引 言
我國是一個(gè)嚴重缺水的國家,人均占有水資源量約2400m3 ,僅為全球人均水量的1/ 4 ,而且時(shí)空分布不均勻,水環(huán)境污染較嚴重,原生劣質(zhì)水分布面積廣,尤其是西北干旱內陸地區,由于降水稀少,蒸發(fā)強烈,水資源天然匱乏,作為主要供水水源的地下水,普遍含鹽、含氟量高,大部分地區又沒(méi)有可替代的淡水資源。
由于水質(zhì)低劣,口感極差,甚至不能飲用,其中多項指標不符合或達不到國家《飲用水衛生標準》,表現為高濃度鹽堿成分,甚至表現為高硬度、高氟、高砷、高鐵錳、低碘、低硒特征,多年以來(lái)嚴重影響了當地人民群眾的生活質(zhì)量和身體健康水平。由此可見(jiàn)防病改水的緊迫性與必要性。1 主要淡化方法的原理及其特點(diǎn)苦咸水的淡化實(shí)際上就是鹽水淡化[1 ] ,使鹽水脫鹽淡化或者經(jīng)處理后達到飲用水標準�？嘞趟秃Ｋ椒ㄓ性S多種,主要是蒸餾法、電滲析法和反滲透法。目前苦咸水淡化大多采用反滲透法和電滲析法,主要是反滲透法。在海水淡化方面,主要是蒸餾法和反滲透法。雖然現有淡化容量的70 %是蒸餾法,主要是多級閃蒸,然而這種局面正在變化,反滲透法以其低投資和低能耗,大有后來(lái)者居上的趨勢。
1. 1 蒸餾法
蒸餾法就是把苦咸水或海水加熱使之沸騰蒸發(fā),再把蒸汽冷凝成淡水的過(guò)程。蒸餾法是最早采用的淡化法,其主要優(yōu)點(diǎn)是結構較簡(jiǎn)單、操作容易、所得淡水水質(zhì)好。蒸餾法有許多種,如多效蒸發(fā)、多級閃蒸、壓汽蒸餾、膜蒸餾等。
1. 2 電滲析法[2 ]
1. 2. 1 電滲析法的基本原理、特點(diǎn)和適用范圍在苦咸水淡化中應用的電滲析法簡(jiǎn)稱(chēng)ED ,是利用離子交換膜在電場(chǎng)作用下,分離鹽水中的陰、陽(yáng)離子,從而使淡水室中鹽分濃度降低而得到淡水的一種膜分離技術(shù)。電滲析裝置是利用離子在電場(chǎng)的作用下定向遷移,通過(guò)選擇透過(guò)性的離子交換膜達到除鹽目的。在外加直流電場(chǎng)的作用下,水中的離子作定向遷移(陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子通過(guò),陰離子交換膜只允許陰離子通過(guò)) ,使一種水中大部分離子遷移到另一種水中去。該技術(shù)已比較成熟,具有工藝簡(jiǎn)單、除鹽率高、制水成本低、操作方便、不污染環(huán)境等主要優(yōu)點(diǎn),但存在對水質(zhì)要求較嚴格、需對原水進(jìn)行預處理等缺點(diǎn)。20 世紀50 年代,美國、英國開(kāi)始將這種方法用于苦咸水淡化,中國在20 世紀80 年代將此法用于苦咸水淡化、工業(yè)用純水和超純水制造。
1. 2. 2 電滲析法在苦咸水淡化工程中的應用特點(diǎn)[3 ]
(1) 電滲析對鐵、鎂、鈣、鉀、氯化物等溶解性無(wú)機鹽類(lèi)及毒理學(xué)指標砷、氟化物的去除率達66 %～93 % ,可以滿(mǎn)足苦咸水淡化需求;
(2) 電滲析對耗氧量、N H32N、NO-32N 、NO22N及硅的去除率較低,僅15 %～45 % ,但由于原水中上述指標含量較低,去除率雖低,尚能滿(mǎn)足生活飲用水衛生要求;
