海水淡化预处理方法比较及其特点分析

张岩岗，吴礼云，何敏，吴刚，于金旗

（1.北京首钢国际工程技术有限公司，北京 100043；2.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200；3.北京赛诺膜技术有限公司，北京 100083）

随着淡水资源的日益短缺，开发出新的淡水资源变得尤为重要。海水淡化技术已经给世界上多个国家提供了干净的饮用水，是解决水资源短缺的重要方法之一。尤其是膜法海水淡化技术，以其技术及成本优势，越来越多地被应用于海水淡化中。而海水淡化预处理技术是保证海水淡化装置可靠、长期稳定运行的关键因素之一，如何根据海水中不同污染物的性质来选择合理优化的膜法海水淡化预处理工艺成为海水淡化的关键问题。

1 海水淡化方法

海水淡化是将含盐度较高的海水转化为可供人类利用的淡水过程，其可分为两类，即热法和膜法。热法海淡又称蒸馏法，包括多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)和压汽蒸馏(VC)等；膜法海淡包括反渗透膜法(RO)和电渗析(ED)等。目前工程应用上比较成熟且已大规模应用的海水淡化技术主要是多级闪蒸(MSF)、低温多效蒸馏(LT-MED)和反渗透法(RO)。据相关资料统计，自2000年以来应用最多的是反渗透法(RO)，约占60%；其次是多级闪蒸法(MSF)，约占26%；低温多效法(MED)，约占5%。

反渗透海水淡化技术(SWRO)是一种以压力差为驱动力脱盐的海水淡化方法，以其占地小、建造周期短、操作简单、自动化程度高、比投资小、能耗相对较低等技术优势得到人们的认可，在实际工程项目中得到了越来越多的应用。近年来，我国经济迅速发展与水资源匮乏矛盾不断升级，SWRO技术有效的解决了此问题，并在我国实际海水淡化工程中不断发挥优势。我国《全国海水利用“十三五”规划》提出的总体目标是，到“十三五”末，全国海水淡化总规模达到220万吨/日以上,这必将促进SWRO技术在我国海水淡化市场的进一步发展。

2 膜法海水淡化预处理的必要性

无论超滤膜、纳滤膜，还是反渗透膜，膜的污染严重影响着膜的使用寿命。当膜污染严重时，唯有更换新膜来解决此问题，而更换新的膜产品，则需要较高的费用，提高了运行维护成本。在实际SWRO工程应用中，反渗透膜污染问题长期困扰着人们，因此，利用预处理技术来防止膜污染，以降低运行维护费用变得尤为重要。海水淡化预处理能够有效地提高系统水的回收率，延长设备的使用寿命，减少膜的清洗维护次数，以及减少清洗过程中化学试剂的用量和污染物的排放量等。

海水淡化预处理的主要目的是去除进水中的悬浮固体、细菌、微生物及大颗粒有机物质，调节进水pH和水温，防止金属氧化物及微溶盐的沉淀等，保证进水满足反渗透单元进水的要求。反渗透膜对进水水质要求较高，大多数反渗透膜厂家提出，海水进入反渗透系统要求的主要净化指标如下。

（1）反渗透系统进水SDI15不超过5，以低于3为佳。

（2）保证进水浊度低于1．0 NTU，以小于0．2为佳。

（3）水中余氯需低于0．1mg/L。

（4）尽可能减少导致膜污染或劣化的化学物质。

（5）水温在5～45℃之间。徐秀萍等对RO海水淡化性能衰减的剖析及事故案例分析，结果显示由于预处理效果不好导致膜污染引起的反渗透膜元件性能衰减约占总因素的77% ，膜元件的机械损坏仅是次要因素。

反渗透海水淡化传统预处理方法有消毒、凝聚和絮凝、多介质过滤、加氯杀菌、保安过滤等。传统预处理方式工序多、占地大、成本高、处理效果较差，特别是传统的处理方式对细菌、胶体等去除效果差，不能满足反渗透进水的水质要求。随着膜过滤技术的发展，新的预处理技术越来越多的应用到反渗透海水淡化技术当中，膜法预处理技术作为一种新的海水淡化预处理技术逐渐得到人们的广泛认可。近年来，随着超滤工艺不断的发展以及超滤膜成本的降低，其逐渐被广泛的应用于海水淡化预处理中。由上述可知，膜法海水淡化工艺对预处理效果的要求相对较高，寻找适合海水来水水质的预处理方法势在必行。

