膜法海水淡化技术的应用与进展

张维润
（国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心，杭州310012）

　　摘　要：介绍反渗透、电渗析两种膜分离技术在海水淡化中的应用与进展.高盐度溶液的脱盐技术正向废水资源化扩展.膜集成水处理技术将会在我国大规模推广应用。

　　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100m³以上的装置有11066台，每天生产淡水2030万m³。截止1997年底，装置总数12451台，每天产水2273万m³，其中海水淡化为1337万m³、苦咸水淡化为5840万m³，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/m³。最大规模的RO苦咸水淡化装置建在美国，日产27万m³。
　　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主要是美国和日本，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200m³／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（表1）， 并向马尔代夫和基里巴斯输出了ED和RO海水淡化装置。

表1 已建成的海水淡化装置 项目 日产量（m³） 承担单位 使用单位 完成时间 ED海水淡化装置 200 杭州处理中心 西沙部队 1981年 NF海岛苦水淡化装置 120 杭州处理中心 山东长岛县 1996年 RO海水淡化装置 500 杭州处理中心 浙江嵊泗县 1997年 RO海水淡化装置 200 广东新世纪水处理公司 大亚湾核电厂 1990年 RO海水淡化装置 1000 北京绿色源泉公司 大连长海县 1999年 RO海水淡化装置 200 　 上海宝钢 1999年 RO海水淡化装置 1000 杭州水处理中心 山东长岛县 2000年 RO海水淡化装置 1000 杭州水处理中心 浙江嵊泗县 2000年 RO苦咸水淡化装置 18000 文本玉柴绿源环境公司 沧化集团 2001年

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，如美国DOW公司推出 FILMTEC BW30LE－440膜元件，在约1.05MPa压力下，产水量43.5m3／d，脱盐率大于99％，一个新元件几乎相当换代前的两倍。Fluid Systems公司推出 Premium TFC新元件，其苦咸水和海水膜元件的脱盐率分别高达99.7％和99.8％。日本的东丽公司和日东电工公司己开发出可耐9.0MPa的海水淡化膜，并己在西班牙建造了回收率高在60％的两段RO海淡化装置。

表2 国外典型的海水反渗透组件 公司 品名型号 膜材 膜构型 产水量（m³/d） 脱盐率（%） 杜邦 Permasep B-10TWIN 聚酰胺 中空纤维 60.6 99.35 东洋纺 TOYOBO Helloes HM10255F 三醋酸纤维素 中空纤维 27.5 99.4-99.2 陶氏化学（FILMTEC） SW-8040 聚酰胺 卷式复合膜 23 99.6 OSMONIC（DESAL） Desal-11AD 聚酰胺 卷式复合膜 / 99.4 Fluid Systems SW-30 聚酰胺 卷式复合膜 / 99.8 日东电I（Hydromantic) NTR-70 SWC-S8 聚酰胺 卷式复合膜 16 99.6

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＄／m³.d，低温MED在1100－1600 US＄／m³.d，RO在700-900US＄m³.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，其转达换效率可高达89－96％。Scott A.Shumway报导，一种新型的能更回收装置己成功应用到13600m³／d和5000m³／d的反渗透海水淡化装置上，过程能耗为2.6kwh／m³。Gord F.Leitner指出加上预处理能耗，总能耗为2.83kwh/m³。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15000m³/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3780m³／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/m³。
　　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／m³、ED为14－16kwh／m³、MED为9－10kwh／m³、MFS为12-14kwh／m³。

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Ni²⁺650mg/L，经RO浓缩20倍达至13000mg/L、Ni²⁺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Ni²⁺为1510——2400mg/L。系统Ni²⁺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Al₂O₃生产零排放工程。将Al₂O₃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m³，居世界第6位，中国人均水资源量为2340m³，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1600m³，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m³，全年缺水量为200亿m³。中国每年工业、生活污水排放量已达约600亿m³，90％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。