李洋

（江蘇豐海新能源工程技術(shù)有限公司， 江蘇 鹽城 224100）

隨著膜技術(shù)和膜裝備的不斷革新發(fā)展， 反滲透工藝已經(jīng)成為海水淡化的首推、 首選技術(shù)。 目前，在國(guó)內(nèi)反滲透型海水淡化廠的產(chǎn)能已經(jīng)占國(guó)內(nèi)總工程規(guī)模的68.7%［1］。 海水淡化預(yù)處理系統(tǒng)是一個(gè)完整的反滲透海水淡化系統(tǒng)的組成部分， 是反滲透系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。 混凝沉淀、 氣浮、 介質(zhì)過(guò)濾、 微濾（MF）和超濾（UF）等常規(guī)的預(yù)處理技術(shù)在現(xiàn)有的海水淡化廠中已經(jīng)得到了成功應(yīng)用， 具有較好的有效性和經(jīng)濟(jì)性。 隨著技術(shù)和裝置的發(fā)展和革新， 纖維束過(guò)濾器、 陶瓷膜、 生物過(guò)濾器、 電絮凝等非常規(guī)海水淡化預(yù)處理技術(shù)的研究和應(yīng)用取得了一定的成果， 具有較好的應(yīng)用前景。

本文簡(jiǎn)要介紹纖維束過(guò)濾器、 陶瓷膜、 生物過(guò)濾器、 電絮凝等技術(shù)的工作原理、 工藝組成和性能特點(diǎn)， 以及在現(xiàn)有應(yīng)用案例中的運(yùn)行表現(xiàn)； 分析各項(xiàng)技術(shù)的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)， 為今后的項(xiàng)目實(shí)踐提供參考。

1 非常規(guī)預(yù)處理技術(shù)和裝置

1.1 纖維束過(guò)濾器

介質(zhì)過(guò)濾器在傳統(tǒng)的預(yù)處理系統(tǒng)中一直扮演著重要的角色， 其作用是在混凝沉淀、 氣浮等處理工藝的基礎(chǔ)上， 對(duì)原海水進(jìn)行進(jìn)一步的過(guò)濾凈化處理。 現(xiàn)有項(xiàng)目中使用到的介質(zhì)過(guò)濾器， 無(wú)論是重力式還是壓力式， 絕大多數(shù)都是采用粒狀濾料（如無(wú)煙煤、 石英砂、 活性炭、 錳砂等）作為濾元， 對(duì)水中的雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾吸附。 很多建成及運(yùn)行的實(shí)際項(xiàng)目已經(jīng)證明， 介質(zhì)濾料作為預(yù)處理系統(tǒng)的重要組成在技術(shù)上是可行的， 且具有較高的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。 但介質(zhì)過(guò)濾器的缺點(diǎn)是占地面積大， 過(guò)濾精度易受濾料粒徑限制， 運(yùn)行不合理易出現(xiàn)漏砂跑砂等現(xiàn)象。

纖維束過(guò)濾器是一種采用新型的束裝軟性填料—— 纖維束（圖1）作為濾元， 以腈綸、 滌綸或丙綸為原料， 纖維束直徑可達(dá)幾微米到幾十微米，具有比表面積大、 過(guò)濾阻力小等特點(diǎn)。

圖1 纖維束Fig. 1 Fiber bundle

纖維束過(guò)濾器由耐腐蝕殼體、 纖維束濾料、 中心集水管、 纖維束固定盤(pán)、 扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置、 進(jìn)水口、 出水口、 進(jìn)氣口等組成。 過(guò)濾器在運(yùn)行時(shí)， 扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)， 使松散的纖維束扭轉(zhuǎn)抱團(tuán)并形成致密的過(guò)濾器層， 海水從過(guò)濾層外面進(jìn)入致密的纖維過(guò)濾層， 透過(guò)過(guò)濾層后進(jìn)入中心集水管，原海水實(shí)現(xiàn)過(guò)濾； 反洗時(shí)， 扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置反方向動(dòng)作， 使纖維束處于松散狀態(tài)， 利用空氣和水對(duì)纖維束進(jìn)行反洗， 去除留在纖維束上的雜質(zhì)， 恢復(fù)過(guò)濾層的截留性能。 過(guò)濾器的2 個(gè)工作狀態(tài)如圖2 所示［2］。