表1 我国四个海域海水水质

3 膜法海水淡化预处理技术分析

SWRO海水淡化预处理技术包括混凝、沉淀、气浮、过滤等常规水处理技术和膜法预处理技术等。

3.1 海水水质分析

海水的来水水质及处理水的用途两者从根本上决定了预处理方法的选择。本文基于大量技术文献资料，分析了我国近海海域（渤海、黄海、东海、南海）的海水水质，给出了四个典型区域的主要水质参数，并对水质进行了分析，详见表1。

对海水水质的分析结果如下。

（1）水温：渤海、黄海和东海月均海洋表层水温2月最低，8月最高，季节变化显著；南海月均海洋表层水温1月最低，6月最高，季节差异不大。渤海、黄海和东海年均海洋表层水温分别为12．4℃、16．6℃和22．1℃，；南海为 27．8℃。

（2）pH值：均在8左右，偏碱性。

（3）藻类：夏季较高。

（4）悬浮物：11．8～ 104．9mg/l，其中浙江玉环海域悬沙含量高造成悬浮物较高，悬沙中值粒径季节性变化明显，夏季中值粒径（0．039～0．051mm）明显大于冬季（0．002～0．0029mm），这与大范围的浙江沿岸流引起的泥沙运动有关。

（5）盐度或TDS：30～37g/L，其中南海盐度最低，黄海最高。

（6）Na+：9400～10000mg/L；K+，350～500mg/L。

（7）硬度：较高，其中95%以上为永久硬度。

（8）CL-：14700～ 18600mg/L，SO42+：2500mg/L左右。

（9）CODMn：较低，1 ～ 3．2 mg/L。

（10）石油类：较低，小于0．15mg/L。

3.2 海水淡化预处理工艺分析

目前，国内海水淡化项目的预处理工艺主要为以下三种基本组合工艺。

（1）直接混凝+机械过滤。该预处理组合工艺流程较简单、占地省、过滤面积大，设备结构简单、操作难度不大，但处理效果较差，主要用于去除来水大颗粒悬浮物、藻类和浊度等，一般用于来水水质较好的中小规模项目。运行此预处理工艺具有代表性的大型项目是山东石岛工程，项目地点位于胶东半岛南岸，设计规模5000m3/d，预处理仅用机械过滤。

（2）反应沉淀池+机械过滤。海水淡化原水采用比较浑浊的水时一般会设置反应沉淀池，通过反应沉淀池的絮凝、沉淀，将大颗粒悬浮物质去除掉，后进入机械过滤去除较小的悬浮物质后进入后续膜单元。早期的海水淡化项目多采用这种工艺，如华能威海电厂项目，其设计规模2500m3/d，为海边发电厂解决缺水问题找到了一条合理化道路。

表2 常规海淡预处理工艺比较

（3）反应沉淀池+超滤（微滤）。超滤是在较高膜通量下运行的膜过滤技术，其可制备出的水质，明显高于多介质过滤产水，是一种行之有效的海水淡化前处理技术。华能玉环电厂、乐清电厂及天津十万吨项目均运行超滤（微滤）作为预处理工艺。在项目应用中，超滤（微滤）具有占地面积小，产水浊度和SDI15易控制等诸多优点，是海水淡化预处理工艺的首选。

3.3 常规海水淡化预处理技术比较

国内常用的海水淡化预处理工艺技术有：以Veolia为代表的高效混凝沉淀池类，以Degremont为代表的高密度澄清池类，卧式过滤器，组合工艺如气浮-沉淀池、气浮-滤池等。根据相关文献及网络资料，主要预处理技术比较见表2。

