海水淡化技術種類很多，有蒸餾法（多級閃蒸、多效蒸餾、壓汽蒸餾等）、膜法（反滲透、電滲析、膜蒸發等）、離子交換法、冷凍法等，但適用于大規模淡化海水的方法只有多級閃蒸（MSF）、多效蒸餾（MED）和反滲透法（RO）。

 

    反滲透法于20世紀70年代起用于海水淡化，經過幾十年的發展，隨著反滲透膜性能提高、預處理技術進步、能量回收效率的提高等，已成為投資最省、成本最低、應用范圍廣泛的海水淡化技術。

 

    反滲透法是一種膜分離淡化法，該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質透過的半透膜將海水與淡水分隔開，若對海水一側施加一大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水將通過半透膜進入到淡水中。反滲透海水淡化法（SWRO）技術使反滲透技術的發展有了更廣闊的前景。經過幾十年的不斷發展，海水淡化反滲透膜的性能有了較大的提高，膜材料從初期單一的醋酸纖維素非對稱膜發展到表面聚合技術制成的交聯芳香族聚酰胺復合膜等新型材料與高效膜。目前的反滲透膜，水通量是1978年的2倍，鹽的透過率大約為1978年的四分之一，價格穩中有降。

 

    反滲透法的適應性強，應用范圍廣，規模可大可小，建設周期短，不但可在陸地上建設，還適于在車輛、艦船、海上石油鉆臺、島嶼、野外等處使用。美國陸軍在20世紀70年代初，在評價了若干方案后，選用反滲透技術為陸軍使用的最合適的凈化水技術，美國海軍首先將此技術用于潛艇淡化水，后來又應用于其他艦船。反滲透除鹽水處理工藝采用無相變的物理方法，它在諸多方面具有傳統的水處理方法所沒有的特點：其系統簡單，操作方便，運行費用低，不耗酸、堿，相應的腐蝕和環境污染問題也少；產品水水質穩定，無忽高忽低的波動，對二級混床的正常運行極為有利。

 

    一：砂濾器濾料改進去除鐵離子

 

     從近二年來的分析數據來看，由于原水中鐵離子的含量受長江汛期及水廠加藥平穩率的影響，忽高忽低，含鐵量最高可達0.60ppm。而膜供應商對卷式復合膜的進水水質要求：含鐵量最大值為0.10ppm。故本次改造中，在原砂濾器中補加了400mm高度，粒徑為0.5-0.6mm的優質天然錳砂。

 

    天然水中的鐵離子有二價鐵和三價鐵兩種形態，由于Fe2+具有較強的還原性，極易被氧化為Fe3+，Fe3+在水中發生水解反應，生成難溶化合物Fe(OH)3膠體，堵塞膜元件的水通道。天然錳砂的主要成分是二氧化錳，它是二價鐵氧化成三價鐵良好的催化劑。只要水中PH值大于5.5時，與錳砂接觸即可將Fe2+氧化成Fe3+，反應如下：

 

    4MnO2 + 3O2 = 2Mn2O7

 

    Mn2O7+ 6 Fe2+ + 3H2O = 2MnO2+ 6 Fe3+ +OH-

 

    生成的Fe3+立即水解生成絮狀氫氧化鐵沉淀，Fe(OH)3沉淀物經錳砂過濾后被除去，因此，錳砂濾層起著催化和過濾的雙重作用。從改造完成后的運行分析數據來看，砂濾器出口鐵含量可以控制在<0.04ppm以下，滿足了RO膜元件的進水要求。

 

 

    二：超濾器運行方式的改進

 

    反滲透進水的預處理包括兩個方面：一是防止懸浮物、膠體和微生物對膜和管道內部的污染與堵塞，另一方面是要防止難溶鹽的沉淀結垢。本次改造，仍按原設計選用山東招遠膜工程設備廠生產的UF-IB9型內壓式中空纖維超濾膜。

 

