熱法海淡濃鹽水用于膜法工藝的中試研究

張 波，吳 冰，張 達，牛建利

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

1 背景概述

某鋼鐵公司擬建設熱膜耦合海水淡化設施，進水使用熱法海水淡化濃鹽水。為了更科學、嚴謹地評價超濾+反滲透技術在本工程上的適用性，并確認、優化預處理以及脫鹽系統的設計，在項目實施前針對實際水源進行了為期3個月的中試試驗，評價合適的預處理方法，測試反滲透系統出水水質，同時為將來系統的設計、調試、運行提供基礎數據。

2 中試工藝流程

中試用濃鹽水通過管道輸送到中試裝置。中試裝置由冷卻裝置、海水箱、多介質過濾器、清水箱、超濾、超濾產水箱、反滲透、反滲透產水箱等主要設備組成。熱法濃鹽水首先通過冷卻塔降溫，然后進入砂濾裝置，砂濾作為超濾的預處理降低濃鹽水的濁度，然后進入超濾，去除膠體及懸浮物，最后反滲透裝置進行脫鹽。設計的產水量為2 t/h，系統回收率40%，產水氯離子濃度小于200 mg/L。中試工藝流程見圖1。

圖1 中試工藝流程圖

3 中試情況統計分析

3.1 進水情況

中試期間進水pH和水溫變化趨勢如圖2和圖3所示。pH值比較穩定，波動較小，基本在8~8.2。而水溫波動比較明顯，當熱法海水淡化調整產水負荷時，熱法濃鹽水的水溫也隨之波動，即試驗裝置進水水溫波動。從圖2和圖3可以看出，進水溫度一般高于40℃。該溫度已經超過行業常用超濾膜及反滲透膜的耐受溫度，因此需要前置冷卻設施進行降溫處理。

圖2 進水水溫和pH值情況

圖3 進水水溫分布圖

中試期間進水電導率和濁度皆有較大幅度變化，電導率在55~60 ms/cm波動。進水濁度平均約20 NTU，一般介于10~30 NTU。但不穩定，濁度低時可小于10 NTU，濁度高的時候達到110 NTU。

3.2 冷卻塔降溫效果

中試期間環境溫度在-5~10℃，初始溫度在37~44℃變化，平均溫度41℃。冷卻塔降溫效果比較明顯，在未開風機的情況下，水溫可降低6~8℃，即進水水溫降低至35℃以下。

3.3 多介質過濾器運行效果

多介質過濾器預留混凝劑投加點。運行初期，多介質過濾器未投加混凝劑，其進水及出水的水質如圖4所示。原水進水濁度平均約20 NTU，一般介于10~30 NTU，產水濁度在5~10 NTU。在進水濁度有所升高時（30~100 NTU），多介質過濾器的產水濁度隨之升高，但仍介于5~20 NTU，大部分時間仍小于10 NTU，過濾器穩定運行，反洗頻率略有增加，超濾設施運行情況良好，跨膜壓差未見顯著變化。

圖4 多介質過濾器對濁度的去除效果

后期進行了多介質過濾器投加混凝劑的試驗，選擇聚合氯化鋁作為混凝劑，投加量為1.5 mg/L。與不投加混凝劑相比，出水濁度明顯降低，并維持在7 NTU以下。

根據以上分析，在該水質情況下多介質過濾器可以在不投加混凝劑的條件下運行。但中試期間正處于冬季，而海水的懸浮物、濁度及有機污染物在夏季均會有所升高。為了系統安全起見，藥劑投加系統應作保留。

3.4 超濾運行效果

中試期間，超濾系統進水平均濁度3 NTU，出水濁度小于0.1 NTU，且運行穩定。超濾出水濁度SDI15基本在1 NTU以下，維持在0.5 NTU左右。

為了測試了超濾裝置在不同通量下的性能，采用逐步升高產水通量的方式。試驗前，超濾裝置的跨膜壓差為22 kPa。產水通量設置為58 LMH，運行一周后跨膜壓差增長至41 kPa，EFM清洗后跨膜壓差可降至22 kPa。產水通量設置為70 LMH時，運行一周后跨膜壓差可增加至46 kPa，EFM清洗后仍可降低至22 kPa。當產水通量增加至80 LMH時，跨膜壓差一天便升高至50 kPa以上，雖然EFM仍可大幅度降低跨膜壓差，但需要頻繁進行EFM，工業化生產時無法穩定運行。

