海水淡化反滲透復(fù)合膜的技術(shù)進(jìn)步

海水淡化反滲透復(fù)合膜的技術(shù)進(jìn)步

自1960年以來，世界淡水資源的總排放量已增加到2300443/d，年增長率為10%30%。供養(yǎng)的人口不僅有中東的若干國家,還有美國、俄國、日本、意大利、西班牙等發(fā)達(dá)國家的部分地區(qū),達(dá)1億之眾。從海水淡化的技術(shù)種類來說,目前主要的還是蒸餾法,但是,反滲透海水淡化技術(shù)由于其設(shè)備投資省、能量消耗低、建造周期短等諸多優(yōu)點(diǎn),近10年來發(fā)展速度很快,目前最大的反滲透海水淡化廠產(chǎn)水規(guī)模已經(jīng)達(dá)到11×104m3/d,在21世紀(jì)將與蒸餾法一起成為海水淡化的主導(dǎo)技術(shù)。1海水反滲透淡化技術(shù)經(jīng)過近40年的不懈努力,反滲透技術(shù)已經(jīng)取得了令人矚目的進(jìn)展。目前反滲透膜與組件的生產(chǎn)已經(jīng)相當(dāng)成熟,膜的脫鹽率高于99.3%,透水通量大大增加,抗污染和抗氧化能力不斷提高,銷售價(jià)格穩(wěn)中有降;反滲透的給水預(yù)處理工藝經(jīng)過多年的摸索基本可保證膜組件的安全運(yùn)行;高壓泵和能量回收裝置的效率也在不斷提高。以上措施使得反滲透淡化的投資費(fèi)用不斷降低,淡化水的成本明顯下降。反滲透海水淡化的技術(shù)進(jìn)步表現(xiàn)在如下方面:①反滲透膜的性能明顯提高1978年成功地開發(fā)了海水淡化反滲透復(fù)合膜(采用脂肪族聚酰胺復(fù)合物為材料)至今,經(jīng)過近20年的不斷發(fā)展,海水淡化反滲透復(fù)合膜的性能已經(jīng)有了較大的提高,目前的反滲透復(fù)合膜系采用芳香族聚酰胺的材料,特征水通量是1978年的2倍,鹽的透過率大約為1978年的四分之一。如此的技術(shù)進(jìn)步使得海水淡化制取飲用水從原來的二級(jí)流程簡化為目前的一級(jí)流程,且膜的價(jià)格穩(wěn)中有降。②功交換器的研制成功據(jù)報(bào)導(dǎo),一種新型能量回收裝置已經(jīng)成功地用于NewProvidece島的13600m3/d和Cayman島的5000m3/d海水反滲透淡化系統(tǒng)上。這種能量回收裝置稱為功交換器,將排放的濃鹽水壓力傳給補(bǔ)給海水,轉(zhuǎn)換效率高達(dá)89%~96%。由于濃鹽水的能量回收充分,據(jù)測(cè)算系統(tǒng)的噸水能量消耗僅為2.6kW·h。這種功交換器是1998年反滲透海水淡化技術(shù)的一個(gè)新里程碑,更為意義重大的是該數(shù)據(jù)是從商業(yè)規(guī)模的淡化裝置上得來的。③段間能量回收透平的成功應(yīng)用1996年6月,佛羅里達(dá)水服務(wù)公司(FloridaWaterServiceCorp.)在Marco島對(duì)現(xiàn)有的15000m3/d苦咸水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了工藝改造,使第二段排放的濃鹽水通過段間能量回收透平用于提高該段的進(jìn)料水壓力,從而提高了第二段膜堆的產(chǎn)水量。通過如此改造,系統(tǒng)的產(chǎn)水量增加3780m3/d,增幅達(dá)25%。段間能量回收透平適合于苦咸水或鹽含量較低的海水淡化系統(tǒng),它可以增加系統(tǒng)的產(chǎn)水量或降低系統(tǒng)的能量消耗。④微濾技術(shù)用于海水預(yù)處理鑒于傳統(tǒng)地加入化學(xué)藥劑和二級(jí)過濾的預(yù)處理技術(shù)不一定能很好地去除進(jìn)料海水中的膠體類物質(zhì),提出了利用膜處理作為反滲透預(yù)處理工藝流程。該流程的核心是采用大孔徑中空纖維超濾或微濾膜,超濾膜的截留分子量為(10~20)×104u,微濾膜的孔徑為0.2μm。經(jīng)過一定的工業(yè)規(guī)模運(yùn)行,膜技術(shù)的預(yù)處理工藝已經(jīng)基本成熟,并具有如下兩個(gè)新穎性能:a.