杭州水处理技术研发中心,膜分离技术与海水淡化和水再用 (Membrane separation for seawater desalination and water reuse),O,目录 (content),1 膜分离技术与海水淡化 1.1 海水淡化简要发展过程 1.2热法海水淡化 1.3反渗透法 1.4海水淡化的未来 2 膜分离技术与饮用水净化和纯水制备 2.1饮用水净化 2.2 纯净水的生产 2.3 软化水 3 膜分离技术与水再用 3.1 水循环回用 3.2 废水处理 3.3 污水回用 4 结语,摘要 (Abstract),简述了海水淡化和水再用在扩大水资源和水资源保护中的重要性。对目前成熟的海水淡化过程，如多级闪蒸和低温多效进行了简介，对反渗透进行了重点介绍。 膜分离技术已成为纯水和软化水制备的通用技术。 水再用包括工业废水处理和回用以及城市污水资源化等。在国內外，膜分离技术在许多领域的中的应用已广为普及，有些过程已成为标准的单元操作，产生明显的环境和经济效益。 随着膜分离技术的不断进步，它在海水淡化和水再用中的作用会越来越大，在扩大和保护水资源方面的贡献会越来越突出，也会对节能、降耗和减排工作有所促进。,压力驱动膜(PDM)原理图,1膜分离技术与海水淡化,1.1 海水淡化简要发展过程 海水淡化是自古以来人们的梦想之一。 19世纪出现了浸没式蒸发器； 第二次世界大战促进了脱盐技术的发展，但仍限于多效和压汽蒸馏； 20世纪50年代，美国意识到水资源的重要战略意义，专设盐水局，30年内拨专款14亿美元研发新的脱盐技术。 1954年电渗析（ED）实用化，1957年多级闪蒸（MSF）问世，1960年反渗透（RO）获突破性进展。1975年低温多效（LT-ME）商品化； 1990年后，随着RO膜性能的提高，价格的下降，高压泵和能量回收效率的提高，反渗透法成为投资最省，成本最低的海水淡化制备饮用水的过程。 2006年脱盐水产量在4.75107m3/d以上，其迅猛增长的趋势是少见的；多级闪蒸技术占世界海水淡化装机容量的42%，反渗透技术占淡化装机容量的45%。,1.2热法海水淡化,热法海水淡化主要有MSF，LT-ME和压气蒸馏(VC)等。 1.2.1 .多级闪蒸（MSF） 就MSF技术本身近年来有所进展，但无重大突破。主要进展有单机容量进一步扩大，最高可达7.9万m3/d；多级闪蒸与水电一体化；过程集成-热膜耦合；採用新的管及蒸發室材料，试用高级奥氏不锈钢代替镍基合金；工藝改进有采用新型聚羧酸酯防垢剂，该剂兼抑垢和分散作用，可使MSF在95-110下运行，且用量少，对环境影响小；提高最高盐水溫度，增加级数和比熱交換面積及盐水循環流量；改进热回收和排热段以提高蒸发量；提高快速除霧功能和排放冷卻器功能等；运行管理方面开发了DROPS软件，可协调运行参数，使系统最佳化，并降低运行费用；延长服务期限，提高运行可靠性，减少停车维修，降低成本等等。目前MSF的能耗在10kWh/m3淡水以上。,1.2.2.低温多效（LT-MED） MED为上世纪30年代的淡化方法，由于结垢和腐蚀等问题，更由于上世纪50年代MSF的出现，使之停滞不前。尽管美、日等国家投入大量资金改进提高，但自1975商品化以来，至今市场占有份额仍不足10%。 LT-MED操作温度在60-70，使结垢和腐蚀有所减缓，可使用较廉价的材料，以降低成本。一些改进工作有：装置规模大型化，使用较廉价的新材料和新设备，强化传热管等，提高最高盐水溫度和增加效数，使用高效的热泵等可有效提高造水比和利用末效热， 水电联产和热膜耦合联产有效降低海水淡化的成本；塔式设计，混凝土外壳等。通常能耗在6-8 kWh/m3淡水，该技术在利用低品位热能造水方面有一定的市场。,反渗透具有投资省、能耗低（无相变）、建设期短、占地少的特点，是海水淡化技术中近二十年来发展最快的。