目為例介紹預處理工藝在我國海水淡化中的應用。

（1）華能玉環電廠海水淡化工程。項目建成于2006年，產水設計規模3．5萬噸/天。該項目位于浙江省臺州市，地處浙東南沿海的樂清灣東岸，為高含沙區，懸沙中值粒徑為0．003～0．0052 mm。海淡原水水質：pH=8．0，懸浮物 105mg/L，TDS=37．13g/L，總硬度 52．13mmol/L。

該項目預處理工藝采用混凝澄清+超濾工藝，海水淡化系統采用雙膜法（超濾+反滲透）。工藝流程描述：首先，向原海水加入次氯酸鈉進行殺菌、消毒，去除藻類等，后經反應沉淀池完成混凝澄清去除大顆粒懸浮物質等，后進入超濾系統去除掉大部分膠體和懸浮物，最后進入反滲透脫鹽。超濾采用的是加拿大Zenon的超濾膜，為浸沒真空抽吸式。

工程項目運行幾年后，存在超濾膜污堵的問題，這主要是因為反應沉淀池的產水自流到超濾膜池，而其穩定性會受到潮差及溫度變化的雙重影響，當反應沉淀池運行不穩定時，絮凝產物直接進入膜池，堵在超濾膜表面，造成膜污染，然而超濾產水水質一直是穩定的。對膜污堵物進行化學分析可得：鐵68．46%；硅，11．26%；鋁，5．59%；錳，3．25%；磷，2．31%；氯，2．42%；鈣，2．01%。為使反應沉淀池出水穩定，采取的措施有：① 反應沉淀池增加回流裝置，根據實際情況調整反應沉淀池排泥量；② 定期使用非氧化殺生劑對反應沉淀池進行殺生和粘泥剝離；③ 在超濾配水槽加鹽酸，加絮凝劑，調整來水pH值等。

（2）曹妃甸北控阿科凌膜法海水淡化項目。項目建成于2011年，產水設計規模為5萬噸/天。項目位于河北省唐山市曹妃甸新區，地處渤海灣的清潔海域，水質略好于渤海灣其他區域。海水取水采用水渠水面下取水方式，并在取水泵房設置自動濾網，以去除海水中的大顆粒物質。預處理采用淺層氣浮+超濾工藝，淺層氣浮可去除海水中的濁度、石油類和藻類等，保證后續超濾進水安全；超濾之前設置自清洗過濾器，過濾精度150μm，超濾采用德國瑩格超濾膜元件。

（3）青島百發海水淡化項目。項目于2012年建成，產水設計規模為10萬噸/天。預處理采用微孔過濾器+超濾工藝。海水取水采用海床式取水，取水泵站的廊道上設置細格柵，去除直徑大于5mm的懸浮物質。預處理采用過濾精度為100μm的微孔過濾器，在靜態混合器處投加三氯化鐵，以除去細小懸浮物。經微孔過濾器后進入超濾，超濾設計進水總懸浮物濃度25mg/L，設計最小懸浮物去除率91%。

以上三個項目地點分別位于我國的東海、渤海和黃海，采用的預處理工藝都以超濾為終端工藝，但超濾之前的工藝由于海水來水水質、取水方式、地質與氣象條件不同而不盡相同。采用何種海水預處理工藝應根據具體情況，通過試驗獲得方案選擇及設計的依據資料再確定，以保證海水淡化設備的正常運行，降低投資成本和運行成本。

5 結語

通過對海水淡化預處理方法的比較及特點分析，得出如下結論。

（1）近年來，我國近海海水水質污染嚴重，整體來說，海水中懸浮物和濁度高，含有大量的有機物、微生物、細菌和藻類。海水淡化預處理效果的好壞是保證后續RO膜單元長期穩定運行的關鍵所在。

（2）常用的傳統海水淡化預處理技術有：高效混凝沉淀池、高密度澄清池、氣浮-沉淀池、氣浮-濾池和臥式雙介質過濾器等。傳統海水淡化預處理技術對海水的預處理效果不如膜法預處理技術。

（3）大量的試驗和工程項目表明，超濾與上述常規工藝組合或單獨用在膜法海水淡化預處理中是可行的。超濾具有抗沖擊能力強、不易受進水水質變化影響、抗污染性能較強、產水水質穩定和對鐵也有較好的去除效果等優勢；其系統出水污染指數SDI15＜3，出水能完全滿足反滲透的進水水質要求，有效保證反滲透系統的安全運行。

（4）對于超濾來說，隨著技術的發展，制造成本的降低，新的膜材料的開發，能耗的降低以及工藝過程的不斷完善，其所具有的高效、節能等優勢日益顯現，必將得到更大的推廣和應用。

針對我國膜法海水淡化預處理系統，提出以下建議。

（1）我國海水淡化預處理系統沒有相應的技術規范，系統設置隨意性較大，出現問題后無法設置相應的手段，建議相關部門及行業專業人士制定相關技術規范。

（2）建立各海域海水水質數據庫，重視對海水水質的分析，并研究海水調質，如對加酸調pH的作用重新分析、研究和評價等。

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