膜法海水淡化集成測試平臺設計與開發

王曉玲，肖亞蘇，李 露，張 乾，吳云奇

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

1 前言

膜法海水淡化的發展體現在膜材料的更新換代、膜工藝的改進優化、成本的日益降低。但我國對海水淡化的研究還不夠深入，系統設計和集成創新能力較低，淡化裝備的開發和制造等方面能力與國際先進水平仍有很大距離[1]。尤其在規模大型化后，針對海域水質、用水水質需求、成本要求不同，采用的工藝和操作條件都會不同，為此開發建設了膜法工藝集成測試平臺，將超濾、納濾、海水反滲透、高壓反滲透先模塊化，再應用于一個小尺度的系統，并與常規預處理系統和濃鹽水處理系統組成全流程的膜法海水淡化測試平臺，用于多種工藝的測試、研發、中試，驗證膜系統性能，預測大型系統中可能存在的問題。

2 海水淡化膜技術及其應用

通過全膜法進行淡化脫鹽已顯示出很好的前景。一般來說，膜法海水淡化工藝是將原料海水經傳統預處理或膜法預處理后，用高壓泵打入反滲透膜，經反滲透膜處理后分成兩股(濃鹽水和產品淡水)液流。為降低系統能耗，反滲透海水淡化中通常配置能量回收裝置回收濃水能量。典型的海水淡化膜技術有微濾(MF)技術、超濾(UF)技術、納濾(NF)技術、反滲透(RO)技術。反滲透是海水淡化脫鹽的核心，而微濾、超濾、納濾常作為反滲透的預處理技術，納濾還可作為反滲透或納濾濃水的再濃縮工藝。

在這些膜技術中，MF膜孔徑相對較大，一般0.01 μm～10 μm，在去除懸浮固體上效果明顯，可有效降低淤泥污染指數(SDI)值，且運行費用較低。UF膜孔徑一般0.001 μm～0.1 μm，不僅對水中懸浮固體有截留作用，對大分子、膠體和部分的細菌也有一定的去除作用。相比微濾，超濾連續性好、自動化程度高、顆粒介質去除率高，尤其適用于高污染的給水水源，如地表水、廢水或開放式進水海水，超濾組件正向大型化、模塊化、高效化發展，用超濾代替微濾是海水淡化預處理的發展趨勢[2]。

NF膜的作用效果則介于超濾和反滲透之間，NF膜對二價以上的離子及相對分子量較大的有機物的截留性能較好，對一價離子或者小分子的有機物的去除率則有限，因此納濾膜通常用于海水軟化，脫除海水中易導致結垢的二價的鈣鎂離子[1]。

隨著零排放技術和高鹽濃鹽水處置技術的發展，高壓反滲透用于海水淡化濃鹽水逐級濃縮減量化的技術成為行業發展的新方向，高壓反滲透膜產品的推廣使用也日益增長。尤其是NF+RO+HPRO的組合膜工藝，聯合蒸發結晶的方法，解決了高鹽廢水及分鹽零排放工藝中的難題，大大提升了處理效果。

3 平臺組成、功能

順應膜法海水淡化上述前沿發展方向，傳統反滲透工藝與納濾、高壓反滲透結合是今后的研究熱點。該測試平臺集成UF、NF、SWRO、HPRO等工藝，采用實際海水，模擬多種預處理水質和工況，從而提供集成工藝、安全供水研究和評價服務，并能夠對關鍵設備、材料進行評價服務。作為海水淡化科研攻關中試試驗平臺，具有海水淡化主流工藝通用性和可靠性的同時，還具有工藝創新性。膜法海水淡化集成測試平臺主要包括UF模塊、NF模塊、SWRO模塊、HPRO模塊，每個脫鹽模塊又包含一級一段、一級兩段、二級等多個子模塊，子模塊又根據能量回收的方式有PX、段間增壓泵、段間渦輪增壓的工藝區分，其具有以下功能和優點：

(1)兼獨立性與集成性。平臺所建設的超濾、納濾、反滲透、高壓反滲透工藝分別模塊化，均可單獨與海水淡化常規預處理工藝結合形成單一的膜法海水淡化工藝系統，又可將其中的兩種或三種聯合組成新的工藝，達到梯級處理、分質產水、減排降耗研究和開發的目的。

(2)兼通用性與創新性。納濾和反滲透常用工藝有單級、單段、一級兩段、二級，其國內外常用的海水淡化能量回收方式為正位移式能量回收，一般為美國ERI公司生產的PX系列產品。該平臺在滿足這些常用工藝的基礎上，升級了段間增壓泵、段間渦輪增壓器兩種段間增壓方式；除了將納濾應用于反滲透預處理，還能應用于反滲透濃水分鹽處理；采用新型超高壓反滲透對海水淡化濃鹽水進行再濃縮處理；上述單一工藝還能形成聯合工藝，用于模擬大型海水淡化工程工藝鏈過程，應用覆蓋面廣。

(3)兼完整性與擴展性。平臺涵蓋海水淡化預處理、淡化水分質產水、濃鹽水再濃縮、濃鹽水分鹽等工藝，集成了全膜法海水淡化的所有工藝環節，每一個模塊又設有可擴展接口和轉換工藝接口，切換不同工藝模式，適應多種工藝的測試評價。如納濾和反滲透產水預留接口與蒸餾海水淡化或電滲析相結合，膜元件可根據需要安裝不同性能的膜元件擴展工藝測試范圍。這些設計理念有利于與其它新技術新工藝結合，適應未來發展需要，有利于今后的推廣應用。