    超濾屬于壓力驅動型膜分離技術。在壓差為驅動力的作用下，溶液中的溶劑（水）和小溶質粒子從高壓的料液側透過膜到低壓側，一般稱為濾出液，而大粒徑組分被膜所阻攔，從而在濾剩液中濃度增大。超濾膜分離過程中，隨著流速到達膜表面的溶質，由于受到膜的截留而積累，使得膜表面溶質濃度逐步高于料液主體濃度。超濾過程中主要障礙是濃差極化和膜污染，通常情況下超濾滲透量的大小隨著溫度和進料速度的升高而增加，但隨著進料濃度的增加而下降。眾所周知，濃差極化是超濾過程中不可避免的結果，為了控制濃差極化減輕污染，增加超濾通量。本次改造過程中，保留了原設計中的二臺低壓循環泵，同時將原水管網直接與原水泵吸入口連接，提高原水泵的輸出揚程，用以提高超濾器的進水流速，增大膜面水流速。用于消除一部分濃差極化層，使被截面的溶質及時被水流帶走，進一步降低濃差極化層的厚度，提高超濾器的滲透通量。另外，本次改造對UF組件的運行方式也加以改進，在原反沖洗的基礎上，增加了UF膜面自動快速沖洗工藝，進一步降低了UF膜元件化學清洗頻率。

 

 

    三：反滲透除鹽系統的改進

 

    1、背壓法均衡系統水通量分布

 

    反滲透是一種壓力梯度為動力的膜分離過程，是自然滲透的逆過程，給水壓力升高使膜的水通量增大，但壓力升高并不影響鹽透過量。在鹽透過量不變的情況下，水通量增大將使產品水中的含鹽量下降。

 

    由于本裝置采用UF組件作為反滲透除鹽裝置的預處理，故UF透過水SDI值較低，可以在較高的水通量下運行。

 

    在相同的水通量下，系統的純驅動壓力將產生很大梯度，即進水端純驅動壓力很高，而濃水端純驅動壓力降至很低。這主要是由于膜元件的摩擦損失造成濃水的滲透高于濃水壓力。因此，前端膜元件將在高水通量和高回收率狀態下運行，而末端膜元件產出含鹽量較高的少量淡水，在這樣的條件下，前端膜元件的濃差極化嚴重，對產品水的含鹽量造成不良影響，還可能加速膜的污堵速度。

 

    原設計RO膜元件按5×3排列時，第一段的膜元件占全部的62.5%，而產水量卻占全部的85%，即34.0t/h。本次改造時重新進行系統設計，調整全系統參數，將原5×3排列拆分為二套3×1排列并聯方式運行，同時對于多段系統可能產生極端的水通量分析，在一段產品水出口和二段產品水出口之間加裝壓力表，手動調節閥，以平衡一、二段產品水水量。通過增加產品水背壓來調整每段的運行參數，修正多段系統中的這種極端水通量分布。在實際運行過程中，所需增加的段間壓力相對較小，只需在第一段產水上加約0.02Mpa的背壓，即可改進淡水水通量分布，使其達到規定的75%比25%的產水分布，產品水的水質也得以改善，目前為止RO系統脫鹽率為98.6%。

 

    2、調整RO給水PH值，去除游離CO2

 

由膜元件的特性決定了水中的溶解氣體如CO2透過率幾乎為100%，HCO3-的透過率隨著PH值的升高而降低。

 

    從碳酸的電離度與水中PH值的關系中可以看出，水中的重碳酸鹽是不穩定的，它可以HCO3-、CO32-以及CO2+H2CO3三種形式存在。當PH約為8.3時溶液中幾乎只含有HCO3-。針對上述情況，本次改造在RO膜保安過濾器前，除添加NaHSO3還原劑和AF200ul阻垢劑外，同時添加NaOH調整反滲透給水PH值至8.2-8.3間，使反滲透能去除游離CO2最大程度地提高反滲透的脫鹽率，最終提高混床的定收量。同時取消原設計中的RO產品水水箱，RO產品水直接進一級除鹽水箱，并在中間頂部加裝復式液堿呼吸器，以防止大氣中的CO2等氣體對RO產品水的二次污染，減輕混床離子交換的負擔。

 

    3、 增加RO停車純水沖洗工藝

 

    利用正滲透作用也是一種沖洗方法。當RO系統停車時，引入混床出口的純水來置換、沖洗膜面，由于混床出口的純水含鹽量遠低于RO產品水，故能使RO產品水側的產品水在停車后開始透過膜向低濃度純水側移動，由于水的移動而使侵入膜內細孔吸附在膜表面的污染物變成容易去除的狀態，在流動狀態下可以減少膜面的濃差極化現象，減少膜面的污染。

 

    雖然，給水進行預處理的目的是為了減少RO膜面的污染，但由于給水預處理工況紊亂、給水成分改變等原因，特別是用地表水做原水，水中的細菌及微生物，仍然會導致RO膜面產生污堵現象，從而引起系統產水量下降，壓差增加引起能耗增加，縮短膜元件的使用壽命。