可自動(dòng)、頻繁脈沖式?jīng)_洗中空纖維管(某些型號(hào)采用反洗),其特點(diǎn)是通過短時(shí)間的停運(yùn)來保持穩(wěn)定的產(chǎn)水通量。b.可在一很低的橫流速度下工作,甚至可以在單向流動(dòng)狀態(tài)下工作(全流過濾)。采用微濾(或超濾)作為海水反滲透的預(yù)處理,不需要加入絮凝劑、殺菌劑和余氯脫除劑等化學(xué)藥品,同時(shí)也省去了保安過濾器,將反滲透的進(jìn)水水質(zhì)從傳統(tǒng)處理方法的SDI<3改進(jìn)到SDI<1,且不使反滲透的預(yù)處理成本明顯增加。此技術(shù)由于改進(jìn)了進(jìn)水水質(zhì),不僅延長了反滲透膜的使用壽命,而且有助于提高系統(tǒng)的回收率、降低運(yùn)行費(fèi)用。⑤納濾技術(shù)在預(yù)處理中的應(yīng)用沙特阿拉伯的SWCC成功地開發(fā)出了納濾(NF)作為海水的預(yù)處理技術(shù),用于脫除硬度和總?cè)芙夤腆w,從而提高海水反滲透的操作壓力和系統(tǒng)的回收率,保證膜組件的運(yùn)行安全?；谕瑯拥牡览?納濾也可以用于多級(jí)閃蒸和多效蒸餾的給水預(yù)處理,提高設(shè)備的運(yùn)行溫度,從而提高造水比。如采用納濾作為海水預(yù)處理,并將海水反滲透和多級(jí)閃蒸結(jié)合起來,可以使系統(tǒng)的回收率提高到90%。SWCC公司已經(jīng)將納濾作為海水預(yù)處理的技術(shù)申請(qǐng)了專利。⑥淡化成本的明顯下降由于膜的性能不斷提高,高壓泵和能量回收裝置的性能持續(xù)進(jìn)步,各種預(yù)處理新工藝的不斷提出,促使設(shè)備的運(yùn)行管理更為簡單;更由于國際市場(chǎng)一體化的傾向,加大了海水淡化工程公司之間的競爭,使得設(shè)備的投資費(fèi)用不斷降低,從而使反滲透海水淡化的造水成本不斷下降。其明顯例子是塞浦路斯分別于1995年和1998年對(duì)2×104m3/d的海水淡化工程進(jìn)行國際招標(biāo),淡化水的最低報(bào)價(jià)從1995年的1.22美元/m3下降到1998年的0.782美元/m3,下降幅度高達(dá)36%。2苦咸水海水淡化工程據(jù)初步估計(jì),國內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的產(chǎn)水量大于100m3/d的反滲透淡化裝置總數(shù)量不少于500臺(tái)。這些反滲透淡化裝置的淡化對(duì)象大多數(shù)屬于地表水、自來水或苦咸水,用于海水淡化的只有浙江省嵊山鎮(zhèn)的500m3/d反滲透淡化工程、浙江省嵊泗縣馬跡山的350m3/d反滲透淡化工程以及遼寧省長?？h的1000m3/d反滲透淡化工程。另外,河北滄州化學(xué)工業(yè)股份有限公司于1999年進(jìn)行了18000m3/d高濃度苦咸水淡化工程的招標(biāo),預(yù)計(jì)該工程將于明年底投產(chǎn)運(yùn)行。表1列出了以上四個(gè)工程的技術(shù)參數(shù)。3海水淡化工程所取得的成績目前,國內(nèi)的四個(gè)海水(苦咸水)淡化工程中有三個(gè)已經(jīng)投入運(yùn)行使用,從運(yùn)行的實(shí)際效果來看,基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。嵊山鎮(zhèn)和長?？h的海水淡化工程在天旱無雨、水庫枯竭的情況下,保證了海島人民的飲水,發(fā)揮了巨大的作用和效益。從主體設(shè)備的供貨渠道上看,其中兩個(gè)工程的設(shè)備供貨是引進(jìn)器件的國內(nèi)成套,說明國內(nèi)已經(jīng)基本掌握了海水反滲透淡化工程的設(shè)計(jì)、供貨、安裝、調(diào)試的相關(guān)技術(shù),走過了產(chǎn)業(yè)化的大部分路程。