国产超滤膜在海水淡化预处理中的应用分析

涂德贵

(福建省环境保护设计院有限公司，福建 福州 350002)

海水淡化即利用海水脱盐生产淡水，是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，改善水资源匮乏问题的有效措施，在世界范围内所起到的积极作用愈加突出，其工程规模也在持续扩大。现在所用的海水淡化方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法，目前应用反渗透膜的反渗透法以其设备简单、易于维护、节能和设备模块化的优点迅速占领市场，逐步取代其他方法成为最广泛的方法。在反渗透海水淡化处理工程中，预处理工艺作为一项重要的工艺环节，设备总投资中占比超过40%以上，主要包括混凝、沉淀、过滤等一系列工艺过程，流程繁琐复杂，难以满足小型反渗透海水淡化处理工程的需要。近年来超滤技术的出现，以效率高、操作便捷、工艺简单，且出水水质良好等突出优势，逐渐成为反渗透海水淡化预处理过程的主流工艺。

通常采用超滤预处理系统，其出水SDI一般小于2，相较于传统预处理方法出水SDI值更低、更稳定，具备高截留率和高通量，有效提升海水淡化处理效率的同时，能够将运营成本降到最低，具有良好的经济效益。本文基于国产超滤膜在海水淡化预处理工艺中的应用情况进行分析，并结合具体运行情况优化改进其操作工艺，实践结果表明可以取得良好的出水水质和产水量，满足海水淡化工程预期设计要求。

1 超滤膜在海水淡化预处理中的优势

超滤是一种压力为动力膜分离技术(UItrafil-tration 简称UF)。能够将溶液净化，分离或者浓缩。超滤是介于微滤与纳滤之间，且三者之间无明显的分界线。超滤膜的孔径在0.01 μm～1 nm之间，操作压力为0.1～0.5 MPa。主要用于截留分子量分布在2000～5000道尔顿的悬浮物、胶体、微粒、细菌和病毒等大分子物质，广泛应用于海水淡化预处理过程，优势特点较为鲜明，具体表现在以下几点：

(1)海水中的固体悬浮物高效截留，同时还有部分微小细菌和胶体，可以显著降低淤泥污染指数，即SDI，从而延缓反渗透装置污染和老化趋势，又能规避原海水水质改变带来的不良影响，出水水质符合预期要求。

(2)代替传统预处理工艺系统里繁琐的步骤，精简以往预处理工艺流程，超滤占地面积小，可以减少30%～40%的空间，空间利用率高，投资费用和运行成本都大大降低。加之工作操作简单、便捷，可以实现统一管理[1]。现阶段海水淡化处理对超滤膜的选择，主要将超滤膜的价格和使用寿命作为重要衡量指标，国产超滤膜在性价比方面具有一定优势，该优势成为是否采用该产品的重要影响因素。

(3)规避对环境污染破坏。以往的预处理工艺需要加入大量的水质稳定剂、杀生剂、絮凝剂以及阻垢剂等化学试剂，这些化学试剂伴随着污水排放到自然环境中，不可避免的产生不良影响。选择超滤膜技术可以减少化学试剂用量，满足海水淡化预处理需要的同时，最大程度上减少对环境的污染和破坏。

2 海水淡化预处理中国产超滤膜的应用分析

2.1 海水淡化预处理工艺中的超滤过程

海水淡化预处理工艺采用超滤膜，首先需要对预处理工艺设计中产水量设定，了解原水水质情况，投资、运营成本，并基于海水淡化反渗透系统的工艺处理要求。具体如下：基于潜水泵中取出海水，借助自清洗过滤器进行预处理，然后进入到连续超滤装置，将水中潜藏的微小悬浮物等杂质进行截留，并通过加入适量的杀生剂消灭微生物；超滤掺水输送到中间水箱后，抽取到保安过滤器进行过滤处理，然后基于高压泵、能量回收装置进入反渗透膜组件，掺水矿化处理后输送到储水设备中[2]。使用化学清洗系统来充分清洗超滤装置、反渗透装置，使用中间水箱的水来反洗超滤装置。