圖2 纖維束過(guò)濾器的2 個(gè)工作狀態(tài)Fig. 2 Two working status of fiber bundle filter

圖3 為纖維束過(guò)濾器的工藝流程示意［2］， 原海水經(jīng)海水提升泵加壓后流入管道式靜態(tài)混合器， 與投加的混凝劑充分混合后進(jìn)入纖維束過(guò)濾器， 過(guò)濾后的海水進(jìn)入產(chǎn)水箱。 與介質(zhì)過(guò)濾器工作機(jī)理一樣， 過(guò)濾一段時(shí)間后達(dá)到設(shè)定壓差時(shí)， 利用配套的反洗水泵、 反洗風(fēng)機(jī)對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行氣、 水反洗， 以恢復(fù)過(guò)濾器的截留能力。

圖3 纖維束過(guò)濾器工藝流程示意Fig. 3 Process flow of fiber bundle filter

Kim 等［2］采用纖維束過(guò)濾器作為緊湊型預(yù)處理裝置處理高濁度海水， 在日產(chǎn)2 000 t 淡化水的中試試驗(yàn)裝置中， 纖維束過(guò)濾器作為超濾裝置的前置過(guò)濾器有良好的性能表現(xiàn)。 在為期一年的試驗(yàn)中， 裝置進(jìn)水濁度的范圍是5 ～52 NTU， 預(yù)處理系統(tǒng)的產(chǎn)水濁度始終保持在0.3 NTU 以下， SDI15值在3 以下， 產(chǎn)水水質(zhì)滿足海水反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水要求。

纖維束過(guò)濾器具有過(guò)濾精度高、 過(guò)濾速度快、截污容量大、 占地面積小、 自耗水率低、 噸水造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)因纖維絲斷裂、 打結(jié)從而導(dǎo)致過(guò)濾性能下降等現(xiàn)象。 另外， 隨著纖維球?yàn)V料、 彗星式纖維濾料以及旋翼式纖維濾料的不斷發(fā)展， 在一些實(shí)際項(xiàng)目案例中， 如馮金玲［3］、 盛堂祥［4］等采用新型濾料取代傳統(tǒng)的粒狀濾料， 也取得了頗為成功的效果。

1.2 陶瓷膜

目前， 應(yīng)用于反滲透海水淡化預(yù)處理系統(tǒng)的微濾膜、 超濾膜和納濾膜絕大多數(shù)采用的是有機(jī)膜，即采用高分子有機(jī)復(fù)合材料制成的膜， 應(yīng)用較為廣泛的材料有聚醚砜（PES）、 聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙烯（PVC）、 聚丙烯（PP）等。 有機(jī)膜以其取材廣泛、 單位膜面積制造成本低廉、 膜組件裝填密度大等優(yōu)勢(shì)， 獲得了非常廣泛的應(yīng)用， 目前有機(jī)膜占據(jù)了整個(gè)膜市場(chǎng)90% 以上的份額。 與有機(jī)膜相對(duì)應(yīng)的無(wú)機(jī)膜， 按照制膜材料主要分為金屬膜、 陶瓷膜、 沸石膜和玻璃膜等， 其中應(yīng)用最為廣泛的是陶瓷膜。

陶瓷膜是一種以不同規(guī)格的氧化鋁（Al2O3）、氧化鋯（ZrO2）、 氧化鈦（TiO2）和氧化硅（SiO2）等無(wú)機(jī)陶瓷材料作為支撐體， 經(jīng)表面涂膜、 高溫?zé)贫傻姆菍?duì)稱固體膜。 陶瓷膜多采用“三明治式”結(jié)構(gòu)： 支撐層（載體層）、 過(guò)渡層（中間層）、 膜層（分離層）， 結(jié)構(gòu)類型主要有平板式、 中空纖維式和多通道式； 按過(guò)濾精度可以分為： 微濾膜、 超濾膜和納濾膜。

圖4 為中空纖維式陶瓷膜的結(jié)構(gòu)電鏡圖片［5］。

圖4 中空纖維式陶瓷膜電鏡圖片F(xiàn)ig. 4 Scanning electron microscopy（SEM） images for ceramic hollow fiber membrane

