1、反渗透膜法海水淡化工艺的设计反渗透膜法海水淡化工艺的设计设计总说明：目前，水资源危机已是一个世界性的难题，很多国家淡水资源已经相当匮乏，我国人均水资源占有量处于世界较低水平，而且淡水资源分布及其不均匀。而发展海水淡化技术是解决水资源短缺的重要途径之一。特别是对于部分沿海地区。本设计结合原水水质，设计了淡水产量为1000m3/d的反渗透海水淡化工艺系统，本方案能确保出水水质符合后续设备的要求，又不需添加任何化学试剂，与传统的预处理方法相比，不会增加新的污染物。反渗透海水淡化技术由于设备投资省、能量消耗低、建造周期短等优点，近十年来发展迅速，将成为海水淡化的主导技术。关键词: 反渗透；海水淡化；预
2、处理；1 海水淡化的意义3，其中96.5%为海水，其他分布在陆地，大气和生物体中，约为2.53%，其中多储存于冰川、雪盖和750米深度以上的地下，而可取用的河、湖水及浅层地下水等仅占0.2%左右，这里还包括相当大一部份的苦咸水1。据统计，全国600多个中等以上的城市，不同程度缺水的就达400多个其中110个城市严重缺水，主要分布在华北、西北和沿海地区，水已经成为这些地区经济发展的瓶颈。2010年后，我国将进入严重缺水期，专家估计，2030年前中国的缺水量将达到1000亿m3。因此，开发利用海水资源、进行海水淡化就成为解决我国淡水紧缺的一条有效的战略途径。2 本设计的研究方案本文针对渤海海湾当地
3、的自然环境条件、系统的实际生产状况及反渗透海水淡化的国内外实例，设计了淡水产量为1000m3/d的反渗透海水淡化工艺系统，实现了整套系统的自动控制。具体情况如下:（1）根据自然条件、系统的实际生产状况确定采用一级反渗透海水淡化装置，设计产水量为1000m3/d；（2）海水预处理方案时应充分考虑以下方面: 原水水源类型及水质情况；合理选择预处理和过滤器类型，使预处理出水水质符合要求；阻垢剂的种类选择与剂量的确定；根据反渗透装置具体情况，确定是否调节给水pH值等。从上述因素出发, 确定了采用超滤作为反渗透的预处理，并根据反渗透系统的制水量确定过滤器选型、滤料级配和过滤速度，根据过滤器的累积流量确定
4、其反洗周期和反洗流量。将超滤和反渗透装置相结合，改善了预处理工艺，提高了系统的稳定性、减少维护、延长了膜的使用寿命。（3）高压泵和能量回收装置的使用能将反渗透膜对排放浓水90-95的能量回收，能有效地降低能耗。3 反渗透原理及系统组成反渗透的基本原理m (10埃)的物质。各种溶液都具有渗透压力，其渗透压力与溶液的浓度大致成正比。自然渗透是指水从低浓度溶液向高浓度溶液渗透，直到建立起等于渗透压差的压力平衡为止，如下图3-1（2。 图3-1反渗透原理示意图反渗透是通过对高浓度溶液加压，使之大于膜两侧的渗透压力差，这时水将优先从高浓度溶液中析出，并透过膜进入低浓度溶液。因此，反渗透是溶剂(水)的渗透
5、方向与自然渗透的方向相反，见上图3-1（c）。透过反渗透膜的透过液(产品水)含盐量减少，而膜的另一侧加压进料液(浓缩盐水)的含盐量随之增加，这就是反渗透膜法的脱盐过程。由于没有热和相的变化，这一过程中的主要能量是用来对进料溶液的加压。在实际工艺过程中，海水由高压泵输送至半透膜的一侧被加压。当进料液中的纯水透过半透膜时，截留溶液(浓缩盐水)则变得越来越浓。同时，允许部分进料水(浓缩盐水)不经过膜而被排放，如果没有这种排放，进料溶液中溶解盐类的浓度就会逐渐增加，从而需要不断地增加泵压能量用以克服增加的自然渗透压力。此外，浓缩盐水中超饱和组份会发生沉淀，就会加大浓度极化，反渗透膜就会被严重污染和堵塞
6、，水通量和脱盐率会急剧下降。反渗透海水淡化系统的组成反渗透海水淡化系统主要由四部分构成:（1）取水系统；（2）预处理系统；（3）反渗透系统；（4）反渗透系统的清洗3。反渗透系统的选择是需要考虑诸多因素的一个过程，与其它水处理工艺所不同的是，反渗透装置对海水的预处理有它特定的要求，对后处理也需根据反渗透装置出水的特点进行考虑。4 系统工艺说明4.1 取水系统海水反渗透的取水方式直接关系到预处理的方法和投资、运行成本，对反渗透膜的防止污染具有极大的影响。海水的取水方式随地理环境和地质条件而不同，典型的海水取水方法有：海滩水井取水、表层海水取水、海床过滤取水、海滩水平暗渠取水和海滩渗井取水等方式。对
