高效纤维过滤用于反渗透海水淡化预处理组合工艺的优化与选择

传统的海水淡化预处理工艺由于存在着抗冲击负荷的能力差、清洗频率高、占地面积大、建设费用高等问题，已逐渐呈现出被淘汰的趋势，针对这些问题急需研究新的海水淡化预处理工艺来满足反渗透进水要求。本中试项目以河北省唐山市曹妃甸区六加煤码头港口的表层海水为研究对象，将高效纤维过滤器应用于不同的工艺对海水进行净化处理，研究了高效纤维过滤的过滤机理，并综合比较选择了处理此海域海水的最佳工艺。在强化混凝-斜管沉淀-高效纤维过滤工艺中，高效纤维过滤的进水采用强化混凝-斜管沉淀池处理，通过调节强化混凝-斜管沉淀池各项运行参数，研究发现在混凝剂氯化铁的投加量为20mg/L，进水流量为3m3/h，快速混合池搅拌速率为500转/分，絮凝池的搅拌速度依次为101转/分、81转/分、44转/分的条件下，强化混凝-斜管沉淀池的出水效果达到了最佳效果。在高效纤维过滤阶段主要对纤维过滤器的过滤精度和反洗方式进行调节，确定了加压室压力为0.07MPa，反洗方式为气+水结合清洗的方式，在运行周期内，出水的各项指标满足反渗透进水要求。在微絮凝-高效纤维过滤工艺试验中，对高效纤维过滤器的进水管道进行了改造，通过在不同运行条件下：絮凝时间（1分钟、2分钟、3分钟）、加药量（1mg/L、3mg/L、5mg/L）、过滤速度（10m/h、20m/h、30m/h），对微絮凝-高效纤维过滤的产水水质进行比较，1.1课题的研究背景21世纪人类仍然面临着着人口、资源、环境三大严重问题，然而在资源问题中，水资源的供需的极度不平衡已经严重影响到人类的生产生活和经济发展，水资源短缺已经成为一个亟待解决的问题。地球仅有的占总水量2.5%的有限的淡水资源中，大部分是难以利用的冰雪，可被人们实际利用的淡水更少仅有0.4%，而人口的剧增和工业的高速发展使淡水资源变得更加珍贵，据有关专家推断，到2025年，将有一半以上的人类生活在严重缺水的地区，现有的可利用的淡水资源已经远远不能满足人类的需求，并且已经成为制约人类发展的重要因素之一[1,2]。我国淡水资源极度短缺，排名在全球100名之后，人均占有量不足全体平均水平的一半，是世界人均水资源最匮乏的国家之一[3]。我国淡水资源分布极其不均匀，并且伴随着大量的污染，加剧了我国水资源紧缺的程度[4]，水资源的短缺已经成为制约我国经济发展的主要因素，尤其是我国的沿海地区，由于其工业化程度较高，再加上人口密集和经济的高速发展，对水资源的需求量和现有的供水量差距在逐渐加大。因此，解决沿海地区用水的问题已经迫在眉睫。1.1.1解决水资源短缺的方法由于认识到水资源的珍贵，世界上各个地区尤其是水资源匮乏的地区都在谋求和尝试解决水资源短缺的手段，在近半个世纪的探索中也逐渐发现了一些可靠的方法并应用在实践生产中，主要的方法有以下几种[5]：（1）节水水资源并不是取之不尽用之不竭的，因此节约用水一直是我国近年来为保护水资源提出来的重要口号，但效果并不是十分理想，我国的水资源浪费现象任然十分严重：农业采用粗放型灌溉方式，工业用水的重复利用率低，城市供水管网管理不善、年久失修也导致水资源流失比较严重。因此，节水虽然是我们解决水资源短缺的重要手段，但由于经济、技术以及人们节水的意识并没有迅速的跟上，短时间内不可能从根本上环节我国水资源紧缺的问题，更不能改变我国沿海地区工业带极度缺水的现状。（2）跨流域调水早在上世纪中期，毛主席就提出了这样的设想，在有关专家论证了半个世纪后，终于在本世纪初南水北调的中线工程和东线工程分别开工，目前北京居民已经用上了长江水，成效显著，取得了巨大的经济效益和社会效益，但明渠调水投资巨大、水资源蒸发量大、易受污染、占地多、需妥善处理沿程居民的移民安置问题，同时也要考虑对调水地区的径流量、生态平衡的改变以及对水量调出区的下游河口产生的咸水倒灌，水质恶化等诸多不良影响。跨流域调水也只能在中短期解决我国水资源短缺的问题，并且远程调水在实施过程中还存在诸多未知的问题，因此要从长远出发彻底改善我国水资源紧缺的局面，我们还需要寻求新的水资源。