市場(chǎng)化應(yīng)用較廣泛的陶瓷膜主要采用多通道式， 即在單根陶瓷管截面上分布多個(gè)通道， 一般通道數(shù)有3、 7、 12、 19、 37、 61 等， 再由1 根或多根陶瓷管組成一個(gè)膜組件， 圖5 為典型的多通道陶瓷膜組件外形。 陶瓷膜裝置在工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 系統(tǒng)組成和運(yùn)行模式上， 與有機(jī)膜裝置具有很大程度的一致性。 陶瓷膜裝置多作為混凝沉淀池、 氣浮池、介質(zhì)過(guò)濾器的后置處理系統(tǒng)， 主要由給水泵、 精密過(guò)濾器、 陶瓷膜組件、 產(chǎn)水箱、 反洗水泵、 反洗風(fēng)機(jī)、 化學(xué)加強(qiáng)反洗和就地化學(xué)清洗等工藝設(shè)備組成。 在運(yùn)行模式上， 凈水系統(tǒng)多采用“死端運(yùn)行”的模式， 并按照“過(guò)濾→放空→氣洗→水反洗→水正洗→過(guò)濾”的步序進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行。 當(dāng)氣、 水反洗不足以有效恢復(fù)膜組件的過(guò)濾能力時(shí)， 需對(duì)膜組件進(jìn)行化學(xué)加強(qiáng)反洗和化學(xué)清洗； 可能用到的化學(xué)清洗劑有酸堿液（鹽酸、 硫酸、 氫氧化鈉等）、 螯合劑（EDTA、 檸檬酸等）、 氧化劑（高錳酸鉀、 次氯酸鈉等）和表面活性劑等。

圖5 陶瓷膜組件外形Fig. 5 Outline of ceramic membrane module

經(jīng)模擬試驗(yàn)和實(shí)際案例運(yùn)行情況看， 相比于有機(jī)膜， 陶瓷膜組件具有運(yùn)行通量高、 孔徑分布窄、分離效果好、 機(jī)械強(qiáng)度高、 受溫差影響小、 壽命周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)； 缺點(diǎn)是產(chǎn)品造價(jià)高、 不耐強(qiáng)堿、 脆性大、 加工成型和裝配難度較大等［6］。 目前， 將陶瓷膜應(yīng)用在海水預(yù)處理系統(tǒng)的案例并不多， 其中具有代表性的是由南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)研究所在舟山建成的日產(chǎn)150 t 的示范裝置， 該裝置采用陶瓷膜組件作為預(yù)處理系統(tǒng)的核心部件， 處理后的海水濁度小于0.08 NTU， SDI15值小于2， 鐵離子質(zhì)量濃度小于0.05 mg／L， 產(chǎn)水水質(zhì)參數(shù)完全滿足反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水要求。 類似的中試裝置研究還有很多， 如Hamad 等［7］、 Kang 等［8］， 都給出了采用陶瓷膜作為預(yù)處理系統(tǒng)的產(chǎn)水完全能夠達(dá)到反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)要求的結(jié)論。

1.3 生物過(guò)濾器

在反滲透膜處理系統(tǒng)中， 膜污染現(xiàn)象是在各個(gè)項(xiàng)目中不可避免的問(wèn)題， 主要體現(xiàn)在無(wú)機(jī)鹽結(jié)垢、碳酸鹽結(jié)垢、 金屬氧化物沉積、 膠體污染、 有機(jī)物污染和生物污染等， 其中生物污染現(xiàn)象尤為顯著，同時(shí)也是最難以控制的一種膜污染。 膜生物污染會(huì)導(dǎo)致反滲透系統(tǒng)出現(xiàn)產(chǎn)水水量下降、 透鹽率上升和段間跨膜壓差升高等現(xiàn)象。

在典型預(yù)處理系統(tǒng)中， 多采用殺菌劑對(duì)原海水進(jìn)行殺菌、 滅活， 以控制微生物對(duì)后續(xù)工藝設(shè)備、管路造成影響。 然而， 在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中， 隨著微生物耐藥性的提高， 少數(shù)微生物會(huì)穿過(guò)預(yù)處理系統(tǒng)并附著在反滲透膜表面， 并以被殺死的微生物（可降解性有機(jī)物AOC）和預(yù)處理系統(tǒng)產(chǎn)水中殘留的有機(jī)物（溶解性有機(jī)物DOC）作為營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行快速繁殖［9］， 并形成菌落（生物膜）吸附在膜表面， 從而減少膜組件的有效膜面積， 進(jìn)一步影響膜系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)和水量。 典型的混凝沉淀、 氣浮、 過(guò)濾和殺菌等工藝無(wú)法去除原海水中的DOC［9］， DOC 的存在是反滲透膜組件出現(xiàn)有機(jī)物污染和生物污染的主要原因。