7、于反渗透的原水取水，最理想的方式就是海岸边打井。海岸边打井可以取得经过地层过滤的海水，其水质悬浮物低、有机物低、溶解氧小，而且海边井水中的生物活性低，季节变化对水温影响小(甚至可以避免)，这样就减少了后继预处理的负担。4.2 预处理系统预处理就是对进料水进行处理，使预处理的出水水质达到反渗透膜对进水水质的要求，并且保护膜不被污染。这种预处理主要包括去除悬浮固体、胶体、细菌、有机物等，调节pH值，添加阻垢剂等控制碳酸钙和硫酸钙的结垢，可以大幅度降低进料水的浊度、硬度和TDS 的含量，解决海水淡化过程中存在结垢污染等问题，从而大幅度提高水回收率，降低膜法海水淡化的成本和能耗。合适的预处理对反渗透装
8、置的长期安全稳定运行具有十分重要的意义4。反渗透系统反渗透系统是本流程中最主要的脱盐装置，它具有极高的脱盐能力。反渗透系统的主要部件为反渗透（RO）膜组件，反渗透系统设置自动清洗系统。当反渗透膜元件受到给水污染，系统性能指标下降到一定程度时，可自行进行化学清洗，以恢复其应有优良脱盐及产水性能。反渗透过程有两个必备的条件：一是要有一种高选择性、高透过率的膜；二是要有一定的操作压力，以克服渗透压和膜自身的阻力。5 反渗透成套系统的设计5.1 取水系统本系统因为渤海湾周边海水污染比较严重，选用海滩水井取水。取水构筑物由集水井和取水泵房组成。集水井地处海边, 此处海底地势比较平坦, 风浪较小,海水靠渗
9、透进入集水井。集水井采用钢砼结构，直径，深约8m，井底处于低潮位一下。 取水泵房内设有真空泵和取水泵。取水泵吸入管插入井深约5m，吸入口离井底。通过真空泵抽出引水管中的空气, 然后启动取水泵将海水通过埋在地下的管道输送到原水池。取水泵的开停由原水池液位自动控制, 保证海水淡化装置不间断的运行。考虑到海水温度随季节而变化和反渗透膜运行的最佳温度为25 ，本系统设置3台耐海水腐蚀(材质为耐海水腐蚀的合金材料)的取水泵（二开一备）：取水泵：单台流量120m3/h，扬程，功率30 KW；原水池：长12m，宽8m，高5m；材质：钢混结构。管道：材质PVC，管径：500mm，管长180m。5.2 流程概况
10、渤海海域海水的水质指标如表5-1所示，由该表数据可以看出,渤海海域海水的多项指标均比一般海水要高。另外,浊度、悬浮物等指标还随着天气、季节等的变化产生较大的波动。因此, 渤海海水淡化的难度较大。结合反渗透海水淡化系统的系统需求及渤海湾周边的环境条件、原水水质和出水要求，设计的工艺流程如图5-1所示。表5-1 渤海海域海水的水质指标水质指标数值(mg/ L)水质指标数值(mg/ L)pHH2SiO3Ca2+404TDS31497Mg2+1267COD(M n)3K+10459TSSCl -18079浊度（度）20HCO3-135总阳离子SO42-1185总阴离子525.3 me/LCO32-14
11、总碱度(以碳酸钙计)138Fe总硬度(以碳酸钙计)6216 图5-1 反渗透海水淡化工艺流程53 预处理系统531 预处理方案海水淡化的给水预处理是保证反渗透系统长期稳定运行的关键,进水的成分很复杂，在反渗透和超滤过程中会产生沉淀、污染膜、损伤膜等。因此，在制定反渗透预处理方案时应充分考虑以下方面：（1）水源类型及水质情况；（2）理选择预处理和过滤器类型，使预处理出水水质符合要求；（3）阻垢剂的种类与剂量的确定；（4）根据RO装置具体情况，确定是否调节给水pH值等。根据渤海海域的水质和上述几个方面，本设计制定了如图5-2所示的预处理方案。图5-2预处理方案532 多介质过滤器预处理系统设置二台
