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1、环境工程论文-采用新的前处理法和改进膜性能摘要：反渗透海水淡化系统在以敞开取水方式取用表层水时，为控制膜污染，必须设计各种前处理工艺。同时为维持膜性能能够在较长时间内保持稳定，在系统设计上采取了低水通量、低回收率的方法。近年来，海水淡化复合膜组件的性能指标有了很大程度的改进。同时，一种更有效的微滤膜技术也已在商业上得到广泛的应用。利用这些新的水处理技术，不仅能提高进水质量，而且能使经过前处理后的地表水其水质可与井水水质相比甚至更好。这些新技术可增加系统的可靠性，降低制水成本。本文将对新的前处理法在海水淡化系统中的实用价值进行评述，评估这些方法在改进RO海水淡化系统性能及经济性方面的潜力。 关键
2、词：前处理法 膜性能 反渗透 摘 要反渗透海水淡化系统在以敞开取水方式取用表层水时，为控制膜污染，必须设计各种前处理工艺。同时为维持膜性能能够在较长时间内保持稳定，在系统设计上采取了低水通量、低回收率的方法。近年来，海水淡化复合膜组件的性能指标有了很大程度的改进。同时，一种更有效的微滤膜技术也已在商业上得到广泛的应用。利用这些新的水处理技术，不仅能提高进水质量，而且能使经过前处理后的地表水其水质可与井水水质相比甚至更好。这些新技术可增加系统的可靠性，降低制水成本。本文将对新的前处理法在海水淡化系统中的实用价值进行评述，评估这些方法在改进RO海水淡化系统性能及经济性方面的潜力。引 言利用反渗透技
3、术进行脱盐的经济性正日益明显，由于反渗透的技术水平不断提高。目前，中低含盐量苦咸水脱盐所需的费用可与常规水处理方法相竞争的。特别是，当距离很远，或需要各种水处理的情况下，使用反渗透技术的优越性更为显着。从价格上看，虽然海水淡化膜组件稍比苦咸水膜组件贵一些，但是海水的RO脱盐费用却比苦咸水的RO脱盐费用高很多。原因之一是海水淡化系统所用水泵很贵，而且还需使用昂贵的耐腐蚀的合金管道，另外，海水淡化系统是靠敞开取水的方式取水，且回收率相当低等原因都造成海水淡化系统前处理费用大大高于苦咸水前处理系统所需费用。在目前RO系统的投资比例中，膜组件费用仅占制水成本的6%8%，设备费及电费占绝大部分。RO系统
4、回收率是影响设备的总投资费用以及运行费用的最主要因素。对于净化系统而言，进水量与回收率是成反比的关系，系统回收率直接影响到设备的规范及耗电量，但是就海水淡化RO系统来说，回收率不能任意增加，因为回收率越高，进水的含盐量也越高，最终导致渗透压增高，产品水含盐量也增加。海水淡化膜技术的发展过程及其各项操作参数随着膜技术的发展随着聚酰胺复合膜技术应用到海水脱盐的净化设备中，系统设备的投资费用远远低于早期用醋酸纤维膜技术的设备投资费用。早在1978年，开发研制出了海水淡化复合膜，该膜的材料是脂肪族聚酰胺复合物，其特点为盐透过率很高，在将早期的膜技术被应用到饮用水RO系统时必须采用二级处理器，回收率较低
5、，一般在30%35%；在此之后，研制出新一代复合膜，其材质是芳香族聚酰胺，这是海德能公司对世界的一大贡献，因为该技术使膜性能有了显着的改进。从图1可看出，自1986年以来，推出的一系列海水淡化膜在维持水通量不变的情况下脱盐率不断提高，最新的商用海水淡化膜的特征水通量是1978年的2倍，盐透过率减少大约为1978年的4倍。目前已具有公称脱盐率99.7%、产水量为6000gpd(22.7m3/日)的商用膜组件，但实际上膜组件的公称性能并不就是系统的实际性能，因为单个组件的检测条件与RO系统的操作条件差异很大，系统性能可根据膜组件本身的技术参数、系统中安装的膜面积、给水水质以及操作条件等综合情况计算
