全球水的總儲量為 13.86億 km3，海水就占有96.5%，人類可取用的地表水和淺層地下水僅為0.79%，且隨地域和季節(jié)變化分布極不均勻。為了向大海索取淡水，上世紀(jì)五十年代初，膜技術(shù)便被優(yōu)先提出來了，至七十年代海水淡化技術(shù)在世界上實(shí)現(xiàn)了商品化，經(jīng)過產(chǎn)品換代、工藝革新，目前已成為最經(jīng)濟(jì)的海水淡化和高鹽度苦咸水脫鹽技術(shù)。在國家支持下，我國海水淡化技術(shù)也取得了令人矚目的業(yè)績，成為具有自行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)海水淡化裝置的國家。
1 應(yīng)用概況
海水淡化是指將35000mg/L的海水淡化至500mg/L以下的飲用水。目前，世界上裝機(jī)應(yīng)用的海水淡化方法主要有多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(fā)(MED)和反滲透法(RO)，半個(gè)世紀(jì)以來己養(yǎng)活了世界上1億多的人口，促進(jìn)了干旱沙漠地區(qū)和發(fā)達(dá)國家沿海經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。
據(jù)國際脫鹽協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止1995年底，全球日產(chǎn)水量在100m3以上的裝置有11066臺，每天生產(chǎn)淡水2030萬m3。截止1997年底，裝置總數(shù)12451臺，每天產(chǎn)水2273萬m3，其中海水淡化為1337萬m3、苦咸水淡化為5840萬m3，且以年10-30%的速度增長。就海水淡化而言，裝機(jī)容量以MSF為主，但近年來RO發(fā)展很快。MSF除極大型裝置外，1995年以來合同額極少。MSF從1989年的84.4%下降為1997年的76.04%。而RO從1989年的5.6%上升為1997年的14%。MED1989年占6.7%，至1997年僅占5.47%。
對沿海苦咸水脫鹽RO占絕對優(yōu)勢，占76.23%，投資和造水成本更低。對廢水和水凈化RO也分別占到約65%和94%。1995年后，新增海水淡化和苦咸水淡化裝機(jī)容量RO為90%。最大規(guī)模的RO海水淡化廠建在沙特阿拉伯，日產(chǎn)淡水12.8萬/m3。最大規(guī)模的RO苦咸水淡化裝置建在美國，日產(chǎn)27萬m3。
目前，海水淡化裝置的年銷售額達(dá)到100多億美元，且以20%左右的年增長速度持續(xù)發(fā)展供應(yīng)商主要是美國和日本，應(yīng)用地區(qū)主要是中東地區(qū)、地中海地區(qū)和加勒比海地區(qū)，其次是東南亞和北非地區(qū)。
我國海水淡化技術(shù)的應(yīng)用從上世紀(jì)七十年代初推廣用小型電滲析(ED)海水淡化器開始，1981年建成了200m3/d ED淡化裝置，“九五”期間相繼建成了RO淡水裝置，多為小型或示范工程(表1)， 并向馬爾代夫和基里巴斯輸出了ED和RO海水淡化裝置。
表1 已建成的海水淡化裝置
2 反滲透海水淡化技術(shù)的進(jìn)展
反滲透將成為新世紀(jì)的主要海水淡化技術(shù)。工程穩(wěn)定可靠與造水成本低廉是吸引用戶的主要原因。
2.1 膜與組件性能提高
世界各生產(chǎn)膜組件的公司仍十分重視RO膜與組件的技術(shù)創(chuàng)新，目的在于開發(fā)抗氧化、耐細(xì)菌侵蝕的新膜提高膜與組件的產(chǎn)水量、脫鹽率等。這些工作已取得一定的進(jìn)展，如美國DOW公司推出 FILMTEC BW30LE-440膜元件，在約1.05MPa壓力下，產(chǎn)水量43.5m3/d，脫鹽率大于99%，一個(gè)新元件幾乎相當(dāng)換代前的兩倍。Fluid Systems公司推出 Premium TFC新元件，其苦咸水和海水膜元件的脫鹽率分別高達(dá)99.7%和99.8%。日本的東麗公司和日東電工公司己開發(fā)出可耐9.0MPa的海水淡化膜，并己在西班牙建造了回收率高在60%的兩段RO海淡化裝置。
表2 國外典型的海水反滲透組件
2.2 工程投資低
1990年膜組件價(jià)格，按消費(fèi)價(jià)格指數(shù)折算，僅為1973年的40%。1990年之后又有明顯的下降。按從標(biāo)準(zhǔn)海水生產(chǎn)淡水計(jì)，目前工程投資為MSF在1800-2000US$/m3.d，低溫MED在1100-1600 US$/m3.d，RO在700-900US$m3.d，且RO海水淡化廠建設(shè)快，l萬m3的RO海水淡化廠可在7個(gè)月交付使用。
2.3 能耗降低
