蔡邦肖 脱盐技术既能有效地将海水、苦咸水变成淡水,又能将废水、污水变成可再利用的水源。 脱盐技术主要指:(1)蒸馏法。包括,单级蒸发(F)、多级闪蒸(MSF)、浸管蒸发(ST)、压缩蒸发(VC),水平管蒸发(HTE)、垂直管蒸发(VTE);(2)选择渗透膜法。包括,电渗析(ED)、反渗碳透(RO)、超滤(UF);(3)混合法(HYB)。 选择渗透膜法是一种起步较晚的薄膜分离水处理方法,装置结构紧凑,操作管理简便,运行安全可靠,其装置规模和应用数量在日益增长。因此,我国以及国外许多国家和地区都广泛地采用蒸馏法和选择渗透膜法。 一、脱盐技术的发展状况 因各种脱盐技术的开发时间不同,在给水排水中应用的程度也有差别,表1列出了自1965年以来,世界各地脱盐技术淡化水量的统计(不包括100m3/d以下的淡化水量) 从淡化水量看脱盐技术的进展(单位:m3/d) 年 | F | HTE | MSF | ST | VC | VTE | HYB | ED | RO | 计 | 1965 | 3238 | 0 | 36022 | 791 | 0 | 2835 | 0 | 946 | 0 | 43832 | 1966 | 2254 | 0 | 29921 | 129 | 0 | 3856 | 0 | 409 | 0 | 36569 | 1967 | 902 | 0 | 37640 | 0 | 136 | 16033 | 0 | 2998 | 0 | 57709 | 1968 | 7492 | 0 | 99043 | 833 | 0 | 5858 | 0 | 934 | 0 | 114160 | 1969 | 745 | 0 | 136241 | 3431 | 124 | 15924 | 0 | 20258 | 0 | 176723 | 1970 | 1094 | 0 | 73314 | 1681 | 1534 | 19328 | 0 | 4913 | 3551 | 105415 | 1971 | 768 | 1098 | 215800 | 3094 | 1013 | 24790 | 0 | 20601 | 7186 | 274350 | 1972 | 348 | 5754 | 63621 | 0 | 3738 | 1363 | 1498 | 8340 | 14236 | 98898 | 1973 | 1093 | 0 | 164871 | 0 | 4256 | 30621 | 11355 | 5946 | 38737 | 257689 | 1974 | 1457 | 17372 | 89418 | 5043 | 11219 | 1300 | 238 | 18929 | 64147 | 209123 | 1975 | 4393 | 503 | 344084 | 1494 | 5368 | 34346 | 299 | 28534 | 54204 | 473225 | 1976 | 3265 | 1503 | 117515 | 0 | 12782 | 7300 | 0 | 7228 | 73072 | 222665 | 1977 | 481 | 4051 | 196352 | 9600 | 9714 | 481 | 0 | 23572 | 143382 | 387633 | 1978 | 757 | 2752 | 337088 | 7440 | 6043 | 14402 | 0 | 50931 | 127727 | 547140 | 1979 | 481 | 6218 | 285105 | 0 | 25206 | 0 | 0 | 26826 | 339292 | 683128 | 1980 | 1922 | 17883 | 739464 | 0 | 19016 | 75530 | 3999 | 29139 | 210959 | 1097912 | 1981 | 0 | 14675 | 184701 | 0 | 12187 | 0 | 0 | 27011 | 106080 | 344654 | 1982 | 0 | 24532 | 377306 | 0 | 24549 | 0 | 5000 | 58066 | 74373 | 563826 | 1983 | 1476 | 8240 | 1076735 | 0 | 23246 | 0 | 0 | 28699 | 366209 | 1504605 | 1984 | 0 | 1080 | 635241 | 0 | 19107 | 0 | 0 | 27020 | 113636 | 796084 | 1985 | 0 | 2100 | 775360 | 0 | 16870 | 150 | 0 | 56328 | 67081 | 917889 | 表1表明,从1965-1985年,除单级蒸发、浸管蒸发、混合法外,各种脱盐方法的淡化水量几乎逐年增加。