(3) 電滲析對SO2 -4 的去除率為63. 8 % ,用以淡化SO-42Na 型和SO4 ·Cl2Na 型水,很難滿(mǎn)足生活飲用水衛生要求;
(4) 電滲析過(guò)程的能耗與給水含鹽量有密切關(guān)系,給水含鹽量越高,能耗越大,因此電滲析比較適合低鹽苦咸水的淡化。
此外,由于電滲析不能去除水中有機物和細菌,加之設備運行能耗較大,使其在苦咸水淡化工程中的應用受到局限,因而原有電滲析裝置在苦咸水淡化方面逐漸被反滲透裝置所取代。
1. 3 反滲透法[4 ,5 ]
1. 3. 1 反滲透法的基本原理及特點(diǎn)用一種選擇透過(guò)性膜將一個(gè)容器分為兩半,在膜的兩側同時(shí)分別加入純水和鹽水,使膜兩側的液面一樣高,過(guò)了一定時(shí)間會(huì )發(fā)生鹽水側的液面在升高,純水側的液面在下降,這是由于水分子透過(guò)半透膜向鹽水側遷移的結果,這種現象稱(chēng)為滲透。能夠對水或溶液具有選擇透過(guò)性的膜稱(chēng)為半透膜。如果在濃溶液一邊加上適當的壓力,則可使滲透停止。
當稀溶液向濃溶液的滲透停止時(shí)的壓力稱(chēng)為滲透壓。反滲透則是在濃溶液一邊加上比自然滲透更高的壓力,扭轉自然滲透方向,把溶液中的離子壓到半透膜的另一邊,這與自然界的正常滲透過(guò)程相反,故稱(chēng)之為“反滲透”,這種裝置稱(chēng)為反滲透裝置。
反滲透方法可以從水中除去90 %以上的溶解性鹽類(lèi)和99 %以上的膠體微生物及有機物等。與其他水處理方法相比具有無(wú)相態(tài)變化、常溫操作、設備簡(jiǎn)單、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、適應范圍廣、自動(dòng)化程度高和出水質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。尤其以風(fēng)能、太陽(yáng)能作動(dòng)力的反滲透凈化苦咸水裝置,是解決無(wú)電和常規能源短缺地區人們生活用水問(wèn)題的既經(jīng)濟又可靠的途徑。
反滲透淡化法不僅適用于海水淡化,也適合于苦咸水淡化�，F有的淡化法中,反滲透淡化法是最經(jīng)濟的,它甚至已經(jīng)超過(guò)電滲析淡化法。
由于反滲透過(guò)程的推動(dòng)力是壓力,過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生相變化,膜僅起著(zhù)“篩分”的作用,因此反滲透分離過(guò)程所需能耗較低。在現有海水和苦咸水淡化中,反滲透法是最節能的。
反滲透膜分離的特點(diǎn)是它的“廣譜”分離,即它不但可以脫除水中的各種離子,而且可以脫除比離子大的微粒,如大部分的有機物、膠體、病毒、細菌、懸浮物等,故反滲透分離法又有廣譜分離法之稱(chēng)。
1. 3. 2 常規的反滲透法工藝流程
常規反滲透法工藝流程是:原水→預處理系統→高壓水泵→反滲透膜組件→凈化水。其中預處理系統視原水的水質(zhì)情況和出水要求。
可采取粗濾、活性炭吸附、精濾等,精濾必不可少,是為了保護反滲透膜、延長(cháng)其使用壽命而設立的,另外,復合膜對水中的游離氯非常敏感,因而預處理系統中通常都配備活性炭吸附。
1. 3. 3 反滲透法給水預處理
