摘要: 该文介绍了超滤技术 ,分析了超滤技术应用于海水淡化预处理的技术优势 ,考察了超滤系统在反渗透海水淡化预处理工程中的运行情况.实验采用 50 ku和 10 ku聚砜中空纤维膜组件 ,讨论了超滤膜孔径、操作压力、过滤时间对预处理出水浊度、COD(Cr)和膜过滤通量的影响 ,分析了超滤系统出水污染指数(SDI)随时间的变化情况.
关键词: 超滤;海水淡化预处理; 浊度;COD(Cr) ;SDI
中图分类号: TQ 028.8　　　文献标识码: A
Application of Ultrafiltration in Pretreatment of Seawater Desalination
LIUJi2quan , 　FANGJian2hui , 　DENG Ying, 　SHILi2yi
(School of Sciences, Shanghai University, Shanghai 200444 , China)
Abstract: Ultrafiltration techniques are introduced in this paper. Advantages of ultrafiltration applied in the pretreatment of seawater are analyzed. During pilot testing, influence of different MWCO ultrafiltration membrane, operation pressure and filtration time on the removal of turbidity, COD(Cr) and filtration flux is
investigated using 50 ku and 10 ku polysulfone hollowfiber UF membrane. SDIof UFfiltration was measured
against time to evaluate performance of pretreatment systems.
Key words: ultrafiltration; pretreatment of seawater; turbidity; COD(Cr) ; SDI
反渗透(RO)海水淡化作为解决淡水资源危机的有效途径之一 ,已经在许多国家和地区得到了广泛的应用.在反渗透海水淡化工程中 ,预处理是一个必不可少的步骤.预处理的目的是除去原水中的悬浮固体、微生物和细菌 ,调节进水 pH 值和水温 ,防止金属氧化物和微溶盐的沉淀等1 - 3 ,使进水达到反渗透进水要求.反渗透海水淡化常规预处理方法有加氯杀菌、在线凝聚和絮凝、多介质过滤、加酸调节pH值、加防垢剂和还原剂、保安过滤等.传统预处理中的多介质过滤器和筒式过滤器并不能完全去除胶体和悬浮物质 ,出水水质会产生波动4 ,另外传统的加药处理方式会对反渗透膜和环境造成污染5.
超滤(UF)是一种能够将溶液进行净化、分离或者浓缩的膜法分离技术 ,它的孔径近似为 0. 002～0.200μm,
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介于纳滤和微滤之间 ,可以截留相对分子 量为10 ～10 的物质6-7 .超滤技术应用的历史虽不长 ,但因其具有独特的优点 ,已成为当今世界膜分离技术领域中的重要分支 , 并已获得了较显著的社会、经济和环境效益8 .
超滤可以有效除去水中的悬浮物、胶体 ,对有机物的去除效果与原水中有机物的种类和分子量分布有关 ,一般来说 ,超滤对大分子量的有机物去除效果较好9 .本工作对超滤技术在反渗透海水淡化预处理中的应用作了初步研究.
1 　实验部分
1.1 　预处理工艺流程设计
在确定海水淡化给水预处理工艺流程时 ,主要根据待处理的海水水质来选择合适的处理工艺 ,同时考虑使用地点、方式、管理水平以及反渗透海水淡化膜的性能等因素 ,做到既降低成本、简化操作 ,又能满足反渗透进水的水质要求.
超滤作为一种新型的反渗透海水淡化预处理方式 ,与常规预处理相比 ,具有设计易于标准化、操作易于自动化、无需连续投入化学药剂、可降低能耗和人力等优点.超滤可取代传统的加次氯酸钠杀菌、凝聚、澄清、过滤等步骤1
.由于超滤出水水质好 ,用超滤作为预处理 ,可以提高反渗透膜元件的设计流量 ,延长反渗透膜元件清洗间隔时间 ,降低其清洗强度和清洗难度 ,延长反渗透膜元件的使用寿命3 .本预处理工艺采用了超滤技术.
海水淡化预处理实践工程建在宁波市镇海七里屿海岛上 ,海水中总悬浮固体量在 1 500～4 000mgΠL之间.为了减轻超滤组件工作负荷 ,减少膜的冲洗和清洗频率 ,延长膜使用寿命 ,超滤组件前设置了斜板沉降系统和砂滤过滤器 ,以降低超滤进水的浊度和污染程度.由于超滤对小分子的有机物去除率低 ,所以超滤出水又经碳滤 ,以吸附小分子的有机物.预处理工艺流程如图1 所示.
