反渗透海水淡化方法

2020/5/31第四章反渗透法海水淡化第一节综述反渗透法是将海水强制加压使淡水透过膜面进入另一侧，从而实现海水的淡化，它具有投资省、能耗低（无相变）、建设期短、占地少的特点，是海水淡化技术中近二十年来发展最快的。除海湾国家外，美洲、亚洲、和欧洲，大中生产规模的装置都以反渗透法为首选。2020/5/32一、发展历史渗透现象早在1748年就被法国的AhbleNclle，所发现。利用与渗透过程相反的过程进行海水淡化的设想是在1950年提出的。1953年首先由美国内务部把反渗透的研究纳入国家计划，并在美国盐水局的资助下进行了开拓性研究．结果证明利用醋酸纤维素商品膜可以从海水小制取淡水。2020/5/331958年，美国加利福尼亚大学也采用醋酸纤维素膜成功地完成了海水淡化试验，进而确定了著名的凝胶相转化制备不对称膜的工艺，并于1960年成功地研制出第一张高盐截留率、高水通量的不对称二醋酸纤维素海水反渗透膜，使反渗透法逐渐达到实用化水平，从而使反渗透分离从可能变成现实。2020/5/34经过近三十年的不断发展，海水淡化反渗透复合膜的性能已经有了较大的提高，日前的反渗透复合膜系采用芳香族聚酰胺为材料，特征水通量达1978年的2倍，盐的透过率大约为1978年的1／4，膜的脱盐率高于99.3％，抗污染和抗氧化能力大大提高。技术的进步使得海水淡化制取饮用水，由原来的二级流程简化为一级流程成为现实。2020/5/3520世纪80年代出现的采用微滤、超滤或纳滤等膜技术作为反渗透海水淡化系统的预处理工艺．使得反渗透海水淡化装置更加可靠。用膜技术作为海水反渗透的预处理，不需要加入絮凝剂、杀菌剂和还原剂等化学药品，同时也省去了保安过滤器，使反渗透的进水水质从传统处理方法能够达到的出水污染指数小于3改进到小于1，有效去除了进料海水中的胶体类物质．保证了反渗透装置的长期稳定运行。2020/5/36在反渗透操作过程中，浓缩盐水携带的相当一部分能量，如不加以利用，将造成能量的极大浪费，各种形式的能量回收装置相继出现．先期的涡轮远平式能量回收装置，利用压力较高的浓盐水转动涡轮，通过轴或其他传动装置，将其能量输送至原海水。尽管其能量回收效率低于后期开发的正位移式能量回收装置．其节能效果也相当明显，回收效率为50％-80％。2020/5/37最近开发的正位移式能量回收装置回收效率更高．可达90％以上，从而使反渗透海水淡化装置的能耗进一步降低。出于采用各种新的工艺和多种新技术的出现，也使得海水淡化的成本大大降低，反渗透技术的应用范围逐步扩大。统计资料表明、1989年以前，采用反渗透技术进行海水淡化的淡化水产量占海水淡化市场的6％，到1997年底，其比例已上升至14％。现今反渗透技术已成为海水淡化的主要方法之一。相比世界海水淡化市场，占有26．8％的份额。且海水淡化不断向大型化方向发展，装机容量也不断扩大。二、反渗透基本原理(渗透过程)水流方向渗透过程浓水淡水半透膜水流方向反渗透过程压力膜2020/5/310第二节、反渗透海水淡化工艺由于反渗透膜可以阻止无机盐分子的通过，因此反渗透工艺技术可以用于海水淡化领域。一般说来，反渗透海水淡化工艺可以分为三个部分：预处理、反渗透和后处理。加上因膜污染而不得不进行的膜清洗，所以反渗透工艺一般分四部分。NaOHSWRO装置保安过滤淡水高压泵能量回收装置压力提升泵浓海水综合利用进入生态产业链FeCl3Cl2H2SO4NaHSO3海水取水机械过滤或超滤混凝沉淀清水池典型反渗透海水淡化工艺流程2020/5/312絮凝剂酸处理氯处理海水砂滤除氯纯净水PH控制加氯反渗透海水淡化工艺简图膜组件淡水缶预处理后处理能量回收装置浓盐水2020/5/313超滤装置实景图2020/5/315第三节反渗透工艺流程3.4.1流程由于反渗透膜的溶质脱除率大多在0.9～0.95范围内，因此，要获得高脱除率的产品往往需采用多级或多段反渗透工艺。