（3）开源①中水回用当前我国中水回用的主要有两种，一种主要考虑建筑内的生活污水和雨水作为中水，这类中水回用存在处理规模小，水质不稳定，水量不易控制，处理费用高等问题；另一种是“市政中水”，具备规模和经济优势，但仍存在官网和运输成本的问题限制了其发展[6]。②雨水我国雨水利用研究是从20世纪90年代发展起来的，总体来水发展比较缓慢、技术比较落后、与发达国家差距还很大，加上我国降雨分布不均、而降雨收集处理装置的成本较高，投入后回收效益不高使得雨水回收的市场推进很慢[7]。③海水淡化目前与海水淡化技术相关的产业发展迅猛，全球一半以上的国家已经在推广应用海水淡化技术。我国是一个海洋大国，但由于人们长期的认识不足，对海洋的开发程度远远落后发达国家，目前沿海地区特别是北部沿海是我国最缺水地区之一，在天津、青岛等地已建成多个较大规模的海水淡化示范性项目，很多都已经投入使用，有效的缓解了局部地区用水的紧张问题。海水淡化作为一种新兴的技术，在运行过程中不受时空的限制，也不受气候条件的影响，而且供水水源充足，淡化出水水质稳定，经过淡化后的水含盐量大大降低，不含细菌等杂质，满足人们饮水的指标，目前我国的无淡水水源的海岛用水和军舰上的用水均为淡化水，沿海地区也在积极开展大规模的海水淡化，通过就近取水进行淡化，可以使淡水总量增加，减轻我国淡水资源的负担，为沿海地区的用水提供保障。随着我国自来水价格逐渐回归到正常水平，海水淡化成本的进一步下降，以及淡化产生浓水被进一步提纯利用，海水淡化技术将为我国开辟取之不尽的淡水水源。1.1.2我国海水淡化产业的发展我国海水淡化产业起步较早，但发展较为缓慢，在近十年来飞速发展，我国已经掌握了海水淡化的技术、设备、工程和运营等各个方面，具备了全球竞争力[8]。从上世纪50年代开始，我国就开始进行海水淡化的研究，对海水淡化的各种方法都进行了探索，经过30多年的发展，我国的海水淡化技术有了质的提高，分别在舟山群岛、大长山岛、山东长岛和浙江嵊泗等地建成了多个海水淡化示范项目，并在舟山六横岛和曹妃甸等地建成多个万吨级的海水淡化站，有效地缓解了当地用水紧张的局面[8,9]。从我国已经投产的85套（1990-2012年期间）海水淡化设备采用的方法看，应用最多和最广的海水淡化方法分别是反渗透法和低温多效蒸馏法。其中，反渗透法装置72套，产水量为542.2kt/d，稳居工程数量和产水量的第一；低温多效蒸馏法装置9套，产水量为296.0kt/d，居于其后；多级闪蒸蒸馏法1套，产水量为6.0kt/d；其他海水淡化方法共3套，无论从淡化设备的数量还是产水总量上来看，采用反渗透技术进行海水淡化已经成为我国进行海水淡化的首选，并且今年来随着我国经济科技的发展，我国在海水淡化的的关键设备上已经取得质的突破，国产膜组件和能量回收装置已经在海水淡化项目中得到应用，高压泵和反渗透压力溶气罐也正在逐步占据国内市场的主导地位[10]。无论从技术还是从设备生产方面，我国已经具备了大规模发展海水淡化产业的基础。1.2课题的研究目的与意义反渗透海水淡化工艺与其它海水淡化工艺（主要为热法）相比具有能耗低、投资少、操作简单、占地面积小、建设周期短、启动运行快等独特的优势，在我国目前所有的海水淡化工艺中运用最多，正在占据我国海水淡化工艺的主导地位[11]。由于海水蕴含了大量的颗粒悬浮物、胶体、细菌、微生物、溶解态有机物和无机物以及大量的离子，这些物质在反渗透过程中对膜的伤害是致命的：海水中大量存在的钙离子、镁离子、碳酸根离子、碳酸氢根离子、硫酸根离子等极易在反渗透膜表面结垢，阻塞膜孔[12]；颗粒悬浮物、胶体、SiO2等物质也会粘附在膜表面造成堵塞[13]；微生物、细菌会侵蚀膜元件，其分泌物也会黏附在膜表面，造成膜的阻塞；由于添加氧化剂等引起的余氯、pH的变化会导致膜的氧化和水解等诸多问题。