采用功交換器(WOrk Exchanrye Enerar Recovear)，將從RO組件排出的高壓濃水的壓力回收并傳遞給組件進(jìn)水，其轉(zhuǎn)達(dá)換效率可高達(dá)89-96%。Scott A.Shumway報(bào)導(dǎo)，一種新型的能更回收裝置己成功應(yīng)用到13600m3/d和5000m3/d的反滲透海水淡化裝置上，過程能耗為2.6kwh/m3。Gord F.Leitner指出加上預(yù)處理能耗，總能耗為2.83kwh/m3。這是近幾年在工藝方面的突出進(jìn)展。
反滲透裝置脫鹽部分與或級與級之間，可使用能量回收透平，以提高下一段或級的進(jìn)水壓力，提高產(chǎn)水量。原理示意見圖1。Steven J.Duranceau等報(bào)道，1996年佛里達(dá)水服務(wù)公司在Marco島對現(xiàn)有15000m3/d苦堿水淡化進(jìn)行改造，通過使用段之間的能量回收透平，使系統(tǒng)的產(chǎn)水量增加3780m3/d，增幅達(dá)25%。
段之間能量回收透平適用于苦咸水反滲透淡化含鹽量7500--10500mg/L，淡化能耗降到0.82kwh/m3。
在反滲透海水淡化流程中，采用納濾(NF)作為預(yù)處理，即NF-RO系統(tǒng)，NF脫除部分硬度和TDS，從而提高RO的操作壓力和水回收率，可進(jìn)一步降低能耗25%，造水成本可降低30%。
目前各種淡化方法在能耗方面都無法與RO競爭。RO為4-5kwh/m3、ED為14-16kwh/m3、MED為9-10kwh/m3、MFS為12-14kwh/m3。
3 脫鹽、濃縮在廢水資源化方面的應(yīng)用
海水淡化為高食鹽水的深度脫鹽技術(shù)，為提高原水回收率，對排放濃水的濃度也有一定要術(shù)這與超濾、微濾處理污染或微污染水的技術(shù)特性大不相同，與高濃度廢水處理，特別是無機(jī)系廢水處理存有較多共性技術(shù)，但要特別注意膜對料液環(huán)境的適用程度。
反滲透處理電鍍廢水、放射性廢水己很成熟。上世紀(jì)七十年代開始用于鍍鎳漂洗廢水處理，爾后又用于鍍鉻、鍍銅、鍍鋅、鍍鎘等廢水處理。美國芝加哥API工藝公司采用B-9芳香族聚酰胺中空纖維膜組件處理Watt Ni漂洗水，廢水含Ni2+650mg/L，經(jīng)RO濃縮20倍達(dá)至13000mg/L、Ni2+的分離率為92%。北京廣播器材廠用醋酸纖維素膜處理亮鎳和暗鎳的漂洗廢水，廢水中Ni2+為1510——2400mg/L。系統(tǒng)Ni2+的回收率>99%。
由于ED海水淡化的耗電為RO的3倍，ED在海水淡化中的應(yīng)用愈來愈少，其在苦咸水脫鹽中仍有較大競爭優(yōu)勢。離子交換膜具有很強(qiáng)的耐酸、堿性，耐氧化性，在含酸、堿、鹽高的廢水處理中應(yīng)用十分廣泛。
我國ED、RO用于廢水處理，以膜集成技術(shù)發(fā)展零排放工程為開發(fā)方向，不僅回收有效成分，真回收的淡水可做工藝或生活用水。如Al2O3生產(chǎn)零排放工程。將Al2O3生產(chǎn)廢渣赤泥上的結(jié)合堿和附液堿，通過加石灰乳和通入蒸汽，從固相轉(zhuǎn)移到液相，形成約含8g/LNaOH的復(fù)雜溶液，微孔過濾后進(jìn)入電滲析，制取含堿<500mg/L的生產(chǎn)用水和工藝用2NaOH。我國西部天然氣井涌出的含10000-30000的鹵水，可用BD-RO流程脫鹽并濃縮，RO制得<400mg/L的優(yōu)質(zhì)生活用水，BD可濃縮鹵水達(dá)140g/L左右，提取Br、I或蒸發(fā)制鹽。
據(jù)聯(lián)合國提供資料分析，中國水資源總量為28124億m3，居世界第6位，中國人均水資源量為2340m3，全球排在109位。到本世紀(jì)中葉，中國人口預(yù)測16億時(shí)，人均水資源為1600m3，成為嚴(yán)重缺水的國家。中國設(shè)立668個(gè)城市中，缺水城市約400個(gè)，嚴(yán)重缺水的城市約108個(gè)。這些城市日缺水量為1600萬m3，全年缺水量為200億m3。中國每年工業(yè)、生活污水排放量已達(dá)約600億m3，90%的城市水域受到不同程度的污染，尤其南方城市由于采用地表水做水源而地面水又受到不同程度的污染。因此又導(dǎo)致水質(zhì)性缺水。水是我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性資源。我國政府對水資源的開發(fā)、利用、保護(hù)十分重視。在海水淡化、苦咸水脫鹽、廢水回用中，RO和ED脫鹽技術(shù)將發(fā)揮重要作用。
來源:全國工業(yè)用水與廢水處理技術(shù)交流會(huì) 作者:張維潤
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