12、功率30 KW的原水泵(丹麦GRUNDFOS产SP125-3-1，流量120m3/h,扬程a) 抽取原水池中海水，输送到过滤系统。过滤系统分别设置多介质过滤器和活性炭过滤器两级过滤系统。通过滤器中的表面接触混凝除去海水中杂质、胶体及有机物。常用的多介质过滤器过滤材料有无烟煤、石英砂、细碎的石榴石、磁铁矿等, 按不同的粒度级配分层填装至过滤设备中, 被处理水经过滤层时通过滤料的截留、吸附及水流的惯性、扩散、沉降和液体的动力作用而除去水中的悬浮杂质。其优点是投资省、工艺简单、操作单一、截污能力大等5。参照国内、国外过滤器的运行情况, 多介质过滤器运行流速约为610 m/h，直径约为3003200m
13、m。本系统选用的多介质过滤器流速选8m/h，直径选2800mm，直边长度为1800mm，滤料高度为1200mm。碳钢罐体内衬有耐海水腐蚀的氯丁橡胶，采用石英砂和无烟煤双层滤料。上层采用无烟煤，下层用石英砂，内部结构见图5-3，滤料级配如表5-2所示。多介质过滤装置的总处理量：式中，为超滤系统的进水量。单台多介质过滤器流量图 5-3 多介质过滤器内部结构表5-2 多介质过滤器滤料情况表滤料粒径（mm）密度高度（mm）石英砂400无烟煤800经计算系统需配置四台多介质过滤器（三用一备），采用气水反冲洗的方式，根据经验值，反洗流量250m3/h,气洗流量14m3/h，气源由罗茨风机提供，本系统设置两
14、台罗茨风机一用一备，风量14m3/min，风压，功率22 KW，反洗周期为1024h。反冲洗泵两台型号为ANSI 8611，流量250 m3/h，扬程7 MPa，功率22KW，材质为ALLOY 20。反洗时, 一次反洗一台, 使反洗流量达到运行流量的三倍, 保证反洗彻底。533 活性炭过滤器活性炭过滤器是利用活性炭的吸附作用，去除水中对反渗透系统敏感的胶体、悬浮物、有机物、细菌等，同时进一步降低反渗透系统进水的SDI值。过滤器的底部可装填0.3 m高的卵石或石英砂作为吸附剂的支持层。活性炭过滤器一般运行流速为815m/h，直径约为3003200mm。原水从上而下顺流进行。为了提高过滤效果，可将
15、两个或两个以上的过滤器串联使用。活性炭过滤器选用直径为2800mm，直边长度为1800mm，滤料高度1400mm，运行流速为14m/h。本系统活性炭过滤器采用石英砂作为承托层，碳钢罐体内衬有耐海水腐蚀的氯丁橡胶，内部结构图见图5-4，滤料粒径及填装高度如表5-3所示。活性炭过滤装置的总处理量： 式中，为超滤系统的进水量。单台活性炭过滤器流量 经计算系统需配备两台活性炭过滤器。图5-4活性炭过滤器内部结构表5-3 活性炭过滤器滤料情况表滤料粒径（mm）高度（mm）石英砂400活性炭081000由于活性炭过滤器内滤料的多孔结构以及活性炭吸附的有营养的有机物，为细菌提供了繁殖的环境，因此，活性炭过滤
16、器需要定期冲洗。反洗用水为多介质过滤器产水经反洗水箱收集所得，其它参数与多介质过滤器的相同。534 防垢剂结垢是反渗透过程中最普遍的膜污染。由于水不断透过膜，使膜的进水中的那些微溶盐在浓水中超过其溶度积而沉淀析出导致水垢的产生。以海水为水源时，通常只考虑碳酸钙的沉淀析出。若微溶盐的浓度超过其溶度积时，可采取下列方法处理1： 降低回收率，避免浓水中微溶盐的浓度超过其溶度积； 添加防垢剂，如六偏磷酸钠，抑制硫酸钙等微溶盐的沉淀； 加酸除去进水中的碳酸根和重碳酸根。在实际应用中，多采用添加防垢剂的方法。本装置采用Flowdose计算软件，在比较了Flocon和酸后，推荐使用Flocon135阻垢剂。
17、Flocon135是一种水溶性的磷基多元经酸聚合物，能有效的控制CaCO3、CaSO4、BaSO4、SrSO4、CaF2等结垢。在正常使用条件下，不受氯或其他氧化性杀生剂的影响，具有水解稳定性。投药量约为37 mg/L，准确的添加量需要根据装置的具体操作条件，如给水水质、膜元件种类、SDSI指数和系统回收率等通过计算确定6。535 中间水箱其进水为活性炭过滤器的产水，最大水量m3/h。设备选用：容积：150m3 尺寸：长10m，宽5m，高3m 材质：钢混结构。 536 离心泵离心泵用了美国泵工业公司专为海水淡化工程研制的单级高速离心泵两台，单台流量60m3/h, 扬程，功率55KW。537 超