淡化水量最高的是多级闪蒸法,其次为反渗碳法。 表2列出了截止1984年底,世界上各种脱盐方法为不同用途而制备淡化水量[1]的统计(仅是100m3/d以上淡化水量的工厂累计值)。从表2数据看,各种脱盐技术以饮料加工业制备的淡化水量最高,依次为工业生产用水、锅炉补给水、军事设施用水等。 表2中“其它”一项用途包括化工分离浓缩、废水处理等方面,在日产100m3以上规模的脱盐技术中,以反渗透和电渗析两种方法运用得最多。因为脱盐技术可化害为利,并可实现闭路循环重复利用的处理工艺。 据不完全统计[1,2],至1984年底,世界各地各种脱盐装置的淡化水量为:中东地区最高(占60.69%),美国次之(占11.05%),非洲和欧洲分别占7.71%和6.56%(详见表3)。由此可见,脱盐装置较大量地用于给水排水的是一些水资源极为缺乏的中东、非洲等地区和一些经济发达、生活水准较高的美国、欧洲等国家和地区。 表3表明,这些国家或地区的淡水,运用多给闪蒸法最多(占67.95%),其次是反渗透法、电渗析法、垂直管蒸发法和压缩蒸发法。 为不同用途制备的淡化水量统计表(单位:m3/d) 表2 用途 | F | HTE | MSF | ST | VC | VTE | HYB | ED | RO | 计 | 工业 | 饮料加工 | 136 | 64716 | 5583169 | 14669 | 22835 | 108923 | 5268 | 142756 | 721495 | 6663967 | 工业生产 | 2794 | 30411 | 983589 | 43926 | 63499 | 111915 | 6034 | 174126 | 598236 | 2014530 | 锅炉补给 | 41088 | 12032 | 49052 | 37368 | 93419 | 60711 | 0 | 20206 | 208658 | 522534 | 军事设施 | 0 | 480 | 65689 | 1494 | 18950 | 0 | 0 | 37114 | 48787 | 172514 | 旅游设施 | 0 | 0 | 4905 | 0 | 5776 | 0 | 0 | 10286 | 27909 | 48876 | 试验工厂 | 0 | 120 | 19221 | 0 | 1359 | 5871 | 11355 | 0 | 7855 | 45781 | 农业灌溉 | 0 | 0 | 264 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 6187 | 6451 | 其它 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 82071 | 363395 | 445466 | 世界各地各种脱盐装置的淡化水量(单位:m3/d) 表3 国家或地区 | F | HTE | MSF | ST | VC | VTE | HYB | ED | RO | 计 | % | 中东 | 252 | 46893 | 5236065 | 11720 | 61933 | 9072 | 4566 | 156674 | 674232 | 6201407 | 60.69 | 非洲 | 1614 | 6577 | 490109 | 1152 | 46793 | 1391 | 1199 | 84952 | 154502 | 788289 | 7.72 | 欧洲 | 7099 | 9892 | 364881 | 36379 | 18376 | 52659 | 5000 | 60028 | 116092 | 670406 | 6.56 | 苏联 | 0 | 0 | 49671 | 0 | 0 | 190558 | 0 | 0 | 12680 | 252909 | 2.48 | 埃及 | 2618 | 11798 | 247619 | 1332 | 0 | 7473 | 537 | 28642 | 81658 | 381677 | 3.74 | 美国 | 