海水淡化反渗透复合膜的技术进步

海水淡化反渗透复合膜的技术进步

自1960年以来，世界淡水资源的总排放量已增加到2300443/d，年增长率为10%30%。供养的人口不仅有中东的若干国家,还有美国、俄国、日本、意大利、西班牙等发达国家的部分地区,达1亿之众。从海水淡化的技术种类来说,目前主要的还是蒸馏法,但是,反渗透海水淡化技术由于其设备投资省、能量消耗低、建造周期短等诸多优点,近10年来发展速度很快,目前最大的反渗透海水淡化厂产水规模已经达到11×104m3/d,在21世纪将与蒸馏法一起成为海水淡化的主导技术。1海水反渗透淡化技术经过近40年的不懈努力,反渗透技术已经取得了令人瞩目的进展。目前反渗透膜与组件的生产已经相当成熟,膜的脱盐率高于99.3%,透水通量大大增加,抗污染和抗氧化能力不断提高,销售价格稳中有降;反渗透的给水预处理工艺经过多年的摸索基本可保证膜组件的安全运行;高压泵和能量回收装置的效率也在不断提高。以上措施使得反渗透淡化的投资费用不断降低,淡化水的成本明显下降。反渗透海水淡化的技术进步表现在如下方面:①反渗透膜的性能明显提高1978年成功地开发了海水淡化反渗透复合膜(采用脂肪族聚酰胺复合物为材料)至今,经过近20年的不断发展,海水淡化反渗透复合膜的性能已经有了较大的提高,目前的反渗透复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,盐的透过率大约为1978年的四分之一。如此的技术进步使得海水淡化制取饮用水从原来的二级流程简化为目前的一级流程,且膜的价格稳中有降。②功交换器的研制成功据报导,一种新型能量回收装置已经成功地用于NewProvidece岛的13600m3/d和Cayman岛的5000m3/d海水反渗透淡化系统上。这种能量回收装置称为功交换器,将排放的浓盐水压力传给补给海水,转换效率高达89%~96%。由于浓盐水的能量回收充分,据测算系统的吨水能量消耗仅为2.6kW·h。这种功交换器是1998年反渗透海水淡化技术的一个新里程碑,更为意义重大的是该数据是从商业规模的淡化装置上得来的。③段间能量回收透平的成功应用1996年6月,佛罗里达水服务公司(FloridaWaterServiceCorp.)在Marco岛对现有的15000m3/d苦咸水淡化系统进行了工艺改造,使第二段排放的浓盐水通过段间能量回收透平用于提高该段的进料水压力,从而提高了第二段膜堆的产水量。通过如此改造,系统的产水量增加3780m3/d,增幅达25%。段间能量回收透平适合于苦咸水或盐含量较低的海水淡化系统,它可以增加系统的产水量或降低系统的能量消耗。④微滤技术用于海水预处理鉴于传统地加入化学药剂和二级过滤的预处理技术不一定能很好地去除进料海水中的胶体类物质,提出了利用膜处理作为反渗透预处理工艺流程。该流程的核心是采用大孔径中空纤维超滤或微滤膜,超滤膜的截留分子量为(10~20)×104u,微滤膜的孔径为0.2μm。经过一定的工业规模运行,膜技术的预处理工艺已经基本成熟,并具有如下两个新颖性能:a.可自动、频繁脉冲式冲洗中空纤维管(某些型号采用反洗),其特点是通过短时间的停运来保持稳定的产水通量。b.可在一很低的横流速度下工作,甚至可以在单向流动状态下工作(全流过滤)。采用微滤(或超滤)作为海水反渗透的预处理,不需要加入絮凝剂、杀菌剂和余氯脱除剂等化学药品,同时也省去了保安过滤器,将反渗透的进水水质从传统处理方法的SDI<3改进到SDI<1,且不使反渗透的预处理成本明显增加。