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膜法海水淡化技术的应用与进展
浏览: 发布日期:2018-01-16

全球水的总储量为  13.86 亿  km3 ,海水就占有 96.5 %,人类可取用的地表水和浅层地下水仅为 0.79 %,且随地域和季节变化分布极不均匀。为了向大海索取淡水,上世纪五十年代初,膜技术便被优先提出来了,至七十年代海水淡化技术在世界上实现了商品化,经过产品换代、工艺革新,目前已成为最 经济的海水淡化和高盐度苦咸水脱盐技术。在国家支持下,我国海水淡化技术也取得了令人瞩目的业绩,成为具有自行设计、生产海水淡化装置的国家。

1  应用概况
海水淡化是指将 35000mg / L 的海水淡化至 500mg / L 以下的饮用水。目前,世界上装机应用的海水淡化方法主要有多级闪蒸( MSF )、多效蒸发( MED )和反渗透法( RO ),半个世纪以来己养活了世界上 1 亿多的人口,促进了干旱沙漠地区和发达国家沿海经济和社会发展。
据国际脱盐协会统计,截止 1995 年底,全球日产水量在 100m 3 以上的装置有 11066 台,每天生产淡水 2030 万 m 3 。截止 1997 年底,装置总数 12451 台,每天产水 2273 万 m 3 ,其中海水淡化为 1337 万 m3 、苦咸水淡化为 5840 万 m 3 ,且以年 10-30 %的速度增长。就海水淡化而言,装机容量以 MSF 为主,但近年来 RO 发展很快。 MSF 除极大型装置外, 1995 年以来合同额极少。 MSF 从 1989 年的 84.4 %下降为 1997 年的 76.04 %。而 RO 从 1989 年的 5.6 %上升为 1997 年的 14 %。 MED1989 年占 6.7 %,至 1997 年仅占 5.47 %。
对沿海苦咸水脱盐 RO 占绝对优势,占 76.23 %,投资和造水成本更低。对废水和水净化 RO 也分别占到约 65 %和 94 %。 1995 年后,新增海水淡化和苦咸水淡化装机容量 RO 为 90 %。最大规模的 RO 海水淡化厂建在沙特阿拉伯,日产淡水 12.8 万 /m 3 。最大规模的 RO 苦咸水淡化装置建在美国,日产 27 万 m 3 。
目前,海水淡化装置的年销售额达到 100 多亿美元,且以 20 %左右的年增长速度持续发展供应商,应用地区主要是中东地区、地中海地区和加勒比海地区,其次是东南亚和北非地区。
我国海水淡化技术的应用从上世纪七十年代初推广用小型电渗析( ED )海水淡化器开始, 1981 年建成了 200m 3 / d ED 淡化装置, “ 九五 ” 期间相继建成了 RO 淡水装置,多为小型或示范工程,并向马尔代夫和基里巴斯输出了 ED 和 RO 海水淡化装置。   
2  反渗透海水淡化技术的进展
反渗透将成为新世纪的主要海水淡化技术。工程稳定可靠与造水成本低廉是吸引用户的主要原因。
2.1  膜与组件性能提高
世界各生产膜组件的公司仍十分重视 RO 膜与组件的技术创新,目的在于开发抗氧化、耐细菌侵蚀的新膜提高膜与组件的产水量、脱盐率等,这些工作已取得一定的进展。海德能公司SW系列反渗透膜是专门针对海水淡化研制开发的膜产品,其平均脱盐率已达99.2%以上,平均透过水量可达22.7M3/d。
 