31667 | 220 | 53062 | 36105 | 61887 | 1514 | 11355 | 49143 | 884654 | 1129607 | 11.05 | 北美(除美国) | 0 | 0 | 34475 | 473 | 667 | 1146 | 0 | 0 | 28094 | 64855 | 0.63 | 中美及加勒比海域 | 0 | 26490 | 209441 | 10175 | 2376 | 21143 | 0 | 981 | 14978 | 285584 | 2.79 | 南美 | 768 | 4789 | 15913 | 121 | 7036 | 1046 | 0 | 2443 | 15632 | 47748 | 0.47 | 澳洲及太平洋海域 | 0 | 1100 | 4653 | 0 | 6770 | 1418 | 0 | 1625 | 0 | 15566 | 0.15 | 伊朗 | 0 | 0 | 236912 | 0 | 18873 | 0 | 0 | 0 | 29077 | 284862 | 2.79 | 日本 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 5302 | 0 | 28642 | 61345 | 95289 | 0.93 | 计 | 44018 | 107759 | 6942801 | 97457 | 224711 | 292722 | 22657 | 413130 | 2072944 | 10218199 | 100 | %* | 0.43 | 1.06 | 67.95 | 0.95 | 2.20 | 2.86 | 0.22 | 4.04 | 20.29 | | | *占这些国家地区总淡化水量的百分数。 二、脱盐技术的应用实例 近几年来,许多大型的海水、苦咸水反渗透淡化工厂在世界各地陆续兴建。几个最大的海水、苦咸水反渗透淡化工厂的情况[3]示于表4。 世界大型的海水、苦咸水反渗透淡化工厂 表4 厂址 | 原水mg/L | 淡化水mg/L | 装置容量(m3/d) | 装置形式 | 装置制造者 | 工厂承建者 | 投运日期 | 吉达(沙特阿拉伯) | 42000(红海水) | 50(二级淡化) | 12000 | 卷式 | U.O.P(美国) | Flaid Systems Division U.O.P美国 | 1979年1月 | 利雅得(沙特阿拉伯) | 1470(深井水) | 200 | 50700 | B-9中空纤维 | Du Pont (美国) | Ames Crosta Ba bcock 公司,英国 | 1979年秋 | 基伟斯特(美国) | 38000(海水) | 370(一级淡化) | 11300 | B-10中空纤维 | Du Pont(美国) | 美国水服务公司 | 1980年12月 | Ghar-Lapsi(马尔他岛) | 39000(海水) | 500(一级淡化) | 20000 | B-10中空纤维 | Du pont(美国) | 美国设备工程技术公司 | 1982年夏 | 尤马(美国) | 3200(地表水) | 283 | 36000 | 卷式 | | | 计划1984 | Punta Moron(委内瑞拉) | 37000(海水) | 100(二级淡化) | 3780 | 一级,B-10 二级,B-9中空纤维 | Du Pont(美国) | Permutit Company of Paramus 美国新泽西州 | 约1984 | 目前,正在全世界电厂运转的脱盐装置中日产100-3000m3以上淡化水的大型反渗透装置台数已达203台[2],这些装置生产78100m3/d以上的淡化软水作为电厂锅炉补给水,见表5。 全世界电厂运转的大型反渗透装置 表5 产水量(m3/d) | 装置台数 | 海水 | 苦咸水 | 废水 | 计 | 100以上 | 4 | 125 | 12 | 141 | 1000以上 | 3 | 50 | 8 | 61 | 3000以上 | 1 | | | 1 | 计 | 8 | 175 | 20 | 203 | 限于篇幅仅列举以下应用实例。 1、位于美国Rosario, Baja Califor-nia 的Mexico′s Comisio′n Federal de Electricidad 反渗透工厂,用Du Pont 公司生产的B-9、B-10中空纤维渗透器,将TDS为26500mg/L的海水淡化成50mg/l的软化,产量为600m3/d,用于电厂锅炉补给水。 