此技术由于改进了进水水质,不仅延长了反渗透膜的使用寿命,而且有助于提高系统的回收率、降低运行费用。⑤纳滤技术在预处理中的应用沙特阿拉伯的SWCC成功地开发出了纳滤(NF)作为海水的预处理技术,用于脱除硬度和总溶解固体,从而提高海水反渗透的操作压力和系统的回收率,保证膜组件的运行安全。基于同样的道理,纳滤也可以用于多级闪蒸和多效蒸馏的给水预处理,提高设备的运行温度,从而提高造水比。如采用纳滤作为海水预处理,并将海水反渗透和多级闪蒸结合起来,可以使系统的回收率提高到90%。SWCC公司已经将纳滤作为海水预处理的技术申请了专利。⑥淡化成本的明显下降由于膜的性能不断提高,高压泵和能量回收装置的性能持续进步,各种预处理新工艺的不断提出,促使设备的运行管理更为简单;更由于国际市场一体化的倾向,加大了海水淡化工程公司之间的竞争,使得设备的投资费用不断降低,从而使反渗透海水淡化的造水成本不断下降。其明显例子是塞浦路斯分别于1995年和1998年对2×104m3/d的海水淡化工程进行国际招标,淡化水的最低报价从1995年的1.22美元/m3下降到1998年的0.782美元/m3,下降幅度高达36%。2苦咸水海水淡化工程据初步估计,国内运转的产水量大于100m3/d的反渗透淡化装置总数量不少于500台。这些反渗透淡化装置的淡化对象大多数属于地表水、自来水或苦咸水,用于海水淡化的只有浙江省嵊山镇的500m3/d反渗透淡化工程、浙江省嵊泗县马迹山的350m3/d反渗透淡化工程以及辽宁省长海县的1000m3/d反渗透淡化工程。另外,河北沧州化学工业股份有限公司于1999年进行了18000m3/d高浓度苦咸水淡化工程的招标,预计该工程将于明年底投产运行。表1列出了以上四个工程的技术参数。3海水淡化工程所取得的成绩目前,国内的四个海水(苦咸水)淡化工程中有三个已经投入运行使用,从运行的实际效果来看,基本达到了设计要求。嵊山镇和长海县的海水淡化工程在天旱无雨、水库枯竭的情况下,保证了海岛人民的饮水,发挥了巨大的作用和效益。从主体设备的供货渠道上看,其中两个工程的设备供货是引进器件的国内成套,说明国内已经基本掌握了海水反渗透淡化工程的设计、供货、安装、调试的相关技术,走过了产业化的大部分路程。然而,投入运行的三个海水淡化工程在运行期间也暴露了一些工程技术的问题,具有代表性的是:3.1高压泵运转噪音投运的三个海水淡化工程有两个使用了高速离心泵作高压泵,另外一个使用了三柱塞泵作高压泵。嵊山镇的海水淡化用高压泵曾发生抱轴现象而被更换,长海县的高压泵运转噪音高达105dB,超过了我国的往复泵的噪音标准(95dB),且在运转过程中发生高压泵的弹簧断裂导致设备停机,由于没有备品备件供应,在大连加工了同等的弹簧才解决了问题。由于高压泵噪音超标,目前正在进行隔音降噪处理。沧州的苦咸水淡化使用的是多级离心泵,使用效果有待验证。从目前的情况看,根据不同的淡化规模选择高效率、合适的高压泵是反渗透海水淡化需要解决的问题。3.2预处理流程嵊山镇的海水淡化采用了多介质过滤、活性炭过滤两级预处理流程,过滤速度分别为8m/h和10m/h,预处理的结果保证了进入反渗透海水的污染指数<4,大部分时间在2~3之间。长海县的预处理流程采用了多介质过滤、细砂过滤两级预处理流程,过滤速度分别为9m/h和5m/h。由于取水方式不同,经预处理后的进水污染指数在2.8~3.4之间,达到了反渗透的进水要求。