膜技術在海水淡化濃鹽水資源化利用中的試驗研究

周 明，吳正雷，王 磊，羅小勇

(江蘇久吾高科技股份有限公司，江蘇 南京 211808)

我國可利用水資源量僅為世界平均水平的1/4，淡水資源緊缺已成為制約沿海地區經濟發展的瓶頸；而海洋約占地球總水量的97%，因此利用海水淡化技術將海水資源轉化為淡水資源已成為解決我國沿海地區淡水供給的重要途徑之一[1]。目前海水淡化主流技術有3種，分別為多級閃蒸(MSF)、低溫多效蒸餾(LT-MED)和反滲透(SWRO)。隨著大規模海水淡化工程的實施，其副產濃海水的排放問題引起了廣泛關注。這部分濃海水直接外排將導致局部海域鹽度升高，還會提升排放點附近的海水溫度，使海水中溶解氧的含量降低，進而影響海洋生物的生長和繁殖[2-6]。如何綜合利用海水淡化濃鹽水，變廢為寶，將成為促進社會可持續性發展及保護生態環境的關鍵[7]。

如能將濃海水用于氯堿生產中的化鹽水，既可以回收濃海水中大部分氯化鈉，降低原鹽消耗，又可節約化鹽用水，減少濃海水的排放。但濃海水中含有較高的硫酸根離子、鈣和鎂離子，給濃海水的利用帶來困難。因此，本研究采用“超濾+納濾”技術路線去除濃海水中的大部分硫酸根、鈣和鎂離子，納濾清液去化鹽池化鹽，實現濃鹽水的資源化利用，減量后的納濾濃液排海，減少對海水的影響[8]。

1 試驗概況

1.1 試驗設計進出水水質

本次試驗進水為某鋼鐵廠海水淡化產生的濃鹽水，水質指標見表1。

表1 海水淡化濃鹽水水質指標

1.2 工藝流程

本次中試試驗以“超濾+納濾”為核心工藝，濃鹽水先經多介質過濾器，去除水中較大的懸浮物、膠體等雜質，降低對膜元件的機械損傷及污染，提高后續膜元件的使用壽命；經預處理后的水進入超濾系統進一步去除懸浮物，超濾產水經納濾系統去除大部分硫酸根、鈣和鎂離子后進入化鹽工藝。中試工藝流程如圖1所示。

圖1 中試工藝流程圖

該中試實驗自2019年10月28日至2019年12月31日，歷時約2個月，期間每日對各個工藝段進出水取樣分析，記錄設備運行情況。

1.3 實驗裝置及設計參數

中試實驗核心裝置主要由超濾、納濾及反滲透單元組成。

超濾單元采用中空纖維膜組件，材質為PVDF，膜孔徑0.1 μm，設計參數見表2。

表2 超濾單元設計參數

納濾單元采用蘇伊士公司的DK和DL納濾膜進行實驗，比較2種不同型號納濾膜對不同離子截留率效果，選擇最優納濾膜進行實驗。初始設計參數見表3。

表3 納濾單元設計參數

1.4 分析方法

2 結果與討論

2.1 超濾單元對進水懸浮物的去除效果

膠體和顆粒污堵將嚴重影響納濾元件的性能，導致產水量大幅降低及脫鹽率下降的現象。因此需控制納濾單元進水濁度在1 NTU以下，同時檢測SDI15指標要在5以下。中試期間對超濾進出水每日取樣進行檢測，進出水濁度及其去除效果見圖2。從圖中可以看出，進水濁度在7～15 NTU波動，出水濁度在0.2 NTU以下，且在中試運行期間數據穩定，滿足進入后續有機膜處理單元對于濁度的進水條件。

圖2 超濾單元對濁度的去除情況

同時中試期間對超濾出水每2天取樣1次進行檢測SDI15，檢測SDI15見圖3。從圖中可以看出，出水SDI15均在0.8 NTU以下，且在中試運行期間數據穩定，滿足進入后續有機膜處理單元對于SDI15的進水條件。

圖3 超濾單元產水SDI15值

中試期間控制進水壓力<0.1 MPa的條件下，經長期實驗表明，海水淡化濃鹽水最佳運行通量在40～50 L/(m2·h)范圍內，產水完全滿足后端NF單元對進水水質的要求(進水要求濁度≤1 NTU，SDI 15≤5)。

2.2 納濾單元試驗結果

2.2.1 不同品牌納濾膜截留率的比較

圖4 DK和DL納濾膜對離子的截留率情況

2.2.2 不同濃縮倍數對各種離子的截留率效果

圖5 DK膜在不同濃度下對離子的截留率變化

由于DK膜的清液去化鹽要控制Ca2+離子含量小于120 mg/L，Mg2+離子含量小于100 mg/L，因此濃縮倍數不是越高越好，需在保證水質的前提下，選擇合適的濃縮倍數。從圖6可以看出，濃縮4倍時，鈣鎂離子都超標，濃縮3.5倍時鈣鎂離子都合格，因此濃縮倍數選擇3.5倍左右為宜，既有較高的水回收率，也能保證化鹽水的水質。

圖6 DK納濾膜對鈣鎂離子的截留情況

3 結 論

(1)UF單元作為后續NF單元的預處理單元，對海水淡化濃鹽水中懸浮物具有很好的去除效果，其產水濁度穩定在0.2 NTU以下，SDI 15值也穩定在0.8以下，可完全滿足后端NF單元對進水水質的要求。

(3)“超濾+納濾”工藝可以用于海水淡化濃鹽水凈化，不僅能夠節約純水，減少原料氯化鈉的消耗，同時減少了濃海水的排放，實現變廢為寶。