由表2海淡预处理工艺对比分析，可得出如下结论。

（1）五种工艺均能满足超滤膜进水水质要求，以卧式双介质过滤器出水水质最优。

（2）气浮-沉淀池和卧式双介质过滤器耗电量相对较低，气浮-沉淀池运行管理复杂。

（3）除气浮-滤池外，其余四种工艺均具有较高的抗冲击负荷能力；高密度澄清池对低温低浊水有较好的处理效果；气浮-沉淀工艺对温度第、浊度低、含藻量高的原水有较好的处理效果。

（4）卧式双介质过滤器无需加药；气浮-沉淀池和高效混凝沉淀池仅需投加混凝剂，助凝剂投加量较少或可不加；高密度沉淀池加药量大，易发生药剂过量现象且投加的助凝剂有穿透超滤膜的可能；气浮-滤池的气浮效果与加药量直接相关，较难控制。

3.4 膜法预处理技术分析

膜法预处理主要包括微滤(MF)、超滤(UF)和纳滤(NF)三种。

微滤是一种以压力为驱动的膜分离技术，它可将悬浮物、细菌、部分病毒及大尺寸胶体分离，微滤膜的孔径一般为0．05～5μm。采用微滤作为预处理具有对水质波动适应性强、占地面积小等优点。天津膜天膜工程技术有限公司自主研制的连续微滤工艺产水水质浊度≤0．1NTU，SDI15≤3，保证了反渗透膜的进水水质。

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，超滤膜的孔径范围为0．01～0．1 μm，介于纳滤和微滤之间，可直接去除病毒、病原体及有机大分子，胶体硅去除率可达99%。其具有抗胶体污染和有机污染性能强、膜的机械性能稳定等特点，使用寿命可达5～7年。当超滤作为反渗透的预处理阶段时，可提高反渗透产水量10%～20%，膜的平均寿命可提高2～3年。由于超滤膜低廉的价格及良好的处理效果，目前被广泛应用于海水淡化预处理领域。

通过膜的运行工艺及工程实际应用业绩来看，内压式超滤膜无法适应水质水量变化的冲击。在进水浊度＜5NTU以下时，可采用全流量过滤；当进水浊度超过10NTU以上时，则需采用错流过滤。此运行方式使膜过滤系统日常运行工艺繁琐，增加了系统的不安全性和不稳定性。而外压式超滤膜对进水水质水量适应范围则比较广，对水中的悬浮物、微生物、有机物等适应范围比较宽；采用外压式超滤膜能更好的适应原水的突然变化冲击如悬浮物、藻类、有机物的影响。

纳滤是自20世纪80年代末开始发展起来的一种新型的介于超滤和反渗透之间的膜分离技术，纳滤膜的孔径大小约为1nm，在超低压下(0．1MPa)仍能工作，并有较大的通量。纳滤膜的特点是对Ca2+、SO42-等二价离子有很高的去除率，可用于水的软化，而对一价离子的去除率较低。纳滤膜对有机物有很好的去除效果，故在微污染水源的饮用水处理中有广阔的应用前景。海水淡化与纳滤结合可以降低海水的高硬度，还可以降低进入反渗透膜组件的海水盐度，提高了海水淡化回收率。

4 国内应用情况分析

据中国水利企业协会脱盐分会统计，至2015年12月，国内建有海水淡化项目139个，规模达102．65万吨/日。下面以几个典型项目为例介绍预处理工艺在我国海水淡化中的应用。

（1）华能玉环电厂海水淡化工程。项目建成于2006年，产水设计规模3．5万吨/天。该项目位于浙江省台州市，地处浙东南沿海的乐清湾东岸，为高含沙区，悬沙中值粒径为0．003～0．0052 mm。海淡原水水质：pH=8．0，悬浮物 105mg/L，TDS=37．13g/L，总硬度 52．13mmol/L。

该项目预处理工艺采用混凝澄清+超滤工艺，海水淡化系统采用双膜法（超滤+反渗透）。工艺流程描述：首先，向原海水加入次氯酸钠进行杀菌、消毒，去除藻类等，后经反应沉淀池完成混凝澄清去除大颗粒悬浮物质等，后进入超滤系统去除掉大部分胶体和悬浮物，最后进入反渗透脱盐。超滤采用的是加拿大Zenon的超滤膜，为浸没真空抽吸式。