然而,投入運(yùn)行的三個(gè)海水淡化工程在運(yùn)行期間也暴露了一些工程技術(shù)的問題,具有代表性的是:3.1高壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)噪音投運(yùn)的三個(gè)海水淡化工程有兩個(gè)使用了高速離心泵作高壓泵,另外一個(gè)使用了三柱塞泵作高壓泵。嵊山鎮(zhèn)的海水淡化用高壓泵曾發(fā)生抱軸現(xiàn)象而被更換,長?？h的高壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)噪音高達(dá)105dB,超過了我國的往復(fù)泵的噪音標(biāo)準(zhǔn)(95dB),且在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生高壓泵的彈簧斷裂導(dǎo)致設(shè)備停機(jī),由于沒有備品備件供應(yīng),在大連加工了同等的彈簧才解決了問題。由于高壓泵噪音超標(biāo),目前正在進(jìn)行隔音降噪處理。滄州的苦咸水淡化使用的是多級(jí)離心泵,使用效果有待驗(yàn)證。從目前的情況看,根據(jù)不同的淡化規(guī)模選擇高效率、合適的高壓泵是反滲透海水淡化需要解決的問題。3.2預(yù)處理流程嵊山鎮(zhèn)的海水淡化采用了多介質(zhì)過濾、活性炭過濾兩級(jí)預(yù)處理流程,過濾速度分別為8m/h和10m/h,預(yù)處理的結(jié)果保證了進(jìn)入反滲透海水的污染指數(shù)<4,大部分時(shí)間在2~3之間。長?？h的預(yù)處理流程采用了多介質(zhì)過濾、細(xì)砂過濾兩級(jí)預(yù)處理流程,過濾速度分別為9m/h和5m/h。由于取水方式不同,經(jīng)預(yù)處理后的進(jìn)水污染指數(shù)在2.8~3.4之間,達(dá)到了反滲透的進(jìn)水要求。但對(duì)于不同的海水水質(zhì),如何優(yōu)化預(yù)處理的工藝流程,恰當(dāng)?shù)剡x擇預(yù)處理濾速從而達(dá)到保證預(yù)處理質(zhì)量、降低工程造價(jià)和預(yù)處理成本的目的,是反滲透海水淡化工程設(shè)計(jì)和設(shè)備供貨廠商需要解決的技術(shù)問題。3.3預(yù)處理和高壓管路腐蝕反滲透海水淡化由于海水的腐蝕性強(qiáng)、工程難度大而有別于一般的苦咸水淡化,工程設(shè)計(jì)和設(shè)備供貨單位應(yīng)對(duì)此給予高度的重視。目前投運(yùn)的反滲透海水淡化工程或多或少的都存在設(shè)備、管道的腐蝕防護(hù)力度不夠等問題。如馬跡山的海水淡化工程由于設(shè)備和管道腐蝕問題,影響了設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),目前正在進(jìn)行防腐的技術(shù)改造;嵊山鎮(zhèn)海水淡化工程的預(yù)處理和高壓管路也發(fā)生了明顯的銹蝕;長?？h海水淡化工程的預(yù)處理設(shè)施防腐處理不徹底,發(fā)現(xiàn)罐體的內(nèi)部腐蝕,使得鐵銹類金屬氧化物堵塞保安過濾器,導(dǎo)致保安過濾器濾芯的頻繁更換,進(jìn)口設(shè)備的高壓閥門、保安過濾器等也發(fā)生銹蝕。這些腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生,有些屬于設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的,有些屬于供貨廠家沒有完全按照設(shè)計(jì)要求供貨造成的。如果不能有效地解決,將影響設(shè)備的使用壽命,降低淡化裝置的利用率和服務(wù)年限。3.4海水淡化技術(shù)、水處理行業(yè)、城市淡化市場(chǎng)等海水淡化技術(shù)是海洋資源利用技術(shù)的重要領(lǐng)域,海洋開發(fā)的特點(diǎn)是高投資、高風(fēng)險(xiǎn)和高利潤。