超濾單元采用EFM維護性清洗，清洗藥劑為次氯酸鈉溶液，濃度為800~950 mg/L，每一次清洗時間約1 h，清洗頻率根據跨膜壓差數值，基本每周1次。每一產水周期經過清洗后，跨膜壓差（TMP）可以恢復至初始值20 kPa左右，清洗恢復效果較優。隨著運行時間的增加，超濾的跨膜壓差在EFM清洗后也隨之升高，即EFM無法滿足正常需求，在運行3~5個月后需要進行CIP化學清洗。CIP化學清洗時采用先堿后酸的方式，為保護超濾膜，pH值控制在1~13。

3.5 反滲透運行效果

中試期間，反滲透單元進水水溫、壓力和電導率情況如圖5所示。由于進水電導率和水溫的變化，反滲透系統進水壓力在62~65 bar。

圖5 反滲透進水溫度、壓力和電導率變化

由于進水水溫和電導率的變化較大，反滲透產水水質也呈現較大波動，但基本維持在800 us/cm以下。

反滲透產水氯離子濃度絕大部分在150~250 mg/L波動，77%的數據點在220 mg/L以下。pH較穩定，在7左右。

4 對工程化應用的指導性意見

1）根據中試結果，多介質過濾和UF單元可以對反滲透脫鹽單元具有很好的預處理作用，使反滲透系統運行穩定，認為該流程基本可行。

2）多介質過濾單元中試采用無煙煤和石英砂雙濾料，濾速7.1 m/h。試驗效果對濁度有很好的去除效果，且不需要投加混凝劑。10 000 t/d系統，如果采用過濾器的話，濾速按照7~10 m/h計算，預計需要直徑4 m的過濾器10~14臺。

3）UF的運行通量57.5~70 LMH均可穩定運行，建議設計通量選擇小于60 LMH。維護性清洗周期5~7 d，清洗藥劑采用900 mg/L次氯酸鈉。化學清洗藥劑采用次氯酸鈉、氫氧化鈉、檸檬酸和鹽酸。中試UF運行方式為死端過濾，為了應對不可預見的進水水質波動，擬在工程設計上備用錯流管路，使死端過濾和錯流過濾都可實現。工程化應用上可采用單支膜面積80 m2或以上的膜組件，與50 m2組件相比，膜組件的數量可減少約40%，從而使占地更小，系統設計更為簡便。

4）根據反滲透系統性能，膜通量越高，產水水質越優；回收率越低，產水水質越優。因此，建議回收率為40%，通量為14.32 LMH。根據各個水溫的模擬計算結果和中試數據，推薦進水降溫至33℃。上述結果，采用高脫鹽率的反滲透膜，一級反滲透可以達到要求。

5）熱膜耦合海水淡化與普通膜法海水淡化相比，具有以下優勢。

進水水質較優。由于熱法海淡之前已經配置沉淀預處理設施，且經過較高溫度的殺菌，對揮發性有機物有較大的去除效果，在預處理上優于普通原海水。

反滲透運行壓力由于熱法濃縮1.38倍，其滲透壓較高，高壓泵電耗約增加0.07 kWh/t，其他設備電耗相當。但熱膜耦合海水淡化利用了熱法濃鹽水的外排壓力，減少了取水的電耗和投資，整體經濟型優于普通膜法海水淡化。

熱膜耦合海水淡化利用了熱法濃鹽水的溫度優勢，解決了北方區域冬季海水溫度低而不利于膜法運行的問題。

熱膜耦合海水淡化提高了整體回收率，降低了海水取水量，其濃水含鹽量較高，具有更高的經濟價值和使用價值。