18、滤装置根据系统的规模、进水水质和膜的适用条件, 选用欧梅塞尔膜技术的超滤膜，型号为SFP2660，其规格及参数见表5-4，整个系统由欧梅塞尔膜技术负责设计并提供技术支持。表5-4 SFP2660的规格及参数膜材料PVDF(聚偏氟乙烯)海水透水率（25）60L/(m2.h.bar)壳体材料UPVC（聚氯乙烯）最大进水压力公称膜孔径0.03 m外形尺寸1651856公称内径150 mm进水浊度20 NTU公称长度1500 mm产水SDI2组件公称膜面积33 m2产水浊度0.2 NTU最高使用温度40TOC去除率20%60%选用操作方式为死端过滤，操作温度为535，滤速取/s；纯水透水率取60 L/
19、(m2.h.bar)；进水压力取2.5 bar；膜面积33m2；回收率取90%，则：单只膜的纯水透过量为： 单超滤膜组件的稳定透水量： 式中，为单个组件的稳定透水量，m3/h； 为组装系数，取；为给定组件的测试透水量，m3/h 为稳定系数，取。系统设计产水量：式中，为反渗透进水量。所需膜组件数 膜组件数可取40只。其中 为所需膜组件数；为系统设计产水量；为单个组件的稳定透水量。超滤装置的进水流量 由此可计算出该超滤系统的实际初始透水量（）和稳定透水量（）分别为：此外，为防止超滤膜机械污堵，配备反洗泵2台, 控压机1台, 进行周期性气水清洗。38 超滤水箱其进水为超滤装置的产水，最大水量173.
20、75 m3/h。设备选用：容积：150m3； 尺寸：长10m，宽5m，高3m； 材质：钢混结构。 4 反渗透系统反渗透系统是整个工程的核心，是最主要的脱盐装置，具有极高的脱盐能力。系统的设计是根据现场的海水水质报告、反渗透元件性能、水温、所需产水量和回收率确定。本系统设计为1000m3/d反渗透海水淡化，水回收率为35%，脱盐率99.2%，淡化水水质：符合国家饮用水水质标准，TDS500 mg/L541 反渗透膜组反渗透膜组是整个脱盐系统的心脏部分。它利用反渗透膜的特性来除去水中绝大部分可溶性盐分、胶体、有机物及微生物，使出水水质达到标准。当反渗透系统回收率为35%时，根据进水水质、产水量和所
21、选膜的适用条件，本系统选用美国陶氏公司的SW30HR-380复合膜元件(材质为TFC) ,其结构见图5-5。图5-5 FILMTEC SW30HR-380结构图FILMTEC SW30HR-380的单根脱盐率为，有较好的耐压性和抗氧化耐污染性能；能为海水淡化系统带来长期的最佳经济性；对硼的脱除率极高，可满足世界卫生组织（WHO）和其它饮用水的严格标准；与其它品牌相比，在使用寿命期内具有更高的性能，元件制造过程中也无需进行后处理；比其它品牌膜更经久耐用，清洗pH范围更宽，清洗效率更高，规格见表5-5。表5-5 陶氏FILMTEC SW30HR-380元件规格有效面积ft2（m2）运行压力psig
22、（bar）产水量gpd(m3/d)最大给水SDI稳定脱盐率%外形尺寸-英寸（mm）ABC380(35)800(55)6000（23）540(1016)（29）（201）由上表可知膜的有效面积为35m2；膜的产水量23m3/d，使用ROSA反渗透和纳滤系统设计软件计算如下：所需膜组件数 其中 为所需膜组件数；为设计产水量；为最大产水量；为安全系数。所需压力容器数 其中 为所需压力容器数（此时取9或10）；每根压力容器内膜元件。进水流量： 浓水流量： 经计算得最佳方案是采用一级一段的排列方式，即每套装置需配制60支陶氏FILMTEC SW30HR-380膜元件，分别装在10根并联布置的CODELI