在反渗透过程中，所谓级数是指进料经过加压的次数。如二级则是料液在过程中经过二次加压，在同一级中以并联排列的组件组成一段，多个组件以前后串联连接组成多段。2020/5/316一级一段连续式反渗透流程料液槽高压泵反渗透膜组件（a)一级一段连续式反渗透流程浓缩液渗透液流程特点：料液进入膜组件后，浓缩液和渗透液连续排出，水的利用率较低。2020/5/317一级一段循环式反渗透流程原料液料液槽高压泵反渗透膜组件（b)一级一段循环式反渗透流程浓缩液渗透液流程特点：料液进入膜组件后，浓缩液一部分返回到料液槽，使浓缩液的浓度不断提高，水的利用率增大，但水质有所下降。2020/5/318一级多段反渗透流程.流程特点：该流程常用于料液的浓缩，料液经多步浓缩，其体积减少而浓度提高，产水量相应增大。。此流程适用于处理量大，回收率高的场合。通常苦咸水及低盐度水的净化均采用此流程，随着高性能膜的出现，海水淡化也采用此流程。（b)一级多段反渗透流程浓缩液RORORO产品水浓缩液浓缩液原水第一段第二段第三段高压泵2020/5/319二级一段循环式反渗透流程.流程适用：进料含盐度高；一级达不到出水要求；膜的脱盐率低，而水的渗透性又高。（c)二级一段循环式反渗透流程渗透液浓缩液料液高压泵高压泵浓水排放第一级第二级2020/5/320多级一段反渗透流程.流程特点：可生产高纯水（a)多级一段反渗透流程浓缩液RORORO产品水原水第一级浓水二级浓水三级浓水高压泵高压泵高压泵2020/5/321多级一段反渗透流程.流程特点：水的回收率提高（b)多级一段反渗透流程RORORO产品水原水第一级浓水二级浓水三级浓水高压泵高压泵高压泵2020/5/322多段反渗透装置的排列原则：是保持装置内的平均流速（流量）大于或等于膜元件在标准测试条件下的值，从而使装置的浓差极化度小于其元件的浓差极化度。因此，无论是分段式或分级式流程的装置均应逐段或逐级减少并联组件数，即所谓锥形排列。2020/5/323.分段式锥形排列流程浓缩液RO产品水浓缩液原水RORO高压泵分段式锥形排列反渗透膜典型应用过程浓缩液4段渗透液3段渗透液1段渗透液2段渗透液产品水高水回收率的反渗透级联工艺2020/5/325除了以上几种反渗透流程外，还有多级多段流程。对于流程的选择，除了产量和产品的浓度两个主要指标外，需对装置的整体寿命、设备费、维护、管理、技术可靠性等因素进行综合考虑。例如，将高压的一级流程改成两级时使过程在低压下进行，因而对膜、装置、密封、水泵等方面均有利。多级连续操作级数为2～3级，即有2～3个单级串联而成。由于这种过程通常只是最终一级在高浓度下操作，其他前几个单级中，溶液的浓度均较低，渗透流率也相应较大，所以总膜面积小于单级操作，接近间歇操作。第四节海水淡化处理工程的几个关键问题1海水预处理2淡化系统的选择3能量回收装置4防腐措施5投资及运行成本6工程建设管理2020/5/327一.海水预处理为了充分发挥反渗透淡化系统的技术优越性，保证良好的设计性能和长时间的安全运行，特别是为了保证膜的使用寿命(一般情况下，自来水和苦咸水反渗透膜的使用寿命为5年，而海水膜的使用寿命为3年)，必须对原水进行适当的预处理，并应控制反渗透器进水的各种参数，才能确保反渗透设备的长期安全运行。预处理和清洗不合理，会导致渗透量下降，并需要更换新的反渗透组件。因此，在反渗透工程设计上，必须仔细考虑预处理系统，以确保反渗透组件的给水质量合格。(1)杀菌灭藻主要是控制海水中微生物的繁殖、污染a.采用药剂：次氯酸钠b.投加方式：连续氯化，有细菌后繁殖现象。间断氯化法c.加药量控制：1～2mg/Ld.药品来源：电解海水（反渗透浓水）（2）悬浮物及胶体的去除——过滤体的危害：微粒若进入反渗透系统将造成膜元件的污堵，难以清洗。