生物過(guò)濾器是一種以活性炭或無(wú)煙煤為濾料的壓力式過(guò)濾器， 屬于單層濾料過(guò)濾器， 與傳統(tǒng)的介質(zhì)過(guò)濾器在結(jié)構(gòu)上無(wú)太大差異， 但在設(shè)備運(yùn)行上有一定的區(qū)別： ①一般作為傳統(tǒng)介質(zhì)過(guò)濾器的后置處理設(shè)備， 進(jìn)水濁度要求不大于1 NTU； ②濾料高度為0.6 ～1.4 m； ③過(guò)濾速率為5 m／h 左右， 停留時(shí)間為7.5 ～60 min； ④過(guò)濾器中水體含氧量控制在5 mg／L 左右； ⑤反洗強(qiáng)度與過(guò)濾速率一致。 以上多個(gè)運(yùn)行參數(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)介質(zhì)過(guò)濾器， 目的是使海水中的微生物在多孔型濾料上形成菌落和生物膜，利用多種菌類對(duì)水中的DOC 進(jìn)行氧化處理， 以實(shí)現(xiàn)降低水中有機(jī)物含量的目的。

Naidu 等［9］采用活性炭作為濾料進(jìn)行試驗(yàn)， 原海水進(jìn)水濁度為0.68 NTU 左右， DOC 質(zhì)量濃度為1.85 mg／L 左右， 活性炭有效粒徑為0.41 mm， 過(guò)濾速度為5 m／h， 濾床高度為0.6 m， 停留時(shí)間為10.8 min， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明DOC 的去除率可達(dá)60%以上。 Hu 等［10］采用活性黏土和沸石作為濾料， 平均粒徑為0.5 ～2.5 mm， 濾床高度為1.4 m， 溶解氧質(zhì)量濃度為5 ～6 mg／L， 在停留時(shí)間為30 min 時(shí)，AOC 和DOC 的去除率分別為40%～49% 和35%～45%。 Chinu 等［11］分別采用活性炭和無(wú)煙煤作為濾料進(jìn)行裝置性能模擬， 試驗(yàn)裝置采用內(nèi)徑9.5 cm和高度150 cm 的透明有機(jī)玻璃管為殼體， 活性炭有效粒徑為0.3 mm、 過(guò)濾速率為10 m／h， 無(wú)煙煤有效粒徑為1.0 mm、 過(guò)濾速率為5 m／h， 濾床高度均為0.8 m， 每天進(jìn)行反洗， 當(dāng)平均進(jìn)水濁度為1 NTU 時(shí)， 無(wú)煙煤和活性炭過(guò)濾器的產(chǎn)水濁度分別為0.2 ～0.3 NTU 和0.28 ～0.31 NTU， 膜污染傾向指數(shù)在裝置運(yùn)行前20 h 內(nèi)分別 由0.22 降到0.12，以及由0.35 降到0.21。

1.4 電絮凝

電絮凝技術(shù)是以消耗型金屬（如鋁、 鐵等）作為電極， 在直流電的作用下， 陽(yáng)極被溶蝕并電解氧化成金屬陽(yáng)離子Al3＋、 Fe3＋、 Fe2＋， 在水中發(fā)生一系列的水解、 聚合作用形成羥基絡(luò)合物、 多核羥基絡(luò)合物和氫氧化物絮凝劑， 與待處理的水混合均勻后，水中的膠體雜質(zhì)、 懸浮雜質(zhì)脫穩(wěn)并凝聚； 同時(shí)， 在電化學(xué)作用下， 陽(yáng)極和陰極產(chǎn)生的氣體形成微小氣泡， 并吸附在絮凝體上， 使絮凝體上浮并達(dá)到分離的效果［12］。

一個(gè)完整的電絮凝裝置主要由電極板、 耐腐蝕殼體、 布水裝置、 集水裝置和供電電源等組成， 極板多采用性價(jià)比高的鋁板或鐵板。 根據(jù)電極板連接方式的不同， 可以將電絮凝裝置分為單極式、 雙極式和組合式。 供電電源多采用“供電－斷電－供電”不斷重復(fù)的脈沖式供電方式， 同時(shí)采用自動(dòng)周期換向的輸出方式， 以解決在傳統(tǒng)電絮凝技術(shù)中存在極板鈍化問(wèn)題。 影響電絮凝裝置處理效果的因素主要有： 原水水質(zhì)、 電極材質(zhì)、 極板間距、 電流密度、 脈沖波形、 停留時(shí)間、 原水pH 值、 原水溫度等。

