引 言
我國是一個嚴重缺水的國家,人均占有水資源量約2400m3 ,僅為全球人均水量的1/ 4 ,而且時空分布不均勻,水環境污染較嚴重,原生劣質水分布面積廣,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,大部分地區又沒有可替代的淡水資源。
由于水質低劣,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,多年以來嚴重影響了當地人民群眾的生活質量和身體健康水平。由此可見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苦咸水的淡化實際上就是鹽水淡化[1 ] ,使鹽水脫鹽淡化或者經處理后達到飲用水標準。苦咸水和海水淡化方法有許多種,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,再把蒸汽冷凝成淡水的過程。蒸餾法是最早采用的淡化法,其主要優點是結構較簡單、操作容易、所得淡水水質好。蒸餾法有許多種,如多效蒸發、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、特點和適用范圍在苦咸水淡化中應用的電滲析法簡稱ED ,是利用離子交換膜在電場作用下,分離鹽水中的陰、陽離子,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。電滲析裝置是利用離子在電場的作用下定向遷移,通過選擇透過性的離子交換膜達到除鹽目的。在外加直流電場的作用下,水中的離子作定向遷移(陽離子交換膜只允許陽離子通過,陰離子交換膜只允許陰離子通過) ,使一種水中大部分離子遷移到另一種水中去。該技術已比較成熟,具有工藝簡單、除鹽率高、制水成本低、操作方便、不污染環境等主要優點,但存在對水質要求較嚴格、需對原水進行預處理等缺點。20 世紀50 年代,美國、英國開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[3 ]
(1) 電滲析對鐵、鎂、鈣、鉀、氯化物等溶解性無機鹽類及毒理學指標砷、氟化物的去除率達66 %～93 % ,可以滿足苦咸水淡化需求;
(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,很難滿足生活飲用水衛生要求;
(4) 電滲析過程的能耗與給水含鹽量有密切關系,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用一種選擇透過性膜將一個容器分為兩半,在膜的兩側同時分別加入純水和鹽水,使膜兩側的液面一樣高,過了一定時間會發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半透膜向鹽水側遷移的結果,這種現象稱為滲透。能夠對水或溶液具有選擇透過性的膜稱為半透膜。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的壓力稱為滲透壓。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程相反,故稱之為“反滲透”,這種裝置稱為反滲透裝置。
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相態變化、常溫操作、設備簡單、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、適應范圍廣、自動化程度高和出水質量好等優點。尤其以風能、太陽能作動力的反滲透凈化苦咸水裝置,是解決無電和常規能源短缺地區人們生活用水問題的既經濟又可靠的途徑。
反滲透淡化法不僅適用于海水淡化,也適合于苦咸水淡化。現有的淡化法中,反滲透淡化法是最經濟的,它甚至已經超過電滲析淡化法。
由于反滲透過程的推動力是壓力,過程中沒有發生相變化,膜僅起著“篩分”的作用,因此反滲透分離過程所需能耗較低。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。
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重要的。無論地表水或地下水,都含有一些可溶或不可溶的有機物和無機物。雖然反滲透能截留這些物質,但反滲透主要是用來脫鹽。如果反滲透給水中含有過多的濁度、懸浮物質,這些物質將會淤積在膜表面上,此外還可使水中硬度過高而結垢,這些將使流道堵塞,造成膜組件壓差增大、產水量和脫鹽率下降,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穩定性,它們對p H、余氯、溫度、細菌、某些化學物質等的穩定性也有很大的影響,對給水預處理的要求也不同。一般來講,膜組件生產廠商均會提出給水水質指標。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, 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) ,超過規定范圍膜易水解。調節p H 的另一個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系。堿度過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35 ℃,水溫度過高還會增加膜的壓密性,膜組件產水量會大大下降。此外較高的水溫( 超過25 ℃) 會加速細菌的繁殖,這時更要注意滅菌措施。
(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,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程中不可少的過程,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。通過加入亞硫酸氫鈉可以降低余氯。
(9) 總有機碳(TOC)。TOC過多可能引起微生物的污染,特別是經過殺菌消毒過程,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,但產生的故障報道也不少,如給水預處理不當、沒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題:
(1) 定期測試SDI指數。SDI過高,會造成膜組件的不可逆污染,縮短組件的壽命。
(2) 控制回收率。回收率過高,一方面使難溶鹽的組分超過溶度積而結垢,另一方面組件里的濃水流速過低,易于產生濃差極化引起結垢,同時不利于把水中膠體、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) 注意產水量和脫鹽率的變化,通常與壓差變化同時出現。如在短時間內,產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) 反滲透系統對二價及多價陽陰離子的截留
(2) 反滲透系統對水質極差的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 % ,出水水質優于國家和國際水質標準[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 % ,六價鉻去除率為92. 5 %。
(4) 反滲透系統對污染性及毒理學指標、耗氧量、N H32N、NO22N 、NO32N、砷去除率40 %～83 %,低于上述無機鹽類去除率,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) 原水中毒理學指標及部分理化指標如銅、鋅、鉛、鉻、鎘、銀、汞、硒、氰、揮發酚類、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科學院環境衛生監測所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水純凈程度都比電滲析法高,出水水質優于我國《生活飲用水衛生標準》,對高氟低礦化度苦咸水通過反滲透法淡化,出水水質可達到我國《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”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
采用反滲透法對不同含鹽量的苦咸水進行脫鹽淡化,淡化過程中,系統運行穩定。系統的脫鹽率達96 %以上,淡化水水質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,可根據原水的水質情況,調整運行參數來實現對不同含鹽量的苦咸水連續進行處理。該裝置高度集成化,可望成為定型的成套設備。
參考文獻:
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[7 ] 尚天寵. 反滲透技術在苦咸水淡化工程中的應用[J ] . 工業水處理,1998 ,18 (2) :33 - 36. 來源：谷騰水網
