热法海淡浓盐水用于膜法工艺的中试研究

张 波，吴 冰，张 达，牛建利

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200）

1 背景概述

某钢铁公司拟建设热膜耦合海水淡化设施，进水使用热法海水淡化浓盐水。为了更科学、严谨地评价超滤+反渗透技术在本工程上的适用性，并确认、优化预处理以及脱盐系统的设计，在项目实施前针对实际水源进行了为期3个月的中试试验，评价合适的预处理方法，测试反渗透系统出水水质，同时为将来系统的设计、调试、运行提供基础数据。

2 中试工艺流程

中试用浓盐水通过管道输送到中试装置。中试装置由冷却装置、海水箱、多介质过滤器、清水箱、超滤、超滤产水箱、反渗透、反渗透产水箱等主要设备组成。热法浓盐水首先通过冷却塔降温，然后进入砂滤装置，砂滤作为超滤的预处理降低浓盐水的浊度，然后进入超滤，去除胶体及悬浮物，最后反渗透装置进行脱盐。设计的产水量为2 t/h，系统回收率40%，产水氯离子浓度小于200 mg/L。中试工艺流程见图1。

图1 中试工艺流程图

3 中试情况统计分析

3.1 进水情况

中试期间进水pH和水温变化趋势如图2和图3所示。pH值比较稳定，波动较小，基本在8~8.2。而水温波动比较明显，当热法海水淡化调整产水负荷时，热法浓盐水的水温也随之波动，即试验装置进水水温波动。从图2和图3可以看出，进水温度一般高于40℃。该温度已经超过行业常用超滤膜及反渗透膜的耐受温度，因此需要前置冷却设施进行降温处理。

图2 进水水温和pH值情况

图3 进水水温分布图

中试期间进水电导率和浊度皆有较大幅度变化，电导率在55~60 ms/cm波动。进水浊度平均约20 NTU，一般介于10~30 NTU。但不稳定，浊度低时可小于10 NTU，浊度高的时候达到110 NTU。

3.2 冷却塔降温效果

中试期间环境温度在-5~10℃，初始温度在37~44℃变化，平均温度41℃。冷却塔降温效果比较明显，在未开风机的情况下，水温可降低6~8℃，即进水水温降低至35℃以下。

3.3 多介质过滤器运行效果

多介质过滤器预留混凝剂投加点。运行初期，多介质过滤器未投加混凝剂，其进水及出水的水质如图4所示。原水进水浊度平均约20 NTU，一般介于10~30 NTU，产水浊度在5~10 NTU。在进水浊度有所升高时（30~100 NTU），多介质过滤器的产水浊度随之升高，但仍介于5~20 NTU，大部分时间仍小于10 NTU，过滤器稳定运行，反洗频率略有增加，超滤设施运行情况良好，跨膜压差未见显著变化。

图4 多介质过滤器对浊度的去除效果

后期进行了多介质过滤器投加混凝剂的试验，选择聚合氯化铝作为混凝剂，投加量为1.5 mg/L。与不投加混凝剂相比，出水浊度明显降低，并维持在7 NTU以下。

根据以上分析，在该水质情况下多介质过滤器可以在不投加混凝剂的条件下运行。但中试期间正处于冬季，而海水的悬浮物、浊度及有机污染物在夏季均会有所升高。为了系统安全起见，药剂投加系统应作保留。

3.4 超滤运行效果

中试期间，超滤系统进水平均浊度3 NTU，出水浊度小于0.1 NTU，且运行稳定。超滤出水浊度SDI15基本在1 NTU以下，维持在0.5 NTU左右。

为了测试了超滤装置在不同通量下的性能，采用逐步升高产水通量的方式。试验前，超滤装置的跨膜压差为22 kPa。产水通量设置为58 LMH，运行一周后跨膜压差增长至41 kPa，EFM清洗后跨膜压差可降至22 kPa。产水通量设置为70 LMH时，运行一周后跨膜压差可增加至46 kPa，EFM清洗后仍可降低至22 kPa。当产水通量增加至80 LMH时，跨膜压差一天便升高至50 kPa以上，虽然EFM仍可大幅度降低跨膜压差，但需要频繁进行EFM，工业化生产时无法稳定运行。

超滤单元采用EFM维护性清洗，清洗药剂为次氯酸钠溶液，浓度为800~950 mg/L，每一次清洗时间约1 h，清洗频率根据跨膜压差数值，基本每周1次。每一产水周期经过清洗后，跨膜压差（TMP）可以恢复至初始值20 kPa左右，清洗恢复效果较优。随着运行时间的增加，超滤的跨膜压差在EFM清洗后也随之升高，即EFM无法满足正常需求，在运行3~5个月后需要进行CIP化学清洗。CIP化学清洗时采用先碱后酸的方式，为保护超滤膜，pH值控制在1~13。

3.5 反渗透运行效果

中试期间，反渗透单元进水水温、压力和电导率情况如图5所示。由于进水电导率和水温的变化，反渗透系统进水压力在62~65 bar。

图5 反渗透进水温度、压力和电导率变化

由于进水水温和电导率的变化较大，反渗透产水水质也呈现较大波动，但基本维持在800 us/cm以下。

反渗透产水氯离子浓度绝大部分在150~250 mg/L波动，77%的数据点在220 mg/L以下。pH较稳定，在7左右。

4 对工程化应用的指导性意见

1）根据中试结果，多介质过滤和UF单元可以对反渗透脱盐单元具有很好的预处理作用，使反渗透系统运行稳定，认为该流程基本可行。

2）多介质过滤单元中试采用无烟煤和石英砂双滤料，滤速7.1 m/h。试验效果对浊度有很好的去除效果，且不需要投加混凝剂。10 000 t/d系统，如果采用过滤器的话，滤速按照7~10 m/h计算，预计需要直径4 m的过滤器10~14台。

3）UF的运行通量57.5~70 LMH均可稳定运行，建议设计通量选择小于60 LMH。维护性清洗周期5~7 d，清洗药剂采用900 mg/L次氯酸钠。化学清洗药剂采用次氯酸钠、氢氧化钠、柠檬酸和盐酸。中试UF运行方式为死端过滤，为了应对不可预见的进水水质波动，拟在工程设计上备用错流管路，使死端过滤和错流过滤都可实现。工程化应用上可采用单支膜面积80 m2或以上的膜组件，与50 m2组件相比，膜组件的数量可减少约40%，从而使占地更小，系统设计更为简便。

4）根据反渗透系统性能，膜通量越高，产水水质越优；回收率越低，产水水质越优。因此，建议回收率为40%，通量为14.32 LMH。根据各个水温的模拟计算结果和中试数据，推荐进水降温至33℃。上述结果，采用高脱盐率的反渗透膜，一级反渗透可以达到要求。

5）热膜耦合海水淡化与普通膜法海水淡化相比，具有以下优势。

进水水质较优。由于热法海淡之前已经配置沉淀预处理设施，且经过较高温度的杀菌，对挥发性有机物有较大的去除效果，在预处理上优于普通原海水。

反渗透运行压力由于热法浓缩1.38倍，其渗透压较高，高压泵电耗约增加0.07 kWh/t，其他设备电耗相当。但热膜耦合海水淡化利用了热法浓盐水的外排压力，减少了取水的电耗和投资，整体经济型优于普通膜法海水淡化。

热膜耦合海水淡化利用了热法浓盐水的温度优势，解决了北方区域冬季海水温度低而不利于膜法运行的问题。

热膜耦合海水淡化提高了整体回收率，降低了海水取水量，其浓水含盐量较高，具有更高的经济价值和使用价值。