但对于不同的海水水质,如何优化预处理的工艺流程,恰当地选择预处理滤速从而达到保证预处理质量、降低工程造价和预处理成本的目的,是反渗透海水淡化工程设计和设备供货厂商需要解决的技术问题。3.3预处理和高压管路腐蚀反渗透海水淡化由于海水的腐蚀性强、工程难度大而有别于一般的苦咸水淡化,工程设计和设备供货单位应对此给予高度的重视。目前投运的反渗透海水淡化工程或多或少的都存在设备、管道的腐蚀防护力度不够等问题。如马迹山的海水淡化工程由于设备和管道腐蚀问题,影响了设备的正常运转,目前正在进行防腐的技术改造;嵊山镇海水淡化工程的预处理和高压管路也发生了明显的锈蚀;长海县海水淡化工程的预处理设施防腐处理不彻底,发现罐体的内部腐蚀,使得铁锈类金属氧化物堵塞保安过滤器,导致保安过滤器滤芯的频繁更换,进口设备的高压阀门、保安过滤器等也发生锈蚀。这些腐蚀现象的发生,有些属于设计不当造成的,有些属于供货厂家没有完全按照设计要求供货造成的。如果不能有效地解决,将影响设备的使用寿命,降低淡化装置的利用率和服务年限。3.4海水淡化技术、水处理行业、城市淡化市场等海水淡化技术是海洋资源利用技术的重要领域,海洋开发的特点是高投资、高风险和高利润。海水淡化的工程设计和设备供货是结合了多种海洋学科、材料与防腐等技术在内的综合技术,对工程设计和设备供货的厂商均应有严格的资质要求。海水淡化技术将是下世纪解决沿海城市和地区淡水不足的有效途径,许多企业看上了这一点,纷纷介入海水淡化和水处理行业,在推动了该行业技术进步的同时,也带来了无序竞争,使得海水淡化和水处理市场良莠不齐。如果不加强管理,规范工程设计和设备供货的资质,建设单位从地区利益和眼前利益出发选择设备供货和工程设计单位的结果,将会对工程造成损失和制约行业的健康发展。4关于渗透海水淡化技术的发展对策鉴于我国反渗透海水淡化取得的巨大成就和面临的问题,建议采取如下对策以促进技术的发展和实现产业化。4.1海水淡化技术的研发方向目前,国内海水淡化所用反渗透复合膜均从国外进口,国产反渗透膜与国外产品还存在一定的差距。反渗透膜是反渗透海水淡化的核心,反渗透膜的国产化与产业化不能解决,势必影响我国反渗透海水淡化技术的发展。我国海水反渗透膜的研制已经具有三个五年计划攻关的良好基础,国家应进一步支持海水反渗透膜的研制,使得在“十五”期间形成反渗透海水淡化膜的技术突破,尽快实现国产化和产业化,在促进国内反渗透淡化技术发展的同时,进入国际市场。4.2反渗透海水淡化工程的技术攻关在反渗透膜选定的情况下,反渗透海水淡化系统的能量消耗等指标主要取决于选用的高压泵和能量回收装置的效率。目前,国内海水淡化所用高压泵和能量回收透平都是从国外进口,其零备件也得从国外进口,在浪费外汇额度的同时也给设备的维护带来许多不便。国内的多级离心泵、柱塞泵制造技术已经十分成熟,并被成功地用于油田注水,经过适当地攻关,完全可以生产用于反渗透海水淡化的高压泵。能量回收透平的技术核心是高速叶轮的制造,国内的三元扭曲叶轮制造技术居国际领先水平,并被广泛地用于进口压缩设备的技术升级和改造,经过科技攻关,完全有可能实现能量回收透平的国产化,达到提高性能、降低造价的目标。只有实现了反渗透膜、高压泵、能量回收透平的国产化和产业化,才有可能实现我国反渗透海水淡化的产业化,在推动技术进步的同时,跻身国际海水淡化市场。4.3反渗透工程设计反渗透膜、高压泵和能量回收装置的国产化只是解决了反渗透淡化工程的器件和设备问题。性能优良的器件和设备组合不一定形成运转良好的淡化工程,因此,