除海湾国家外，美洲、亚洲和欧洲，大、中生产规模的装置多以反渗透法为首选。(SWRO has been accepted widely in America, Asia and Europe, because of its lowest investment and cost, lowest energy consumption and shorter building period. ),1.3反渗透法(SWRO ),图1-1 反渗透（SWRO）过程,取水,1.3.1反渗透膜和组器技术的进步 RO海水淡化所以具有竞争力，膜性能的提高是很关键的。 20世纪70年代海水淡化用的主要是Dupont公司的B-10芳香族聚酰胺中空纤维组件； 上世纪80年代日本东洋纺的三醋酸纤维素中空纤维组件也加入海水淡化阵列； 而目前最具发展潜力的是复合反渗透膜，自上世纪80年代商品化以来，性能不断改进提高，价格越来越便宜，使反渗透海水淡化成本不断下降，成为海水淡化的主要用膜。如203mm1016mm的复合膜卷式元件，对35000mg/L海水，5.5MPa下，25，8-10%回收率，产水量达23m3/d，脱盐率99.8%左右。1618英寸直径的海水淡化反渗透膜元件已开始进入商业化应用。,1.3.2 高效的能量回收技术 20世纪80年代，SWRO初期是用与高压泵电机主轴联动的涡轮机来回收高压浓海水的能量； 上世纪80年代后期改进为水力涡轮换能器，其优点是不必与电机主轴相联，可因地置宜，但涡轮机的效率多在60%-83%左右； 上世纪90年代中期推出了功交换器和压力交换器，效率提高到90%以上，使海水淡化的RO本体能耗在3kWh/m3以下，总能耗在4kWh/m3左右。,1.3.2 高效的能量回收技术 high efficiency of energy recovery,图13 能量回收装置,1.3.3 淡化工艺的不断改进 （1）MF和UF用于海水预处理 通过现场试验，用MF和UF对海水预处理不仅技术可行，而且也相当经济，用MF或UF可替代凝聚和过滤，由于供水水质好，RO比常规法可多产水20%，这样用膜面积少，压力容器少，管路省，占地面积小，从而投资费用低；同时RO膜清洗周期长，用试剂少，省劳力、运行时间长，其运行费用也低。 （2）提高回收率的新工艺 对海水淡化经济性分析表明，压力从5.5MPa提高到8.0MPa，使回收率从35%提高到50%以上是经济的。高回收率下，取海水量减少，预处理的设施和各种药剂用量相应减少，泵和高压泵所用电力也省，操作和维修劳力也省等。当然，要求的操作压力要相应提高，这就需要耐高压的膜元件，另外相应的工艺也应进一步改进。,（3）集成工艺 以纳滤作为预处理，实际为部分脱盐（主要是去硬度），通常可除去海水中Ca2+、Mg2+和HCO3在70%以上，除SO42在90%以上，与SWRO和MSF（LT-ME）结合，NF产水的60%经RO转化为产品水，RO浓水的80%由MSF转化为淡水，同时MSF的余热可加热NF和RO的进水。 其他集成工艺，水电联产中的和热膜耦合等，可有效降低海水淡化的成本。 （4）生态产业链 将发电、海水淡化与盐、碱联产等综合开发，是值得提倡和推广的新概念。,一级海水淡化工艺,高效 两段法,高压一级海水淡化工艺,集成工艺(膜、热、电),新的预处理 （MF/UF）,生态产业链（水、电、盐、化工,图1-4,新后处理 系统(脱硼),二级海水淡化工艺,淡化工艺的不断改进,图1-7 海水资源综合利用与电、热、汽和其他工业联产 生态产业链,最新报道(New report),美国加州Hueneme 港的海军海水脱盐试验场用FILMTEC的SW30XLE-400i膜元件,PX压力交换器试验海水脱盐,回收率43%,膜通量6gfd,能耗为6.0kWh/kgal (1.58kWh/m3)。