工程项目运行几年后，存在超滤膜污堵的问题，这主要是因为反应沉淀池的产水自流到超滤膜池，而其稳定性会受到潮差及温度变化的双重影响，当反应沉淀池运行不稳定时，絮凝产物直接进入膜池，堵在超滤膜表面，造成膜污染，然而超滤产水水质一直是稳定的。对膜污堵物进行化学分析可得：铁68．46%；硅，11．26%；铝，5．59%；锰，3．25%；磷，2．31%；氯，2．42%；钙，2．01%。为使反应沉淀池出水稳定，采取的措施有：① 反应沉淀池增加回流装置，根据实际情况调整反应沉淀池排泥量；② 定期使用非氧化杀生剂对反应沉淀池进行杀生和粘泥剥离；③ 在超滤配水槽加盐酸，加絮凝剂，调整来水pH值等。

（2）曹妃甸北控阿科凌膜法海水淡化项目。项目建成于2011年，产水设计规模为5万吨/天。项目位于河北省唐山市曹妃甸新区，地处渤海湾的清洁海域，水质略好于渤海湾其他区域。海水取水采用水渠水面下取水方式，并在取水泵房设置自动滤网，以去除海水中的大颗粒物质。预处理采用浅层气浮+超滤工艺，浅层气浮可去除海水中的浊度、石油类和藻类等，保证后续超滤进水安全；超滤之前设置自清洗过滤器，过滤精度150μm，超滤采用德国莹格超滤膜元件。

（3）青岛百发海水淡化项目。项目于2012年建成，产水设计规模为10万吨/天。预处理采用微孔过滤器+超滤工艺。海水取水采用海床式取水，取水泵站的廊道上设置细格栅，去除直径大于5mm的悬浮物质。预处理采用过滤精度为100μm的微孔过滤器，在静态混合器处投加三氯化铁，以除去细小悬浮物。经微孔过滤器后进入超滤，超滤设计进水总悬浮物浓度25mg/L，设计最小悬浮物去除率91%。

以上三个项目地点分别位于我国的东海、渤海和黄海，采用的预处理工艺都以超滤为终端工艺，但超滤之前的工艺由于海水来水水质、取水方式、地质与气象条件不同而不尽相同。采用何种海水预处理工艺应根据具体情况，通过试验获得方案选择及设计的依据资料再确定，以保证海水淡化设备的正常运行，降低投资成本和运行成本。

5 结语

通过对海水淡化预处理方法的比较及特点分析，得出如下结论。

（1）近年来，我国近海海水水质污染严重，整体来说，海水中悬浮物和浊度高，含有大量的有机物、微生物、细菌和藻类。海水淡化预处理效果的好坏是保证后续RO膜单元长期稳定运行的关键所在。

（2）常用的传统海水淡化预处理技术有：高效混凝沉淀池、高密度澄清池、气浮-沉淀池、气浮-滤池和卧式双介质过滤器等。传统海水淡化预处理技术对海水的预处理效果不如膜法预处理技术。

（3）大量的试验和工程项目表明，超滤与上述常规工艺组合或单独用在膜法海水淡化预处理中是可行的。超滤具有抗冲击能力强、不易受进水水质变化影响、抗污染性能较强、产水水质稳定和对铁也有较好的去除效果等优势；其系统出水污染指数SDI15＜3，出水能完全满足反渗透的进水水质要求，有效保证反渗透系统的安全运行。

（4）对于超滤来说，随着技术的发展，制造成本的降低，新的膜材料的开发，能耗的降低以及工艺过程的不断完善，其所具有的高效、节能等优势日益显现，必将得到更大的推广和应用。

针对我国膜法海水淡化预处理系统，提出以下建议。

（1）我国海水淡化预处理系统没有相应的技术规范，系统设置随意性较大，出现问题后无法设置相应的手段，建议相关部门及行业专业人士制定相关技术规范。

（2）建立各海域海水水质数据库，重视对海水水质的分析，并研究海水调质，如对加酸调pH的作用重新分析、研究和评价等。

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