23、NE膜压力容器内，每根压力容器内串联排列6支SW30HR-380膜元件。装置设有低压自动冲洗排放、淡化水自动冲洗置换浓水排放系统。542 高压泵及能量回收装置高压给水系统由离心泵、能量回收装置和高压泵组成。高压泵和能量回收装置是为反渗透海水淡化提供能量转换和节能的重要设备。每套反渗透装置都由一套能量回收装置串联一台增压泵，同时并联一台高压泵组成，见图5-6所示。 图5-6能量回收装置原理图按系统的流量和压力选型, 反渗透系统所需的能量回收装置采用美国能量回收公司生产的型号为CPEI-HP能量回收器，流量为 m3/h,可增压。它的回收率特别高，能将反渗透膜对排放浓水90-95的能量回收，能有效地
24、降低能耗。它的工作原理是40%的水量通过高压泵增压至反渗透的运行压力，另外60%的水量通过PE装置进行能量交换，不足部分由增压泵升压补偿达到与高压泵出口相同的压力。但是反渗透的运行压力随水温、TDS变化较大，为了节约用电，高压泵和增压泵都采用变频装置，使反渗透的运行压力适合其当时的水温、TDS变化的要求。高压泵选用BME30-6R型多级离心泵两台并联，单台流量39 m3/h，扬程，功率7.5 KW，材质为耐海水腐蚀的ss/904L。543 反渗透清洗装置在系统长期运行后，反渗透膜组会受到某些难以冲洗掉的污染，如长期微溶盐结垢和有机物的积累，造成的膜组件性能下降，所以必须对膜组件进行清洗，以恢复
25、其正常的脱盐能力。本系统配置了就地冲洗和清洗装置，利用产水池中产水在反渗透装置停机时，即自动用淡水冲洗反渗透装置，置换出反渗透膜元件中的浓缩海水，防止浓海水中亚稳定过饱和微溶盐产生沉淀，同时也具有冲洗膜面污染物的作用。如需采用化学清洗装置时，需根据反渗透膜污堵情况，配置不同化学清洗液对反渗透膜元件进行循环清洗。55 产水池在反渗透系统后设置产水池用来储存反渗透产水，以供用户使用。产水池尺寸：体积250m3，长10m，宽5m，高5m；材质：钢混结构。6 结果分析海水经超滤预处理系统后，可将水中的细菌、病毒、胶体、大有机分子、油脂、蛋白质、悬浮物等截留下来，出水中的SDI2，浊度满足了反渗透系统对
26、进水水质的要求。反渗透系统的出水水质符合国家生活用水标准，具体结果分析见下表：表6-1 反渗透系统细节压力容器数量10给水渗透压每个压力容器中元件数量6浓水压力40.82 MPa总元件数量60产水流量41.67 m/h总有效膜面积2118.12m平均通量19.67 lmh污堵因子产品水TDS128.37 mg/l给水温度浓水渗透压26.08 MPa给水压力43.35 MPa回收率35.00%给水TDS26127.87 mg/l功率179.25 kW给水流量119.06 m/h能耗4.30 KWh/m表6-2 反渗透系统内水流的水质(mg/l,离子态)水质指标给水调节后的给水第1段产品水最初的再
27、循环后第1段总计K+Na+Mg2+Ca2+CO32-HCO3-ClSO42-CO2TDSpH表6-3海水经反渗透处理后水质与国家标准的比较项目海水(mg/L)RO产水(mg/L)GB5749-85标准K+Na+Mg2+Ca2+CO32-HCO3-Cl250SO42-250CO2TDS500pH本系统对原水、反渗透产水和浓水水质进行了分析测定，通过测试结果表明该系统运行参数稳定, 设备运行正常, 自控系统满足工艺要求, 性能指标达到设计要求。从表6-3可以看出, 海水经反渗透膜处理, 产水中大部分离子的脱除率在99%以上；从表6-5结果可以看出, 反渗透产水达到GB5749-85国家生活用水指标。参 考 文 献1 高从堦,陈国华. 海水谈化技术与工程手册M. 化学工业出版社.2004, 1.2 王世昌. 海水淡化工程M. 北京:化学工业出版社.2003.3 张福录, 李雪民. 反渗透法海水淡化系统的设计J. 一重技术, 20005,107 (5) :1215.4 周正立. 反渗透水处理应用技术及膜水处理剂M. 北京:化学工业出版社. 2005.5 聂义民, 彭爱华, 王先桥. 超滤及反渗透水处理技术的应用J. 工业水处理,2006, 26 (1):8386.6 王克涛. 水处理系统反渗透膜的污染及清洗方法J.中国电力. 1999,12 (32):3436.