6、出来。使用具有盐透过率低的膜组件（较高脱盐率），其结果是降低产水含盐量。因此，提高膜组件的脱盐率，可使RO系统回收率提高。以含盐量为38,000ppm，水温在18-28之间的地中海海水为给水设计的RO系统，其回收率为40%45%，平均水通量为7-8gfd(11.9-13.5L/m2小时)，在上述操作条件下，进水压为8001000psi(55-70巴)，产水含盐量在300500ppm之间。当进水含盐量和膜组件的脱盐率为一定时，产水含盐量与进水温度、回收率、产水通量成函数关系变化。提高进水温度，会引起盐份和水分子扩散速度的增加，大约为每增加1摄氏度，扩散速度提高3%。通常RO设备都是在流量恒定条件
7、下工作的，故盐透过率的变化仅与进水温度变化有关。产品水含盐量与平均水通量成反比关系，水通量提高则可稀释通过膜的盐离子，从而降低产品水含盐量。一般说来，海水淡化系统的平均水通量保持在一个相对低的量上，即进水为地表水时为7-8gfd、进水为靠岸边的井水时为10gfd(16.8L/ m2小时)，上述两种水源之所以采用不同的水通量，是因为井水水质要比地表水的好，因而对膜的污染现象也较少。通常在海水淡化系统中，使用的水通量较低，一般在50%（相对于苦咸水脱盐），如果试图在高水通量条件下运行海水淡化系统，很可能造成不可逆的流量衰减现象。直到最近，由于膜组件脱盐率的提高，因而可设计出一种新型工业用海水淡化R
8、O系统，该系统具有较高的回收率。海水淡化RO系统的最大回收率主要受膜脱盐率或产水水质不能达到饮用标准的限制。从图2所标出的曲线可看出盐透过率与回收率和水通量成函数关系变化。该图的实验条件是：进水为含盐量37,500ppm TDS的地中海水，进水温度为28，膜组件的回收率在4060%，水通量在811gfd，所用的膜组件公称脱盐率为99.6%，在计算产水水质时，将盐透过率提高了15%后进行计算，这是由于考虑到膜平均寿命为3年，每年膜的盐透过率增加5%（每年应有20%的膜组件需要更换），由图可看出，如果需要得到较高的回收率，水通量将超过标准值8gfd。这样做可保证理想的产水含盐量，特别是当进水温度较
9、高时，更是如此。目前存在着几个最突出的问题，一是海水淡化系统的最佳回收率是多少时，能够使产出水的成本降低，二是目前海水淡化膜的性能可否使淡化系统达到所要求的回收率，三是当进水为地表海水时，RO膜可否在较高的水通量下运行。净化过程中所需费用众所周知，系统回收率的大小直接影响到海水淡化RO系统的投资费用。增加回收率，则会减少所有工艺设备的容量（因为这些设备容量由给水流量及浓水流量决定），同时也会影响到供水系统的容量及取水泵的能耗，影响到所有 预处理 设备的容量，因为贮水槽、泵、过滤设备以及所使用的化学加药设备的配置都是由给水流量所决定的。另外，还要考虑到浓水管道及出水设备的配套使用。工程设计中，水
10、通量的选取会影响到净化设备中需安装多少支膜组件、多少压力容器、管路的连接方式以及RO系统滑架的大小。为了使用户能够根据上述各种需要更精确地估算出整个净化设备安装所需投资金额，本文在表1中做了详细说明。表1的例子的操作条件是：进水为地中海水，采用敞口取水方式，系统产水量为6mgd(22,7000m3/天)。通常在进行实际工程设计时，成本估算可参考G. Leitner(3)，P.Shidlds和I. Mock(4)二篇文章中所提供的参考数据。(3)、(4)均为本文列出的参考文献。表1列出了在基本设计和具有高回收率、高水通量的HRF系统设计中所需设备成本费用的比较（包括35%间接成本），由表1可看出