2、日本鹿岛钢厂在1971年至1975年期间陆续建成日产13400m3淡化水卷式反渗透工厂,将当地的北浦湖水淡化后再经离子交换处理,用于锅炉补给水。 3、1977年初,美国U.O.P.公司在奥兰奇建造了一个处理量为18925m3/d城市污水的卷式反渗透工厂。1982年底,英国Ames Crosta Babcock有限公司采用1300个Du Pont公司生产的C-1醋酸纤维素膜卷式组件,在沙特阿拉伯吉达市包建一个处理量为30000m3/d污水的反渗透工厂,该厂于1984年投入运行,反渗透净化水作为水利灌溉和非饮用的市政用水。 4、日本三井石油化学(株)会社在日本环境省的资助下,于1977年开始用选择渗透膜法净化大楼排水的研究,开始采用超滤技术处理建筑面积为20373m2(地上11层,地下2层)大楼中洗脸间、浴室、厕所等处排放的43m3/d的污水[4],设计的超滤处理能力为30m3/d。处理工艺流程:大楼排水→4.5m3反应槽进行生物法处理→超滤法净化。超滤膜为透水量140-180L/m2.h的IRIS3038型,板式组件为UFP70型。装置有效膜面积为35.7m2,实际净水能力为70m3/d。经超滤处理的大楼排水为无色、无臭、透时,COD含量在1mg/L以下,可回用于冲洗地面、厕所等。 5、造纸工业排放的废水量大,且严重污染环境。但是,这种废水经反渗透(或超滤技术处理后,不仅净化了水(可回用),而且回收了有用物质(如:胶状木质素磺酸盐,分散剂,香兰剂等)。 1976年,丹麦DDS公司为挪威的一家造纸厂提供了一套由14个板式组件组成的、具有39m2膜面积的反渗透装置[5],用于处理6%浓度的亚硫酸盐造纸废水,处理量为300m3/d,反渗透净化水为150m3,浓度为12%的浓缩液量为150m3(送去蒸发)。用这样的反渗透工艺处理,每年需耗用1100t油料,总运转费用每m3净化水为1.71美元。 目前世界上规模最大的超滤法浓缩分离碱性造纸废水的装置已于1981年6月在日本大王造纸(株)三岛工厂建成[6.7]。整个装置共用664个由日东电工(株)生产的、总有效膜面积为1480m2的NTU-3580--P18LP型管式超滤组件,8台泵,运行压力1.0-0.5MPa设计处理量为3600m3/d,进入超滤组件的废水温度为50-55℃,膜的平均通量为9.7mL/cm2.h。组件的清洗每隔两天进行一次,每次清洗时间为2-3h。装置运行全部自动控制,实行无人操作,维修管理人员由其它设备的发行人员兼任。超滤透过液量为3382m3/d,浓缩液量为218m3/d,COD和色度的去除率分别为79%和93.2%。 三、展望 1、各种脱盐技术将以淡化海水、苦咸水为中心,并逐步向处理各种工业污水的领域扩展。 2、蒸馏法将以供沿海工业区和大型海滨电站用水为重点,向加强多效降膜蒸发技术并以双重目的(热电造水)工艺方向发展[8]。 3、选择渗透膜[3]将(1)以完善膜的选择渗透性为核心,大力开展各种不赂用途的膜的研制和生产,逐步向品种多样化、产品系列化、规格标准化的水平迈进;(2)以现有装置形式为基础,致力提高膜分离装置的性能,努力向大型化、高效化、实用化发展;(3)以提高净水水质为标准,积极扩大膜法水处理技术的推广应用和研究。 4、将以反渗透法,多级闪蒸法为主体,广泛实行膜法与蒸馏法以及与其它水处理技术之间的工艺组合,不断向最优化推进。 参考文献 [1]造水技术(日文),11,4(1985)67-71。 [2]水处理技术(日文),11,5(1985)65-66。 [3]蔡邦肖,《反渗透、超滤净水技术》,1986年浙江省给水排水会议交流资料,1986年9月15日。 [4]日笠腾,化学经济(日文),9(1982)69-73。 [5]Dr.Techn,et al.,Desalination,24(1978)141-154。 [6]水原周,造水技术(日文),8,4(1982)43-47。 [7]H.OKamoto,et al.,"Treatment of Paper-Plant Wastewater by Ultrafjltration, A Case History", in .S. Sourirajan & T.Matsuura, ACS Symposium Series 281 (1985)273-281. [8]王世昌,水处理技术(中文),11,5(1985)9-11。 |