悬浮物和胶体去除的主要方法：机械过滤+活性碳过滤/超滤过滤方法优点缺点常规过滤运行经验丰富设备占地面积大，且需备用出水水质不稳定，易受进水条件波动投资成本低对于＜5um的胶体、微生物无法去除出水水质较差，一般浊度＜5NTU，SDI＜4常用过滤方法（砂滤与超滤）比较过滤方法优点缺点超滤设备模块化结构设计，占地面积小投资及运行成本略高出水稳定，受进水条件波动小出水水质好，一般浊度＜0.2NTU，SDI＜2可以有效去除细菌、微生物，减缓反渗透膜的生物污染提高反渗透膜元件的产水通量超滤膜组件（二）海水淡化系统的选择海水淡化系统选择需考虑的关健因素a回收率回收率不仅与膜元件的固有的特性（脱盐率、平均水通量）有关，还与当地海水水质、产水水质要求、电价、预处理系统等有密切关系。通常回收率约为35~50%，预处理为传统过滤时，回收率不宜高于40%；b膜通量根据已经运行的海水淡化系统，当预处理为传统预处理时，膜通量大多在13~15L/m2.h；c膜元件选择原水浓水淡水原水卷式反渗透膜元件淡水产水网反渗透膜进水网反渗透膜反渗透膜元件7根膜元件组装在一根压力管内5根膜元件组装在一根压力管内2020/5/3342020/5/3352020/5/336DOW公司SW30HRLE-400有效膜面积高，脱盐率高透水量高与SW30HR-380相比，产水量增加25%对硼的脱除率高，可满足饮用水的严格标准清洗液适应范围宽（PH1~12）缩短膜片长度，增加膜叶数的结构，降低污染水平有效膜面积：37m2最高运行压力：69Bar稳定脱盐率：99.75%产水量：28m3/dHYDRANAUTICS公司SWC5有效膜面积高，脱盐率高有效膜面积：34.5m2最高运行压力：69Bar稳定脱盐率：99.6%产水量：22.3m3/dTORAY公司TM820-400有效膜面积高，脱盐率高清洗液适应范围宽（PH1~12）有效膜面积：37m2最高运行压力：69Bar稳定脱盐率：99.75%产水量：25m3/d2020/5/3392.反渗透系统反渗透装置的主体由反渗透膜堆和高压系统两部分组成。由于进水水质不同，高压泵把进水升压至不同的压力进入膜堆，透过膜的作为初级产品水，未透过膜的作为浓盐水排放。设计的核心在于根据不同的原水水质安排不同的水回收率，以及通过流程安排使系统尽可能的节能。自来水及苦咸水回收率可以做到45％－75％，甚至做到90％以上．海水反渗透系统，大中型装置可以做到30％—50％。2020/5/340反渗透本体部分：主要由反渗透组件和高压泵两大部分组成。反渗透组件是整个系统的心脏部分，而高压泵是系统的关键部件。高压泵性能好坏对系统性能影响很大，因为它是运转部件，容易磨损和出现故障，而反渗透组件是静止部件，只要预处理得当其性能是稳定的。2020/5/341用作反渗透高压泵的种类有往复泵、离心泵、单螺杆泵和高速泵。小型的实验室反渗透装量，可选用往复泵；反渗透水处理工程，以不锈钢的多级离心泵和高速泵为宜；对于压力不高、流量不大的反渗透装置，亦可以选用单螺杆泵或其他类型的泵。高压泵：2020/5/342反渗透过程中没有相变，是一种节能技术。以海水为例，把1立淡化海水时，高压废盐水的排放量可占进水流量的70％，压力一般从5.5MPa降至常压，能量损失约70%。为了降低淡化水的操作费用，通常在浓盐水排放管线上安装能量回收装置。目前世界上大致有二种能量回收装置更多地应用在海水淡化中，根据出现先后次序：涡轮式能量回收系统、PX压力交换能量回收系统。•能量回收装置：用于回收高于浓盐水能量的设备有：涡轮机(包括冲击式水轮机)、各种旋转泵(离心泵和叶片泵)、正位移泵和流动功装置。能量回收装置是膜法海水淡化发展的前提条件，海水含盐量高，渗透压力，需要提供较高的工作压力（4~7MPa），而反渗透膜间压差仅0.2~0.3MPa，其余95%以上的能源就浪费了，故早期膜法海水淡化技术发展十分缓慢；近年来，能量回收技术得到显著提高，能量回收率已经达到95%，能量回收技术的提高促进了膜法海水淡化的发展，膜法海水淡化的发展也刺激了能量回收技术的提高。2020/5/344通常涡轮机和旋转泵多用于大