給水預處理對反滲透法安全運行是至關(guān)重要的。無(wú)論地表水或地下水,都含有一些可溶或不可溶的有機物和無(wú)機物。雖然反滲透能截留這些物質(zhì),但反滲透主要是用來(lái)脫鹽。如果反滲透給水中含有過(guò)多的濁度、懸浮物質(zhì),這些物質(zhì)將會(huì )淤積在膜表面上,此外還可使水中硬度過(guò)高而結垢,這些將使流道堵塞,造成膜組件壓差增大、產(chǎn)水量和脫鹽率下降,甚至使膜組件報廢的嚴重結果。另外不同膜材料具有不同的化學(xué)穩定性,它們對p H、余氯、溫度、細菌、某些化學(xué)物質(zhì)等的穩定性也有很大的影響,對給水預處理的要求也不同。一般來(lái)講,膜組件生產(chǎn)廠(chǎng)商均會(huì )提出給水水質(zhì)指標。這些指標包括:
(1) 淤泥密度指數( S D I) 。該指數能較好地反映給水中膠體、濁度和懸浮物的含量,給水預處理后, S D I 越低對膜組件的使用年限越長(cháng), 一般要求S D I ≤4 。降低給水中的S D I ,可采取絮凝、沉淀、過(guò)濾等方法。
(2) p H。復合膜耐p H 范圍較寬(2～11) ,而三醋酸纖維素耐p H 范圍較窄(3～8) ,超過(guò)規定范圍膜易水解。調節p H 的另一個(gè)目的是降低給水中的堿度。
(3) 堿度。堿度是度量水樣中和酸的能力,能與酸中和的物質(zhì)是氫氧根離子、碳酸鹽、碳酸氫鹽、硅酸鹽和磷酸鹽等,堿度與氫氧化物和碳酸鹽結垢有密切關(guān)系。堿度過(guò)高就必須用酸中和加以破壞。
(4) 溫度。不同膜材料的耐溫能力有所不同。如復合膜耐溫可高達45 ℃,而三醋酸纖維膜則不能超過(guò)35 ℃,水溫度過(guò)高還會(huì )增加膜的壓密性,膜組件產(chǎn)水量會(huì )大大下降。此外較高的水溫( 超過(guò)25 ℃) 會(huì )加速細菌的繁殖,這時(shí)更要注意滅菌措施。
(5) 鐵錳的含量。鐵、錳易造成膜面上污垢的沉積。
(6) 硫酸鹽。硫酸鹽(如CaSO4) 不易清除,當硫酸鹽和鈣、鎂含量較高時(shí),必須注意加防垢劑,嚴格控制水的回收率。
(7) 硬度。硬度主要指鈣離子和鎂離子的含量,它是碳酸鹽垢和硫酸鹽垢的主要成分。通過(guò)計算水中Lange2lier 飽和指數、Stiff 和Davis 穩定指數可判斷結垢的趨勢。
(8) 余氯。加氯滅菌也是反滲透淡化過(guò)程中不可少的過(guò)程,但不同膜材料的耐氯性有很大的差別。三醋酸纖維素耐氯性能較好,可耐1.0mg/ L的余氯,而復合膜則只能在低于0.1mg/ L下運行。通過(guò)加入亞硫酸氫鈉可以降低余氯。
(9) 總有機碳(TOC)。TOC過(guò)多可能引起微生物的污染,特別是經(jīng)過(guò)殺菌消毒過(guò)程,如水溫較高,消毒分解的有機物,正是細菌的餌料,以致殘存的細菌繁殖更快,醋酸纖維素膜對此非常敏感。降低給水中的TOC ,可通過(guò)活性碳吸附。
1. 3. 4 反滲透淡化系統的安全運行
雖然反滲透系統運行已證明是可靠的,但產(chǎn)生的故障報道也不少,如給水預處理不當、沒(méi)有按規定控制各種運行參數,均系操作不當引起。因此,反滲透淡化系統安全運行必須注意以下問(wèn)題:
(1) 定期測試SDI指數。SDI過(guò)高,會(huì )造成膜組件的不可逆污染,縮短組件的壽命。