2.2 超滤实验设备

超滤过程一般采用CMF超滤试验装置进行，该装置主要由机架、原水罐、工作泵、反洗泵、化学清洗罐、化学清洗泵、电器控制系统、加药系统、自清洗过滤器、膜组件超滤装置等部分组成，其中超滤装置是系统预处理的关键所在。超滤装置在长期运行中，不可避免的会有大量很难清洗干净的物质，对膜组件造成污染和侵蚀，进而降低膜组件的整体性能。因此，为了保障超滤装置安全、长期稳定运行，配备了专门的压缩空气系统、化学清洗系统以及反洗系统，同时设置了加药系统，用于控制微生物滋生和繁殖，最大程度上减少对超滤膜的不良影响。结合现场具体运行调控，出水水质和产水量可以满足反渗透系统运行要求，切实提升系统运行效率[3]。

2.3 国产中空纤维超滤膜组件

国产中空纤维超滤膜组件参数:本实验采用膜天超滤膜，型号为UOT-865,该产品采用耐化学药剂性能很强的聚偏氟乙烯(PVDF)材质，膜孔径为0.03 μm，耐受pH值范围为1～10。依据实际情况选择全流过滤或错流过滤，采用外压式过滤形式，膜丝则采用复合纺丝工艺制成，中空纤维膜的膜丝外径1.3 mm、内径0.7 mm，膜丝有效过滤面积则是65 m2，纯水初期通量是膜通量范围40～100 L/(m2h)。

3 超滤装置的运行效果分析

3.1 实验试运行阶段

超滤装置在试运行阶段，依据超滤膜产品参数进行操作控制。通过CMF超滤试验装置循环往复进行处理，调整操作参数，系统运行一段时间后收集相关数据。由运行一段时间后的数据信息分析，如果控制超滤系统进水量恒定，伴随着装置运行时间推移，超滤系统的产水量不可避免的呈现下降趋势，这主要是由于膜污染原因所导致。根据系统运行参数来分析，间隔一定时间进行一次化学增强反洗，清洗后产水量显著提升，随着清洗次数的增加，产水量随之衰减，而且系统进水管与产水管压力恒定。在进行化学增强反洗处理后，系统产水量仍然无法得到提升，则需要停止系统运行，可采用化学恢复性清洗方式[4]，也可以适当提高系统操作压力，控制产水量符合要求。

从试运行数据结果来看，原水浊度高，污染大，如果仍然是严格遵循超滤膜预设操作参数，会延长化学增强反洗周期，产水量呈现快速衰减趋势，难以为系统产水量与品质提供保障[5]。因此，需停止运行进行一次化学恢复性清洗，此类情况会影响到装置运行效率。所以，积极推动国产超滤膜工艺优化设计显得十分重要。

3.2 国产超滤膜性能表现分析

为确保能够从科学、严谨的角度，对国产超滤膜技术性能进行有效测评，并验证其在海水淡化工程中的适用性。本实验采用特定海水水质作为原料海水，同时将国产中空纤维超滤膜加入CMF超滤试验装置进行综合评价，以确定所采用的国产超滤膜组件运行稳定性。

3.2.1 低温承受能力分析

海水温度变化对于预处理过程中淡化、净化环节影响较为明显[6]。尤其是北方地区，低温环境对于淡化预处理效果产生一定的负面影响。国内大多数地区冬季海水温度一般在0 ℃ 左右，本次实验过程中海水温度在3～6 ℃区间。在本次实验的温度环境中，CMF超滤试验装置能够正常运行，国产超滤膜在实验中各项参数均表现正常，可确保产生成的淡水浊度<0.2 NTU。证明国产中空纤维超滤膜组件在海水淡化预处理过程中，能够有效保障淡化效率和效果，其性能能够超越传统预处理技术。