反渗透膜的进水指标由于膜不同而不尽相同，以聚酰胺膜为例，其进水指标见表1-1[14]，可以看出反渗透膜对进水水质要求较高，因此良好的海水预处理工艺是反渗透海水淡化工艺正常稳定运行的首要前提，也是延长反渗透膜的使用寿命降低治水成本的关键[15]过滤技术在反渗透海水淡化过程中占有重要的地位，是海水淡化预处理工艺的核心，当前我国传统的海水淡化预处理工艺中多采用石英砂过滤，由于过滤材料本身的限制，普遍存在滤速低；过滤精度不高；抗冲击负荷能力差；过滤压差增长快；反洗频繁，反洗不易彻底；占地面积大等诸多问题[16]，使得开展大型的反渗透海水淡化工程受到了限制，因此使用新的过滤装置或者寻求新的过滤材料应用于海水淡化预处理的研究就显得较为迫切。针对传统的石英砂过滤存在的各种不足，本实验将目前已经广泛应用于各种工业用回和生活用水的GXNS—Ⅲ型高精度纤维过滤器用于海水淡化预处理中，分别采用强化混凝-斜管沉淀-高效纤维过滤和微絮凝-高效纤维过滤两种工艺对海水进行预处理，通过探明两套工艺的最佳运行条件，考察高效纤维过滤器应用于海水净化的可行性，并进行多个周期的运行，检验其运行的稳定性，为高效过滤在大规模的海水淡化预处理工艺中的应用提供理论依据。2.1过滤工艺的研究及进展过滤是一个较为复杂的过程，它是由胶体的物化作用和流体动力学作用共同完成的，水中的悬浮物和絮体在通过过滤介质（如石英砂、无烟煤、活性炭等）时被截留下来，过滤一般是传统水处理工艺的最后阶段，对于海水淡化预处理过程中降低反渗透进水浊度和SDI15值具有不可替代的作用。2.1.1过滤工艺的发展早在远古时期人们就知道利用沙层过滤使浑浊的水变澄清，以便于使用，过滤技术最早也起源于此。早在公元前，Hippocrates就提出了使用布袋过滤浊水，以使其澄清，称这样的布袋为“希波克拉底带”。早在3000多年前，古印度和中国就有通过过滤的方式来改善生活饮水的记录[28]。第一座有记载的具有一定意义的用于给水的慢速砂滤池，建于十九世纪的英国，其早期主要功能是用于处理地表水，利用滤料表面的微生物对地表水里面的有机物等进行吸附截留，在能正常处理地表水之前需要先运行两周的时间，使滤层的滤料表面形成一层生物膜，通过生物膜的吸附截留水中的杂质，使出水水质清洁，甚至能直接饮用，但其滤速太低，只有0.1-0.3m/h，而且占地面积大，基建费用高，远远不能满足人们生产发展的需要[19,29]。19世纪末期，美国萨默维尔研究了凝聚和快滤，并于20世纪初建造了世界第一座快滤池，其滤速能达到2.5-10m/h，经过混凝沉淀预处理后的水再经过过滤，克服了慢滤池仅靠表面截污的缺陷，具有极高的应用价值，逐渐取代了慢滤池，在全球范围内得到了广泛的应用，目前全球水厂多采用快滤池，主要形式有：普通快滤池、虹吸滤池、无阀滤池等，主要的过滤介质为单层石英砂滤料，因其具有价格低、强度高、化学性质稳定、截污能力强等优势，目前仍在广泛使用。然而由于粒状滤料在筛选的过程中其粒径很难均匀一致，只能保证在滤料填装时，每一层的上的滤料的粒径是均匀一致的，整个滤层能保持较为一致的级配，但当快滤池在反洗的时候，由于水力筛分作用，滤料沿水流冲洗方向逐渐形成了粒径由大到小的排布，使得上层滤料较为细小，下层滤料较为粗大，导致了上层滤料的孔隙率小，纳污能力差，及其容易堵塞，水头损失也大，下层滤料并不能发挥作用，因此滤池的滤速和过滤效率较低，截污容量也难以提高[30]。SteinJ.Shekhtman等研究发现，在快滤池过滤过程中，穿透深度是时间的函数，原水先经过粗滤料过滤，再经过细滤料过滤是比较有效合理的过滤方式[31]。Lvies的研究也认为反冲洗造成了滤料粒径从上到下逐渐增大的滤层是不合理的，过滤的合理方式仍是先粗后细[32]。20世纪中叶，双层滤料逐渐开始应用起来，粒径较小的石英砂滤料上层再铺上粒径较大的轻质滤料，刚开始应用较多的滤料为无烟煤，后来出现了人工陶粒、人工合成纤维等材质。双层滤料滤池相比于但层滤料具有截污能力强、滤速高、过滤周期长、过滤产水水质好等优势，后来又出现了三层滤料，就是在双层滤料下铺设