对50MGD的工厂,设计地回收率50%,膜通量9gfd,能耗为6.93kWh/kgal(1.83kWh/m3).$0.63/m3，该试验由Affordable Desalination Collaboration(ADC) 进行。,表1.1 海水和苦咸水淡化产量,图1-8 以色列Ashkelon SWRO plant(33104m3/d),1.4 海水淡化的未来,膜法和热法两者，目前中东地区以热法为主，美、日、欧等以SWRO为主。近五年来SWRO由于投资能耗、淡化水成本等都最低，建设周期也短，在国际指标中屡屡中标，很有竞争力。在水热电联产场合（含核能）,RO、MED、集成膜法、热膜耦合海水淡化系统都可考虑；预期近几年内，大型反渗透膜元件将规范和标准化，以标准尺寸16或18英寸广泛地应用于大规模反渗透装置中；其他的方法依靠技术的创新和突破，如研究中的新海水淡化技术：膜蒸馏、正渗透和喷雾淡化等。,目前全球的海水淡化产量约4.75107 m3/d ，占世界饮用水的1%，预计下20年的产量将增加一倍，有700亿$ 的市场，近5年已有约100亿$ 的订货，产淡水5.3106m3/d。随着水资源的匮乏，水源的污染，需求的增加.海水淡化技术的应用（包括物料的预浓缩）会越来越广。,Seawater Desalination Plants in China 国内的海水淡化厂,图1-9 荣成5000吨/日海水淡化系统 5000m3/d RO seawater desalting plant in Rongcheng (2003),2 膜分离技术与饮用水净化和纯水制备,2.1饮用水净化 环境的污染影响到饮用水的质量，而人们生活水平的提高，对饮用水水质要求越来越高，世界各国都在不断改进饮用水的制备技术，对微滤、超滤和纳滤在除菌、去浊、去大分子胶体、农药、异味、激素及部分SO42-、NO3-、F-和As等方面的作用进行了肯定。 膜技术作为饮用水的预处理和深度处理随着城市化进程的加快，其作用也越来越显著，已成为保障饮用水安全的主要技术之一。家用MF、UF、NF及RO净水器已很普遍，不少自来水厂也开始采用膜技术来保证供水质量。,膜技术与饮用水净化 (purification of drinking water),MF：悬浮物、细菌 UF：大分子、病毒、胶体 NF：部分硬度、重金属、农药、激素、 As 、TXM、 SO42- RO：各种杂质 ED：去氟 MC：去挥发性物质,第一代工艺,第二代工艺,第三代工艺,图2-1,图2-2 饮用水净化-巴黎14万吨/日纳滤膜饮用水装置,2.2 纯水的生产(pure water production) 超纯水、纯水、过程用水和软化水这些都是工业生产中每时每刻都离不开的，现在大多都用最经济的膜法来制备。 反渗透可除去天然水中98%以上的盐和有机物，以及95%以上的可溶性SiO2，大大地改善了后续离子交换的工作条件，使再生用酸碱耗量减少95%左右，制水成本进一步下降，且纯水质量和稳定性有保障。近10多年来逐渐兴起RO+EDI的新工艺，EDI以电再生代替了离子交换树脂的酸碱再生，基本上实现了无酸碱化生产。,图2-3 纯水制备流程,Salt Reject 盐水,High Purity Product 高纯产品水,Salt Reject 盐水,Na+,Na+,Cl-,Cl-,Cl-,Cl-,Na+,Na+,Na+,Na+,Cl-,Cl-,Cl-,Cl-,Cl-,Na+,Na+,Na+,Na+,Cl-,Cl-,Cl-,Cl-,Cl-,Na+,Na+,Na+,Na+,Cl-,Cl-,Cl-,Cl-,Cl-,Na+,Na+,Na+,Na+,Na+,AEM,AEM,CEM,CEM,图2-4 混床型树脂填充式EDI,图2-5 从海水制备锅炉补给水,Conventional Filtration,T