海水淡化的工程設(shè)計(jì)和設(shè)備供貨是結(jié)合了多種海洋學(xué)科、材料與防腐等技術(shù)在內(nèi)的綜合技術(shù),對(duì)工程設(shè)計(jì)和設(shè)備供貨的廠商均應(yīng)有嚴(yán)格的資質(zhì)要求。海水淡化技術(shù)將是下世紀(jì)解決沿海城市和地區(qū)淡水不足的有效途徑,許多企業(yè)看上了這一點(diǎn),紛紛介入海水淡化和水處理行業(yè),在推動(dòng)了該行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的同時(shí),也帶來了無序競爭,使得海水淡化和水處理市場(chǎng)良莠不齊。如果不加強(qiáng)管理,規(guī)范工程設(shè)計(jì)和設(shè)備供貨的資質(zhì),建設(shè)單位從地區(qū)利益和眼前利益出發(fā)選擇設(shè)備供貨和工程設(shè)計(jì)單位的結(jié)果,將會(huì)對(duì)工程造成損失和制約行業(yè)的健康發(fā)展。4關(guān)于滲透海水淡化技術(shù)的發(fā)展對(duì)策鑒于我國反滲透海水淡化取得的巨大成就和面臨的問題,建議采取如下對(duì)策以促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。4.1海水淡化技術(shù)的研發(fā)方向目前,國內(nèi)海水淡化所用反滲透復(fù)合膜均從國外進(jìn)口,國產(chǎn)反滲透膜與國外產(chǎn)品還存在一定的差距。反滲透膜是反滲透海水淡化的核心,反滲透膜的國產(chǎn)化與產(chǎn)業(yè)化不能解決,勢(shì)必影響我國反滲透海水淡化技術(shù)的發(fā)展。我國海水反滲透膜的研制已經(jīng)具有三個(gè)五年計(jì)劃攻關(guān)的良好基礎(chǔ),國家應(yīng)進(jìn)一步支持海水反滲透膜的研制,使得在“十五”期間形成反滲透海水淡化膜的技術(shù)突破,盡快實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化,在促進(jìn)國內(nèi)反滲透淡化技術(shù)發(fā)展的同時(shí),進(jìn)入國際市場(chǎng)。4.2反滲透海水淡化工程的技術(shù)攻關(guān)在反滲透膜選定的情況下,反滲透海水淡化系統(tǒng)的能量消耗等指標(biāo)主要取決于選用的高壓泵和能量回收裝置的效率。目前,國內(nèi)海水淡化所用高壓泵和能量回收透平都是從國外進(jìn)口,其零備件也得從國外進(jìn)口,在浪費(fèi)外匯額度的同時(shí)也給設(shè)備的維護(hù)帶來許多不便。國內(nèi)的多級(jí)離心泵、柱塞泵制造技術(shù)已經(jīng)十分成熟,并被成功地用于油田注水,經(jīng)過適當(dāng)?shù)毓リP(guān),完全可以生產(chǎn)用于反滲透海水淡化的高壓泵。能量回收透平的技術(shù)核心是高速葉輪的制造,國內(nèi)的三元扭曲葉輪制造技術(shù)居國際領(lǐng)先水平,并被廣泛地用于進(jìn)口壓縮設(shè)備的技術(shù)升級(jí)和改造,經(jīng)過科技攻關(guān),完全有可能實(shí)現(xiàn)能量回收透平的國產(chǎn)化,達(dá)到提高性能、降低造價(jià)的目標(biāo)。只有實(shí)現(xiàn)了反滲透膜、高壓泵、能量回收透平的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化,才有可能實(shí)現(xiàn)我國反滲透海水淡化的產(chǎn)業(yè)化,在推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的同時(shí),躋身國際海水淡化市場(chǎng)。4.3反滲透工程設(shè)計(jì)反滲透膜、高壓泵和能量回收裝置的國產(chǎn)化只是解決了反滲透淡化工程的器件和設(shè)備問題。性能優(yōu)良的器件和設(shè)備組合不一定形成運(yùn)轉(zhuǎn)良好的淡化工程,因此,