超滤膜采用大连天邦公司生产的BW型聚砜中空纤维超滤膜组件 ,截留分子量(MWCO) 为50 ku和10 ku.超滤系统采用5 支膜组件并联 ,错流、内压式的过滤方式 ,设计流量为 1. 5 tΠh. 超滤膜组件前用50μm的叠片式过滤器作为保安过滤器 ,工艺流程如图2 所示.
斜板沉降槽处理量为4 tΠh左右 ,满足预处理系统的要求;海水经斜板沉降槽、砂滤和叠片式过滤器初步除浊后 ,浊度降至 10～50 NTU.经超滤处理后 ,海水浊度可降到0.1 NTU 以下 ,完全符合反渗透进水要求 ,同时 COD(Cr)值也有一定程度的下降.对于超滤不能去除的小分子天然有机物 ,后置活性碳过滤器可以将其吸附除去.
1.2 　实验水质
实验研究用水为宁波市镇海区海水 ,实验阶段水质指标见表1.
1.3 　分析方法
WTW Cond 330i 型电导率ΠTDS测定仪(德国)测定电导率和溶解性总固体(TDS) ;HACH2COD测定仪(美国)测定 COD(Cr) ;HACH浊度仪(美国)测定浊TM度;罗迪 EZ SDI 型全自动 SDI 仪(美国)测定 SDI;PHS23B 型 pH 计(上海理达)测定 pH 值;重量法测定悬浮固体;络合滴定法测定总硬度.
2 　结果与讨论
2.1 　超滤膜孔径对预处理效果的影响
实验采用MWCO为 50 ku 和 10 ku 的超滤膜来考察膜孔径对预处理效果的影响. 过滤采取恒压、错流的方式.通过实验结果分析了超滤膜截留分子量对出水水质以及膜过滤通量的影响.
2.1.1 　两种超滤膜对浊度去除效果的比较
实验过程中超滤进水浊度为 10～50 NTU ,操作压力维持为 0. 1 MPa. 两种膜对浊度的去除效果如图3 所示.从实验结果可以看出 , 两种膜的出水浊度相差不大 ,截留分子量为 10 ku 的膜比截留分子量为50 ku的膜平均出水浊度稍低 ,但二者出水浊度均小于 0. 1 NTU ,都能满足反渗透海水淡化的进水要求.
2.1.2 　两种超滤膜对 COD(Cr)去除效果的比较
在0.1 MPa 的操作压力下,实验对两种超滤膜的进水和出水的COD(Cr)进行分析,所得结果见图4.
海水中的有机物种类繁多且分子量分布宽 ,从机械筛分理论上讲 ,10 ku 膜比 50 ku 膜的膜孔径小 ,10 ku 的膜去除有机物的效果应该更明显一些 ,但从实验结果(图 4)可以看出 ,两种膜对 COD(Cr)去除效果相差并不是很明显 ,有些情况下 50 ku 膜对COD(Cr)去除率高于 10 ku 膜 ,这说明超滤去除有机物的主要机理不是简单的机械筛分作用 ,膜的特性如膜表面电荷、憎水性、粗糙度等是影响有机物去除效果的主要因素10 ,也就是说膜表面对有机物的吸附是超滤去除有机物的主要机理.由于实验所采用的两种膜的材料相同 ,膜性质相似 ,故它们去除有机物的效果相近.另外 ,从图4 中还可以看出 ,出水 COD(Cr)随进水COD(Cr) 的波动而波动 ,但波动幅度不大. 进水
COD(Cr)越高 ,超滤对其去除效果越好.这可能是由于引起海水 COD(Cr)值波动的主要是一些工业污染的大分子有机物所致 ,超滤能较好地去除这些有机物.
2.1.3 　两种超滤膜过滤通量比较
两种超滤膜在一定操作压力下的过滤通量情况如图5 所示.从表面上看 ,两种膜的膜面积相同 ,50ku膜的膜孔径比10 ku膜大 ,在一定的操作压力下 ,其过滤通量应该大一些 ,但事实并非如此.两种膜在压力0. 1 MPa 下运行时 ,50 ku 膜的过滤通量比 10ku 膜大 , 但在压力 0. 2 MPa 运行时 , 10 ku 膜的过滤通量反而比50 ku膜大 ,可以推测两种膜的过滤通量受操作压力的影响不相同.从图 6 中可以更明显地看出 ,10 ku膜的过滤通量随压力的增加上升较快.这可能是因为 10 ku 膜的孔径较小 ,而孔隙率大 ,其过滤通量受压力的影响较大.
2.2 　操作压力对预处理效果的影响
50 ku 的超滤膜和 10 ku 的超滤膜出水水质相差不大 ,考虑到实际应用中能耗的因素 ,选取 50 ku的超滤膜 ,做操作压力对预处理效果的实验.