3.2.2 海水浊度对超滤膜性能的影响

原需超滤的海水浊度是超滤膜性能的一项重要测评指标[7]。原海水浊度一般会有一定幅度的波动，在波动范围内要求CMF超滤试验装置能够正常运行，保证预处理后的浊度值基本不发生波动，能够确保超滤膜稳定运行。本次实验过程中多数时间海水浊度<9 NTU,在极端条件下能够超过80 NTU，波动幅度较大。国产超滤膜在原海水浊度波动条件下能够保证出水浊度稳定，在进行相关性分析后，证明国产超滤膜出水浊度与原海水浊度不相关。该项分析能够证明国产超滤膜在原海水浊度波动过程中表现良好，具有一定的抗浊度冲击能力。

3.2.3 安装方式的影响分析

海水淡化超滤预处理装置中，超滤膜能够实现竖直安装、水平安装2种安装方式[8]，本次实验中采用的国产超滤膜为竖直安装方式。安装前通过对竖直安装超滤膜的优势进行对比分析，相对于水平安装方式，竖直安装在超滤膜冲洗时可以进行充气，通过充气在气泡的作用下引起超滤膜膜丝振动，有利于降低清洗生成污染物的难度。水平安装的方式会导致超滤膜无法加气冲洗，同时不能使用药剂进行冲洗，易导致超滤膜运行性能降低。实验中采用的国产超滤膜采用了加气冲洗的方式，在清洗过程中体现出一定的优势。

4 超滤膜污染和控制措施

海水中的部分物质会对超滤膜产生污染，影响到产水量，具体污染物包括有机物、无机盐、胶体、固体悬浮物以及细菌等[9]。在物理、化学和机械作用下，物质与膜发生作用，在膜表面附着和沉积，容易出现膜孔道堵塞现象，导致较为严重的膜污染问题。对于氢氧化铝、氢氧化铁等胶体，基于交联有机或无机聚合物增大颗粒直径效应，可以形成凝胶态污染物，致使超滤膜性能大大下降。国内主要是基于MFI和SDI指数来衡量超滤膜进水水质和出水水质，选择电子显微镜、超声波等设备检验超滤膜表面污染情况。超滤膜表面污染物中，基于能谱分析法发现污染物中主要有硅、铝、钙、钾等物质，多是来源于石灰岩和淤泥；超声法则是检查膜污染的有效方法，敏感度较高[10]。

如果发现膜污染情况较为严重，应该对超滤膜进行适度清洗处理，保证系统正常运行[11]。在长期实践中积累了丰富的经验，通过强化过滤操作、反冲技术和改变进水水质等方式，可以显著改善膜污染问题。基于提高料液流速方式在改善膜污染问题方面效果显著，操作便捷、可行，可以调整膜面料液的水力学条件，将膜面流体边界层厚度适度降低，浓差极化缩小，可以有效改善膜污染问题。

对于过滤一些颗粒较大的悬浮物，可以选择增加砂滤、微滤等方式；对于微生物污染，在海水中加入杀菌剂进行杀菌处理，避免微生物侵蚀超滤膜[12]，起到改善超滤膜污染问题。

5 结 论

在海水淡化预处理中，通过国产超滤膜的实际应用，并在应用过程中测评超滤膜的适用性，依据评测结果提升超滤膜性能及其稳定性，能够有效提升海水淡化系统的产水水质。实验中对国产超滤膜的性能进行验证，同时研究超滤膜化学恢复性清洗频率，保持长时间的高产水量等性能，能够作为优化国产超滤膜提供参考，可以有效改善传统海水淡化预处理工艺缺陷和不足，提升预处理效果，为后续工序进行提供坚实保障，同时也为海水淡化工程中选用国产超滤膜提供一定参考依据。

超滤作为海水淡化预处理工艺的应用以及理论研究是一项复杂且与工程实际相关联的研究课题，本实验仅在实验阶段研究国产超滤膜在海水淡化系统中应用进行了研究，从长远看，用超滤技术来获得工业用水和民用水有着广阔的前景，而且国产超滤膜生产企业的规模在不断扩大，性能在不断改善，对操作运行条件也不像以前要求苛刻，生产成本也不断的降低。因此，在不久的将来，超滤膜在海水淡化工程将会得到快速发展和广泛推广。