反滲透膜技術在海洋平臺水處理系統的設計探討

侯辰光，陳 希，林洞峰

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300451）

0 引言

自實用性的復合膜發明以來，憑借其壽命長，性能穩定，不易污染，清洗恢復性好的特性，在電力、石油化工、鋼鐵、電子、醫藥、食品飲料、市政及環保等領域廣泛運用，尤其在海水淡化，鍋爐給水、廢水處理及特種分離過程中發揮著重要作用[1-5]。

海上平臺上所需生產淡水的來源主要由海水和水源井水兩種，針對這兩種不同的來源，反滲透和納濾元件需要進行針對性的設計和優化。

1 反滲透原理

滲透是指稀溶液中的溶劑自發地透過半透膜進入濃溶液側的溶劑流動現象。反滲透原理是在濃溶液側施加高于自然滲透壓的操作壓力，使得水分子的滲透流動方向發生逆轉，部分水分子通過膜到達稀溶液側，達到凈化產水的目的（圖1）。

圖1 滲透及反滲透原理

其中，產水通量和脫除率是反滲透設計中最為關鍵的參數，他們主要受壓力、溫度、回收率、進水含鹽量和進水pH 值影響[6-9]。

1.1 常見的膜結構類型及特點

復合膜是目前全世界反滲透和納濾膜最主要的產品：①由于具備高度交聯的全芳香結構，導致其高度的化學物理穩定性和耐久性，對化學清洗具有良好的耐受性；②高密度的親水性酰胺基團，決定其具有高產水和高脫鹽的特性。再通過補充添加劑、控制哌嗪解離程度，就能調節一價或二價離子的截流能力，從而實現對不同溶質的選擇性截流，達到選擇性分離的目的。

復合膜結構示意如圖2 所示：無紡布為復合膜提供主要的結構強度；由于其表面孔隙太大，因此需要在無紡布上預先敷設孔徑約為150 埃米（150×10-10m）的高透水性微孔聚砜作為支撐層；而真正具有分離作用的功能層是超薄分離層。

圖2 復合膜結構示意

衡量膜性能的重要表征參數是水通量和溶質透過性。理想的產品除了具備很高的水通量外，還能根據應用要求完全不讓指定的溶質透過。膜系統的一般規律是：水通量高的膜，鹽透過量也高。鹽透過量隨表1 中6 個因素的增加而降低。

表1 影響膜性能的主要因素

1.2 流程設計的關鍵因素

（1）反滲透有效膜面積。總產水量與膜元件的總有效膜面積成正比，反滲透系統是以膜單位面積上的流量作為設計基礎，膜元件的有效面積越大、所需元件數量及其他配件的數量就越少。

（2）進水通道面積。進水通道越寬，對進水水質和預處理設備的要求越寬松。這是因為較寬的進水流道，能夠更有效的對膜進行沖洗，也更能保證膜元件的使用壽命。

（3）清洗pH 范圍。清洗液的pH 是去除膜元件內污染物的關鍵因素，膜元件本身所能承受的pH 范圍越寬越好，并且清洗間隔時間就越長，也有利于降低清洗成本。

1.3 預處理流程設計的關鍵因素

對原水預處理能夠提高反滲透和納濾膜系統效率，需要根據原水水質情況和系統回收率選擇適宜的預處理工藝。具體的預處理方案應該取決于所用水源水質和對產水的品質要求條件，其中原水水質是關鍵。

1.3.1 海水含鹽量調節

（1）在設計海水淡化預處理及反滲透系統時須考慮海水高含鹽量帶來的高滲透壓，為了避免超過膜元件的耐壓極限，海水淡化系統的回收率一般限制在40%～50%，并通過加入硫酸來調節pH，使進水的S&DSIC（斯蒂夫和大衛飽和指數）為負值。S&DSIC=pHC-pHS，其中pHC為濃水pH 值、pHS為CaCO3飽和時的pH 值。當S&DSIC≥0 時，就會出現CaCO3結垢。

（2）表面取水的海水淡化系統還需要設置防止生物污染的措施。

1.3.2 顆粒及膠體處理

海水進水中的淤泥和膠體的來源通常包括細菌、黏土、膠體硅等。膠體和顆粒會大幅降低反滲透及納濾元件的性能，影響降低產水量。為此采用的處理方式有以下3 種。

（1）介質過濾。介質過濾器可以除去顆粒、懸浮物和膠體，水處理系統最常用的過濾介質是石英砂和無煙煤，采用石英砂上填充無煙煤的雙介質過濾器時，能夠提供更加有效的清洗效果。建議過濾介質的最小總床層深度不小于0.8 m。

（2）微濾或超濾。微濾或超濾膜能除去懸浮物及部分有機物。通常情況下，產水的濁度可以小于1、SDI（Silt Density Index，淤泥密度指數）可以小于3。另外，原水中的細菌、病毒、藻類及一些有機物也能被截留，從而減小反滲透膜的污染。因此，采用微濾或超濾膜做為預處理，更能保證系統的穩定運行。

（3）濾芯式過濾。每臺反滲透和納濾系統應配置濾芯式保安過濾器，其濾網孔徑的要求小于10 μm，目的是保護膜和高壓泵。需要注意的是，濾芯式過濾器不能用于大量雜質的過濾，如果上一級的介質過濾和超濾失去保護作用時，濾芯式過濾器不能長時間保持系統運行。

1.3.3 生物污染處理

海水均含有各種微生物和藻類，細菌一般在1～3 μm，所以可以通過預防膠體污染的方法來處理。但由于微生物和藻類會具備大量繁殖的能力，因此需要對其進行特別處理。常見方式有兩種：

（1）氯殺菌。氯作為高效滅菌劑能運用廣泛。但是由于膜元件對氯敏感，因此在進入膜元件之前必須經過徹底地脫氯處理，防止膜的氧化。

（2）沖擊式殺菌處理。沖擊處理方式是在有限的時間段內，向系統的進水中加入過量殺菌劑，通常利用亞硫酸氫進行處理。

1.3.4 含H2S 水源

海上平臺的水源除海水之外，還有可能選擇水源井水及地層水。該水源除上述污染物之外，還有很大可能性含有H2S，為此，需要針對性采取措施處理：添加亞硫酸氫鈉等還原劑；脫氣去除H2S；加藥形成沉淀，再通過多介質濾器或絮凝組合處理。

1.4 系統處理工藝匯總（圖3）

圖3 系統處理工藝匯總

2 結束語

海上平臺上所需淡水的來源主要有海水和水源井水，對于這兩種不同的來源，反滲透和納濾元件都有較為成熟的處理解決方案，為海洋平臺上大規模的淡水供給提供有效支持，具有較好的推廣價值。

需要注意的是，受季節性變化、潮汐、人類活動等各種因素，海水水源會對系統造成沖擊和影響，因此，設計者在進行系統方案設計時，應充分考慮每個處理裝置的負荷余量，既滿足系統功能要求，又需要綜合考慮運行維護成本。