電絮凝裝置在提供與化學(xué)藥劑絮凝同等功能的同時(shí)， 還能夠去除水中的藻類、 細(xì)菌及重金屬等雜質(zhì)。 該技術(shù)已經(jīng)在生活污水、 工業(yè)廢水、 含油污水等方面有著廣泛的應(yīng)用。 近些年來(lái)， 電絮凝技術(shù)在海水預(yù)處理方面也有較為深入的研究。 Timmes 等［13］采用電絮凝技術(shù)作為某軍用凈化水裝置中超濾系統(tǒng)的前置工藝， 試驗(yàn)裝置采用鐵板作為極板， 極板規(guī)格： 寬×高×厚＝19.050 cm×50.800 cm×0.318 cm，水力停留時(shí)間為40 s， 上升流速為18 m／h， 電流密度為19A／m2， 在處理進(jìn)水濁度為17 NTU、 pH 值為8、 總?cè)芙夤腆w物的質(zhì)量濃度為33 000 mg／L 的海水時(shí)， 發(fā)現(xiàn)經(jīng)電絮凝處理的試驗(yàn)組減緩了超濾工藝的膜污染， 且出水效果更好， 跨膜壓差控制在41 kPa 左右。 Hakizimana 等［14］使用電絮凝作為膜法海水淡化系統(tǒng)的預(yù)處理技術(shù)， 并對(duì)水中的硬度、 微生物和有機(jī)物的去除率進(jìn)行了研究， 通過(guò)電絮凝試驗(yàn)裝置的處理， DOC 去除率高達(dá)70.8%， 吸光度下降89.7%； 在電流密度為11.2 mA／cm2， 停留時(shí)間為10 min 的條件下， 微生物可以得到完全去除， 但硬度去除率只在10% 左右。 Zhang 等［15］研究了電絮凝技術(shù)在苦咸水和海水預(yù)處理中對(duì)二氧化硅的脫除效果， 試驗(yàn)結(jié)果表明使用鋁板作為極板比采用鐵板會(huì)獲得更高的二氧化硅去除率， 苦咸水中的二氧化硅去除率最高可達(dá)90.2%， 海水中的二氧化硅去除率最高可達(dá)60.7%； 同時(shí)， 當(dāng)苦咸水中二氧化硅的質(zhì)量濃度在28 mg／L 時(shí)， 可以獲得最佳的去除效果。

2 技術(shù)對(duì)比

上述分別介紹了纖維束過(guò)濾器、 陶瓷膜、 生物過(guò)濾器、 電絮凝技術(shù)的基本原理、 運(yùn)行工藝、 當(dāng)前研究進(jìn)展以及優(yōu)缺點(diǎn)。 現(xiàn)對(duì)這幾項(xiàng)技術(shù)與典型的技術(shù)進(jìn)行對(duì)比， 內(nèi)容詳見(jiàn)表1。

表1 反滲透海水淡化預(yù)處理系統(tǒng)的非常規(guī)技術(shù)對(duì)照Tab. 1 Performance comparison among unconventional pretreatment technologies for reverse osmosis seawater desalination system

3 結(jié)語(yǔ)

季節(jié)性變化、 潮汐運(yùn)動(dòng)以及人類活動(dòng)等不利因素將導(dǎo)致原海水水質(zhì)惡化， 對(duì)系統(tǒng)造成沖擊和影響， 作為反滲透裝置的前置處理， 預(yù)處理系統(tǒng)承擔(dān)著減輕這一影響的作用。 這就要求設(shè)計(jì)者在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工藝路線選擇時(shí)， 應(yīng)充分考慮各種不利因素， 為每個(gè)處理裝置的處理負(fù)荷留有冗余。 合理的預(yù)處理系統(tǒng)既要滿足功能性要求， 又要從選材便捷性、 運(yùn)行維護(hù)和經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行綜合考慮。

纖維束過(guò)濾器、 陶瓷膜、 生物過(guò)濾器、 電絮凝裝置在技術(shù)成熟度、 市場(chǎng)占有率和應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性方面與常規(guī)技術(shù)相比都有較大差距。 相信隨著技術(shù)研究的不斷深入和工藝制造水平的持續(xù)發(fā)展，這些技術(shù)會(huì)逐步應(yīng)用到反滲透海水淡化的研發(fā)領(lǐng)域和工程案例中。