2.2  工程投资低
1990 年膜组件价格,按消费价格指数折算,仅为 1973 年的 40 %。 1990 年之后又有明显的下降。按从标准海水生产淡水计, 目前工程投资为 MSF 在 1800-2000US $/ m 3 .d ,低温 MED 在 1100 - 1600 US $/ m 3 .d , RO 在 700-900US $ m 3 .d ,且 RO 海水淡化厂建设快, l 万 m3 的 RO 海水淡化厂可在 7 个月交付使用。
2.3  能耗降低
采用功交换器( WOrk Exchanrye Enerar Recovear ),将从 RO 组件排出的高压浓水的压力回收并传递给组件进水,其转换效率可高达 89 - 96 %。 Scott A.Shumway 报导,一种新型的能量回收装置己成功 应用到 13600m 3 / d 和 5000m 3 / d 的反渗透海水淡化装置上,过程能耗为 2.6kwh / m 3 。 Gord F.Leitner 指出加上预处理能耗,总能耗为 2.83kwh/m 3 。这是近几年在工艺方面的突出进展。
反渗透装置脱盐部分与或级与级之间,可使用能量回收透平,以提高下一段或级的进水压力,提高产水量。原理示意见图 1 。 Steven J.Duranceau 等报道, 1996 年佛里达水服务公司在 Marco 岛对现有 15000m 3 /d 苦碱水淡化进行改造,通过使用段之间的能量回收透平,使系统的产水量增加 3780m 3 / d ,增幅达 25 %。
段之间能量回收透平适用于苦咸水反渗透淡化含盐量 7500--10500mg/L ,淡化能耗降到 0.82kwh/m 3 。
在反渗透海水淡化流程中,采用纳滤( NF )作为预处理,即 NF-RO 系统, NF 脱除部分硬度和 TDS ,从而提高 RO 的操作压力和水回收率,可进一步降低能耗 25 %,造水成本可降低 30 %。
目前各种淡化方法在能耗方面都无法与 RO 竞争。 RO 为 4 - 5kwh / m 3 、 ED 为 14 - 16kwh / m 3、 MED 为 9 - 10kwh / m 3 、 MFS 为 12-14kwh / m 3 。
3  脱盐、浓缩在废水资源化方面的应用
海水淡化为高食盐水的深度脱盐技术,为提高原水回收率,对排放浓水的浓度也有一定要术这与超滤、微滤处理污染或微污染水的技术特性大不相同,与高浓度废水处理,特别是无机系废水处理存有较多共性技术,但要特别注意膜对料液环境的适用程度。
反渗透处理电镀废水、放射性废水己很成熟。上世纪七十年代开始用于镀镍漂洗废水处理,尔后又用于镀铬、镀铜、镀锌、镀镉等废水处理。美国芝加哥 API 工艺公司采用 B - 9 芳香族聚酰胺中空纤维膜组件处理 Watt Ni 漂洗水,废水含 Ni 2+ 650mg/L ,经 RO 浓缩 20 倍达至 13000mg/L 、 Ni 2+ 的分离率为 92 %。北京广播器材厂用醋酸纤维素膜处理亮镍和暗镍的漂洗废水,废水中 Ni 2+ 为 1510——2400mg/L 。系统 Ni 2+ 的回收率> 99 %。
由于 ED 海水淡化的耗电为 RO 的 3 倍, ED 在海水淡化中的应用愈来愈少,其在苦咸水脱盐中仍有较大竞争优势。离子交换膜具有很强的耐酸、碱性,耐氧化性,在含酸、碱、盐高的废水处理中应用十分广泛。
我国 ED 、 RO 用于废水处理,以膜集成技术发展零排放工程为开发方向,不仅回收有效成分,真回收的淡水可做工艺或生活用水。如 Al 2 O 3 生产零排放工程。将 Al 2 O 3 生产废渣赤泥上的结合碱和附液碱,通过加石灰乳和通入蒸汽,从固相转移到液相,形成约含 8g/LNaOH 的复杂溶液,微孔过滤后进入电渗析,制取含碱< 500mg/L 的生产用水和工艺用 2NaOH 。我国西部天然气井涌出的含 10000 - 30000 的卤水,可用 BD - RO 流程脱盐并浓缩, RO 制得< 400mg/L 的优质生活用水, BD 可浓缩卤水达 140g / L 左右,提取 Br 、 I 或蒸发制盐。
据联合国提供资料 分析, 中国水资源总量为 28124 亿 m 3 ,居世界第 6 位, 中国人均水资源量为 2340m 3,全球排在 109 位。到本世纪中叶, 中国人口预测 16 亿时,人均水资源为 1600m 3 ,成为严重缺水的国家。中国设立 668 个城市中,缺水城市约 400 个,严重缺水的城市约 108 个。这些城市日缺水量为 1600 万 m 3 ,全年缺水量为 200 亿 m 3 。中国每年 工业、生活污水排放量已达约 600 亿 m 3 , 90 %的城市水域受到不同程度的污染,尤其南方城市由于采用地表水做水源而地面水又受到不同程度的污染。因此又导致水质性缺水。水是我国经济、社会发展的战略性资源。我国政府对水资源的开发、利用、保护十分重视。在海水淡化、苦咸水脱盐、废水回用中, RO 和 ED 脱盐技术将发挥重要作用。