(2) 控制回收率�；厥章蔬^(guò)高,一方面使難溶鹽的組分超過(guò)溶度積而結垢,另一方面組件里的濃水流速過(guò)低,易于產(chǎn)生濃差極化引起結垢,同時(shí)不利于把水中膠體、懸浮物等排出。
(3) 注意膜組件的壓差。膜組件的初期壓差是很小的,如若壓差增大較快,預示膜組件被污染或結垢,必須查出原因,并予以糾正。
(4) 注意產(chǎn)水量和脫鹽率的變化,通常與壓差變化同時(shí)出現。如在短時(shí)間內,產(chǎn)水量和脫鹽率明顯變化,必須檢查預處理系統運行是否正常,如加藥量是否合適、過(guò)濾器是否漏砂等。
1. 3. 5 反滲透法淡化苦咸水效果分析
(1) 反滲透系統對二價(jià)及多價(jià)陽(yáng)陰離子的截留
(2) 反滲透系統對水質(zhì)極差的SO4 ·Cl2Na ·Mg型和SO4 ·Cl2Na 型苦咸水中的溶解性總固體、總硬度、鐵、錳、鈣、鎂、鉀、鈉、硫酸鹽、氯化物、二氧化硅等無(wú)機鹽的去除率為96 %～100 %;總硬度、氯化物、硫酸鹽、溶解性固體等指標去除率大于
98 % ,出水水質(zhì)優(yōu)于國家和國際水質(zhì)標準[6 ,7 ] 。
(3) 反滲透系統對人體健康危害較大的氟化物去除率為96 % ,六價(jià)鉻去除率為92. 5 %。
(4) 反滲透系統對污染性及毒理學(xué)指標、耗氧量、N H32N、NO22N 、NO32N、砷去除率40 %～83 %,低于上述無(wú)機鹽類(lèi)去除率,但原水中污染性指標含量相對較低,40 %～83 %的去除率完全可以滿(mǎn)足生活飲用水衛生標準要求。
(5) 苦咸水中,微生物含量在地表水、地下水中差異較大,反滲透系統對細菌總數檢測的去除率從44. 6 %提高到93. 2 % ,去除效果明顯。
(6) 原水中毒理學(xué)指標及部分理化指標如銅、鋅、鉛、鉻、鎘、銀、汞、硒、氰、揮發(fā)酚類(lèi)、三氯甲烷、四氯化碳、苯并(a) 芘、滴滴涕、六六六含量均較低,大都低于檢驗方法的檢出下限,不做加標檢驗,難以從運行水質(zhì)指標中確定反滲透器對它們的去除效果,
但根據中國預防醫學(xué)科學(xué)院環(huán)境衛生監測所1997年7 月對一些反滲透裝置加標檢驗報告來(lái)看,上述指標的去除率絕大部分達到100 %。
2 反滲透法、電滲析法淡化苦咸水效果比較
反滲透法脫鹽率及產(chǎn)水純凈程度都比電滲析法高,出水水質(zhì)優(yōu)于我國《生活飲用水衛生標準》,對高氟低礦化度苦咸水通過(guò)反滲透法淡化,出水水質(zhì)可達到我國《飲用純凈水衛生標準》。有資料表明,反滲透法淡化苦咸水的能耗———電耗、水耗均低于電滲析法,而且反滲透法設備結構緊湊、占地面積小、運行效果穩定可靠、符合“清潔生產(chǎn)”要求,反滲透法是較其他方法更為合理、有效的苦咸水淡化方法。
3 結 語(yǔ)
采用反滲透法對不同含鹽量的苦咸水進(jìn)行脫鹽淡化,淡化過(guò)程中,系統運行穩定。系統的脫鹽率達96 %以上,淡化水水質(zhì)達到國家生活飲用水標準。反滲透系統苦咸水淡化裝置具有較強的適應性,可根據原水的水質(zhì)情況,調整運行參數來(lái)實(shí)現對不同含鹽量的苦咸水連續進(jìn)行處理。該裝置高度集成化,可望成為定型的成套設備。
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