2.2.1 　操作压力对出水浊度的影响
超滤对悬浮物质的主要分离机理是筛滤.在压力的作用下 ,海水中的水分子和溶质离子从高压侧透过膜到低压侧(滤液) ;而悬浮颗粒组分被膜阻挡 ,尔后以浓缩液排出.因此出水浊度主要受膜性能的影响 ,操作压力对出水浊度的影响不大(见图6).
2.2.2 　操作压力对出水 COD(Cr)的影响
操作压力对 COD(Cr)去除的影响如图 6 所示.对 COD(Cr)大致在40 mgΠL 左右的进水进行超滤处理 ,出水 COD(Cr)在 10～16 mgΠL 之间 ,COD(Cr)去除率在70 %左右 ,且出水 COD基本不受操作压力的影响.
2.2.3 　操作压力对过滤通量的影响
提高操作压力可以获得较高的渗透通量(见图7).随着操作压力的增加 ,过滤通量明显增加 ,二者基本上成线性关系.但操作压力增加会使预处理系统单位时间内的能耗增大.一般情况下超滤系统的操作压力维持在 0.1 MPa 左右 ,既能获得较高的过滤通量 ,又能使超滤系统在较低的能耗下运行.
2.3 　过滤时间对预处理效果的影响
在操作压力为0.1 MPa 下 ,用50 ku的超滤膜考察过滤时间对预处理效果的影响.
2.3.1 　过滤时间对出水浊度的影响
过滤时间对出水浊度的影响见图 8. 在过滤初期 ,随着过滤时间的增加 ,浊度逐渐下降 ,直至出水浊度相对稳定.这是因为在过滤的过程中 ,被超滤膜截留的污染物部分随着浓缩液排出超滤系统 ,部分附着在超滤膜的表面形成一层滤饼.在过滤初期 ,污染物在超滤膜表面形成的滤饼层较疏松 ,对海水中的悬浮颗粒起不到预过滤作用.随着超滤的进行 ,被截留的污染物越来越多 ,膜表面的滤饼层也越来越厚 ,滤饼层会被压得很致密 ,滤饼层的孔隙减小 ,对
污染物质起到了预过滤的作用 ,所以出水浊度会逐渐降低.当致密的滤饼层形成后 ,出水浊度相对稳定 ,不再随过滤时间增加而降低.
2.3.2 　过滤时间对出水 COD(Cr)的影响
过滤时间对出水 COD(Cr)的影响见图 8.在 6 h内对超滤出水 COD(Cr) 进行分析 ,其值在 10～35mgΠL 之间波动 ,但随过滤时间并没有明显的变化趋势.可见过滤过程中形成的滤饼层对海水中的有机物没有起到预过滤的作用 ,出水 COD(Cr)的波动主要受进水水质的影响.
2.3.3 　过滤时间对过滤通量的影响
过滤通量与过滤时间的关系如图 9 所示.随着过滤的进行 ,过滤通量逐渐下降 ,直至达到一个相对的稳定值.通量的下降并不随过滤时间的增加成正比关系 ,而是在过滤初期下降明显 ,随着过滤的进行 ,通量下降的幅度逐渐减缓 ,这主要是由浓差极化现象引起的.在过滤初期 ,被膜截留的溶质沉积在膜表面 ,致使膜表面的溶质浓度迅速增高 ,大大高于主体溶液的浓度 ,产生严重的浓差极化现象 ,所以膜通量下降较快.在实际操作中 ,应适当提高膜表面溶液的流速 ,以降低浓差极化的影响.
2.4 　超滤系统出水污染指数(SDI)监测
SDI值是表征预处理的出水中胶体和悬浮颗粒含量的有效方法之一 ,是确保反渗透等膜分离过程有效运行的重要指标.常规的预处理方法很难保证出水 SDI值小于5 ,且很不稳定.图10 是超滤系统在0 . 1 MPa的操作压力下 ,对50 ku超滤膜出水30 d内的 SDI监测数据.
超滤预处理系统的出水 SDI值在 1.5～2.0 之间 ,远远低于常规预处理方法的出水 SDI值 ,且非常稳定.此出水水质可以确保反渗透系统在高通量和高截留率下工作 ,从而提高海水淡化效率 ,降低海水淡化成本.
3 　结　论
在反渗透海水淡化工程中 ,预处理工程是一个重要环节 ,它约占总投资费用的 40 %. 而传统的预处理方式 ,由于其过程繁琐、工艺复杂 ,成了束缚反渗透海水淡化发展的一个重要因素.超滤作为一种新型的海水淡化预处理方式 ,它工艺简单、操作方便、处理效率高、出水水质好 ,是一种理想的预处理方式.在海水淡化预处理实践工程中 ,成功地运用了超滤对海水进行预处理 ,并且获得了良好的效果.
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