4 平臺設計

4.1 典型工藝

該平臺可對多種全膜法海水淡化工藝進行測試，由UF、NF、SWRO、BWRO、HPRO模塊組成，其中，超濾模塊作為所有脫鹽模塊的預處理，常規工藝均能實現一級一段、一級兩段、二級等工藝子模塊，一級兩段工藝又能形成直接通過式、段間增壓泵式、渦輪增壓器式工藝，這些工藝是膜法海水淡化基本工藝，這里不再贅述。

這些工藝模塊及其子模塊可以根據設計要求，形成聯合集成工藝，用以解決工業生產中的難題。典型工藝如下。

(1)UF-NF-SWRO產水梯級工藝[3，6]。如圖1，納濾為反滲透預處理，產水作為反滲透進水，反滲透濃水回流與原料水混合后作為納濾進水或外排，納濾濃水外排，反滲透產水為產品水。相當于反滲透作為納濾的二級處理，提高產品水質。該工藝中納濾一般采用一級兩段處理，也可將納濾部分產水進行反滲透處理，是一種梯級產水工藝，可用于海水軟化，提高淡水品質和回收率，同時降低反滲透的操作壓力。

圖1 UF-NF-SWRO產水梯級工藝Fig.1 Cascade process of UF-NF-SWRO permeat

(2)UF-NF-HPRO濃縮梯級工藝[7]。如圖2，納濾濃鹽水作為反滲透濃縮模塊的進水，相當于進行二級濃縮，反滲透的濃鹽水為高濃度濃鹽水，反滲透產水為產品水，納濾可根據含鹽量進行分質供水，或者將反滲透產水和納濾產水混合供水。該工藝是一種逐級濃縮工藝，可用于提高濃縮倍率，減少排放，減少反滲透系統結垢風險，也可給制鹽工藝提供高濃度水質。

圖2 UF-NF-HPRO濃縮梯級工藝Fig.2 Cascade process of UF-NF-HPRO concentration

(3)UF-SWRO-NF濃縮軟化工藝[8]。如圖3，反滲透的濃鹽水作為納濾的進水，納濾產水回流至反滲透前與超濾混合后作為反滲透的進水，納濾濃縮液可為高濃度濃鹽水同時進行蒸發結晶等回收再利用，反滲透產水為產品水。該工藝是一種濃縮軟化工藝，可用于海水淡化濃鹽水濃縮分離和高鹽濃水減量化處理。

圖3 UF-SWRO-NF濃縮軟化工藝Fig.3 Concentration and softening process of UF-SWRO-NF

(4)UF-SWRO-NF-HPRO節能減排工藝[9]。如圖4，它由單級反滲透(SWRO)和三級滲透液循環NF-HPRO組成，SWRO的高壓濃水經是三級滲透液循環NF-HPRO的進料，三級滲透液循環NF-HPRO即二級NF滲透液循環至一級NF高壓進料側，HPRO滲透液循環至二級NF高壓進料側。該工藝與常規SWRO工藝相比，在相同的總回收率下，滲透壓差分別比SWRO降低33%，降低能耗，同時能夠得到高濃度的濃鹽水，減少鹽水處理量，是一種節能減排工藝，最終高濃度濃鹽水可結合蒸餾工藝，用于海水淡化節能減排和提供制鹽工藝原料。

圖4 UF-SWRO-NF-HPRO節能減排工藝Fig.4 Energy saving and emission reduction process of UF-SWRO-NF-HPRO

4.2 設計參數

(1)超濾(UF)模塊。最大產水量40 m3/h，套內每支超濾膜組件都能單獨運行，也可同時運行。采用外壓式中空纖維膜，膜絲材質為PVDF。超濾裝置可全量過濾方式。超濾裝置考慮水質較差的情況下，采用錯流過濾方式，錯流過濾水量按10%考慮。

(2)納濾(NF)模塊。共兩級，可獨立運行，回收率可在45%～70%之間調節。一級采用一級兩段6芯設計，產水量12 m3/h～15 m3/h，最大給水壓力3.87×106Pa。二級采用一級兩段4芯設計，產水量8 m3/h～9 m3/h。

(3)反滲透(SWRO)模塊。一級兩段6芯設計，產水量6.5 m3/h～7.5 m3/h，最大給水壓力6.0×106Pa。段間設有增壓泵和渦輪能量回收裝置兩種工藝，回收率可在40%～50%之間調節。

(4)反滲透(BWRO)模塊。一級兩段4芯設計，1 ∶1排列，產水量4.75 m3/h～5 m3/h，采用4寸苦咸水膜元件。

(5)高壓反滲透(HPRO)模塊。一級一段6芯設計，采用8寸高壓反滲透膜元件，每只膜可單獨控制，由于設計處理納濾和反滲透濃水，根據來水水質和水量，回收率可在30%～45%之間處理，處理量7.5 m3/h～12 m3/h。

5 結語

膜法海水淡化集成測試平臺用于模擬全膜法海水淡化新工藝、新產品的研發和測試，在天津市臨港經濟區示范基地建成，可針對膜法海水淡化關鍵設備、部件、材料自主創新不足及成果轉化困難的現狀，開展工藝優化和大型海水淡化可行性研究和技術評價。