 

    結合本次改造我們選用了美國DOW公司FILMTEC BW30-365FR抗污染膜，該元件采用了FILMTEC“增加膜片數，縮短膜片長”的獨特結構及膜表面光潔度比普通膜元件提高40％的特點。據相關資料介紹，該膜元件具有：①最優的給水通道設計：給水通道中水呈高度穿紊流狀態，減少濃差極化，減少污染物在膜面上的沉積；②寬的給水通道，提高了膜的可清晰性；③膜片有很強的穩定性，是一種本身具備強抗污染性能的膜元件。

自2001年7月25日改造結束投運后的數據來看（具體數據見附表）：

1．抗污染膜的污堵速度小，給水阻力較小，能耗低；

2．減少了化學清洗的次數，延長了膜元件的使用壽命（自投用至今已11個月RO膜元件尚未進行化學清洗，而換膜前的清洗周期為50天）

3．系統脫鹽率相對穩定（98％）

 

 

    五：混床恒流速運行，提高定收量

 

    在原設計中，RO產品水經Ф1500混床直接送至下游用戶。由于下游用戶的用水量是在不斷變化的，故造成混床的運行流速忽高忽低。

 

    在樹脂層高度一定、進水總離子含量一定、混床出水指標一定的情況下，影響離子交換裝置運行的主要因素是運行流速的變化。流速過低時，樹脂表面液膜較厚，水流成滯流狀態，水中離子不易交換，使出水水質較差；適當提高流速，加快了離子擴散速度，增加了離子交換的可能性，出水水質也相應得到了提高。但是，流速過高，接觸時間短，交換反應進行不完全；同時工作層厚度增加，這將造成出水水質惡化和樹脂工作交換容量降低。

 

    本次改造，利用原有管架管位，加裝回流管線，配循環自動調節閥，回水進除鹽水箱，使混床運行流速保持在30-40m/h的范圍。與改造前相比，混床的定收量可由改造前的3600-4000噸提高至8000噸左右。

 

 

    六：結論

 

    通過技術改進，系統運行效果明顯增強。改造前后情況具體總結如下表：

 

    鐵離子 進水鐵離子含量遠高于要求（<0.1ppm）,最高達0.60ppm,從而造成膜元件通道堵塞。 在原砂濾器中補加了400mm高度，粒徑為0.5-0.6mm的優質天然錳砂。 進水鐵含量控制在<0.04ppm以下，滿足了膜元件進水要求。

超濾器濃差極化及膜污染 存在濃差極化及膜污染現象 將原水管網直接與原水泵吸入口連接，提高原水泵的輸出揚程，用以提高超濾器的進水流速，增大膜面水流速。 消除了濃差極化及膜污染現象，提高了超濾器的滲透通量。降低了UF膜元件的化學清洗頻率。

淡水出水比例不均 原設計RO膜元件按5×3排列時，第一段的膜元件占全部的62.5%，而產水量卻占全部的85%，淡水出水比例不均，造成濃差極化。 將原5×3排列拆分為二套3×1排列并聯方式運行，在一段產品水出口和二段產品水出口之間加裝壓力表，手動調節閥。 淡水水通量分布達到規定的75%比25%的產水分布，產品水的水質也得以改善，目前RO系統脫鹽率為98.6%。

 

    反滲透膜清洗周期太短，膜污染嚴重 系統清洗周期為50天 將普通的反滲透膜   BW30－365更換成抗污染的BW30－365FR 目前系統已連續運行12個月，尚無需要清洗的跡象。

 

    RO停車純水沖洗工藝 無 利用正滲透作用，在RO系統停車時，引入混床出口的純水來沖洗膜面 使侵入膜內細孔吸附在膜表面的污染物變成容易去除的狀態，在流動狀態下可以減少膜面的濃差極化現象。減少膜面的污染。

混床流速不穩定 由于下游用戶的用水量是在不斷變化的，故造成混床的運行流速忽高忽低。混床定收量3600-4000噸。 加裝回流管線，配循環自動調節閥，回水進除鹽水箱。 使混床運行流速保持在30~40m/h的范圍。混床定收量提高至7000噸。近年來新造船舶或舊船上的更新換代海水淡化裝置都已傾向于選用反滲透裝置。

 

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