11、基本设计的回收率为45%，水通量为8gfd、HRF设计水的回收率为55%，水通量为11gfd。表1 两种设计投资费用之比较(以1000US$为单位)投资细目基本设计回收率45%水通量8gfdHRF设计，回收率55%水通量11gfd设备成本变化%取水和排水940830-11.7前处理5,0004,390-12.2膜组件2,0001,450-27.5工艺设备16,05013,650-15.0产品水处理4004000场地670640-45总费用25,06021,360-14.8特殊费用($/m3天)1,104940-14.8从表1中列出的两种设计方法各项费用来看，可得出这样一个结论：即如果设备的回收
12、率和水通量高，可使总投资费用低（相对于回收率和水通量低的设备而言），因此，采用高回收率的设备可大大降低制水的成本。但是，如果使用这样的设备，由于其具有高回收率和高水通量则要求进水压力也相应提高，势必会产生一个较高的功耗。在图3中，我们标出了回收率与进水压力之间的变化关系 曲线（测试时进水温度为18，水通量为8到11gfd），由图可见，当水通量一定时，进水压力随回收率的增加而增加。这是由于平均进水含盐量和渗透压增加而造成的。在进行压力计算时，由于考虑到膜组件有污染及压缩的可能，因而假定水通量衰减系统为20%。图4为与图3的进水压力数值相对应的特殊功耗值。该功耗计算是假定系统中要装高效泵和能量回收
13、涡轮机。假定这两个设备的效率是83%，所用电机效率是93%。（这样的高效设备现已有供应，并在1997年投产的一个2.1mgd的海水淡化装置上起用。）如图4所示，当水通量一定，回收 率为50%，对应的特殊功耗为最小值。如果将设计回收率定为55%，通量为11gfd，其结果是高压泵的特殊功耗从4.2kwh/m3增加到4.6kwh/m3，图中的进水温度为18，即18时，设计参数变化将造成特殊功耗有0.4kwh/m3的差异，如果进水温度为28，上述二种设计的特殊功耗仅有0.3kwh/m3的差异，由此可见，温度变化对功耗的影响不大。表2是标准条件（基础设计）和高回收率、产水通量设计时的系统制水成本细目的比
14、较。表2 在RO海水淡化系统中回收率和水通量二参数的不同对产品水成本的影响水成本(US$)基本设计回收率为45%水通量为8gfdHRF设计回收率为55%水通量为11gfd水成本变化%设备费03200275-4.0换膜组件00500037-26.0维修、保养00950084-12.0功耗02520276+9.5化学试剂和保安过滤器滤芯00600050-17.0劳动力00500040-20.0产品水总费用($/m3)08270762-7.9计算水的费用的几个参考因素为：8%的利率、设备寿命20年、更换8”海水淡化膜组件的费用$800、维修费（设备费的3%）、电费$0.06/kwh、工厂开工效率95
15、%等，除此之外，还要把前处理系统中使用的化学试剂，如：氯、无机絮凝剂、聚合物、亚硫酸氢钠、阻垢剂等费用计算进去，最后，估算生产出水的总费用。虽然提高回收率、增加水通量可以减少费用，但是，要想使膜的性能在高水通量时仍能保持稳定，就必须保证进水质量，对进水进行充分的前处理。总之，利用降低投资费用、改进操作条件等手段，大约可使制水的成本降低8%。通常进水压力限定为70巴，这是受压力容器的额定值所限，而与膜的稳定性及卷式膜组件的结构无关：在加里福尼亚有一个规模很大的海水淡化装置，在该装置中海水淡化膜组件已在进水压力为75-80巴的条件下运行了很长时间。同时还进行过在合理设计组件结构和压力容器条件下，使膜组件成功地运行在压力约为120巴的大规模海水淡化设备上，因而当进水温度在一个适当的范围内，进水压力超过83巴(1200psi)对膜组件的长期性能不会有影响。常规的前处理工序进行前处理的目的是希望通过这一工序降低进水的污染物含量，提高进水水质，使给水水质能够保证膜组件的长期、稳定性能。在海水淡化系统中，膜污染现象会日益严重，其原因主要是因为在进水中存在着胶体和颗粒物质、溶解有机物以及细菌的滋长。在苦咸水淡化系统中位于尾部的膜组件上偶然能发
