SWC海水淡化膜應用實例

1、SWC海水淡化膜應用實例SWC美國海德能公司于2003年最新推出高水溫、高脫鹽率、高脫硼的海水淡化復合膜SWC4，使其海水淡化膜產品系列更加完善。新型海水淡化膜SWC4可在提高RO系統(tǒng)進水溫度、提高脫硼率的同時保持很高的脫鹽率。對于利用反滲透海水淡化水(SWRO)做為鍋爐補給水的發(fā)電廠，采用具有高脫鹽率性能的SWC4產品是最理想的選擇。因為SWC4可以在高水溫下運行，需要相對比較低的操作壓力，同時保持相當高的脫鹽率，可顯著地降低海水淡化的成本。SWC4的脫鹽率為99.8%，產水量為5,200gpd(19.7m3/d)。SWC4膜元件有40440和8英寸兩種規(guī)格。SWC4既可單獨使用，也可作為膜

2、集成技術(IMS)的組成部分之一使用。海德能公司最新采用切流式膜元件，其獨特的端板設計既提供了更好的端面接觸，又能使水力負荷分布更加均勻，使穿過膜端面的水流分配均衡，并提供了更有效的膜面積。海德能公司SWC4膜的推出為其海水淡化膜系列充實了新的實力，在世界范圍內，海德能公司海水淡化工程業(yè)績令世界矚目。憑借這些成功經驗和膜產品性能在水處理工業(yè)中的優(yōu)異表現(xiàn)，海德能公司始終居于世界膜制造技術的領先地位，成為全球海水淡化項目首選供應商。SWC海水淡化膜應用實例實例1：日本沖繩(40000噸/天)海水淡化廠簡介 巖崛博 日東電工集團 摘要：自從1996年以來，開放式取水的反滲透海水淡化廠一直在日本沖繩當

3、地企業(yè)局的海水淡化中心運行。根據(jù)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護設計要求，該廠采用了新的濃水排放系統(tǒng)。它由特殊海底分散裝置的濃水排放系統(tǒng)組成。用在預處理中的絮凝劑氯化鐵也進行回收以減少對環(huán)境的負面影響。自從該廠投入運行以來，沒有關于該廠運行破壞環(huán)境問題的報道。40000噸/天的反滲透產水由8套5000噸/天系統(tǒng)構成。整套系統(tǒng)共安裝3024根8寸芳香族聚酰胺卷式復合膜，采用一級反滲透。隨著季節(jié)不同給水溫度在2030之間變化，通過調節(jié)操作壓力范圍66.5MPa來使系統(tǒng)回收率保持在40%。反滲透產水含鹽量一直小于300mg/L。根據(jù)水庫存水量的不同，反滲透產水在5000 40000噸/天范圍內變化以滿足城市供水

4、。因為在計算和運行條件下，反滲透產水中只有硼超過飲用水標準，所以將反滲透產水和地表水進行適當混合，以達到飲用水標準。沖繩海水淡化中心日本目前最大產水量40000噸/天的沖繩海水淡化廠，自1996年初建在沖繩的一個主要島嶼Chatan鎮(zhèn)。沖繩島位于日本的西南部，處于亞熱帶氣候區(qū)。由于地理和地質原因，多年來沖繩島上的飲用水源非常有限。通過建設多用途水壩和水庫，水資源得以增加，但還不足以供給。這是因為當?shù)氐娜丝诿芏确浅８叨移骄咳嗣磕甑慕涤炅恳脖热珖骄降?。雖然這里有300個左右的河，其中有一個在沖繩本島，但它們都是小且短的流域。因為河床的陡峭坡度，水流不穩(wěn)定且很難加以利用。河水也長期缺乏，因

5、為降雨主要集中在夏季和臺風季節(jié)，因而降雨的利用率也很低。每年的降雨量波動很大。過去20年中有13年，當?shù)鼐用癖粐栏裣拗朴盟?，有時還有停水現(xiàn)象，在過去20年里曾有1130天連續(xù)限制用水的記錄。因此沖繩決定采用反滲透海水淡化廠作為提供新水源的一個措施。這個由沖繩當?shù)仄髽I(yè)局所有的海水淡化廠，即沖繩海水淡化中心，對一起學習海水淡化廠運行和維護技術的普通公眾和參觀者開放。企業(yè)局是一個飲用水最大產量約為470000噸/天的商業(yè)機構，服務30個市政局，總人口數(shù)約190萬。水來自4個不同水源，其中水壩68.1%、河水19.4%、地下水6.4%、淡化海水6.1%。1海水淡化廠概況a) 40000噸/天反滲透水廠

6、設計基礎位置：鄰近Chatan 水處理廠，該廠自來水供水量214,300 m3/天廠區(qū)面積：約12,000 m2建筑面積：9,000 m2 地基面積：17,600 m2 (4層大樓)反滲透系統(tǒng)最大產水量：40,000 m3/天 (40%回收率)日東電工提供PA卷式復合膜 NTR-70SWC-S8(同海德能公司的SWC3)和TORAY(SU-820).原海水取水：開放式取水方式 (在離海岸深9.5 m處的取水點，通過直徑1.2m×220m長海底管道系統(tǒng)輸送。最大取水量為108,000噸/天) 濃水排放:在經過直徑0.7m×230 m 長管道系統(tǒng)之后，濃水通過快速分散裝置排放。

7、排放位置在潮汐下游，離取水點62米。最大排放量67,000噸/天?？偨ㄔO費用:約347 億日元，85%由政府資助設計基礎和運行結果：主要設備規(guī)格 預處理步驟：在沉淀池加入 NaClO (3mg/L以Cl2計) 進行氯化二級直流過濾系統(tǒng)中在線加入絮凝劑 FeCl3 (1.53.0 mg/L)雙介質過濾器：32m2/單元×13單元設計通量=12m/h (1單元備用)剖光砂濾器：33.6m2/單元×9單元設計通量=17m/h (1單元備用) 化學藥品：用 H2SO4調節(jié)pH=6.57.0，用亞硫酸氫鈉消毒泵：給水泵：8.94 m3/min×H45m×1760r

8、pm×90kW×9單元 (1 單元備用) 高壓泵：臥式三級螺旋泵8.91m3/min×650m×3580rpm×1300kW×8單元能量回收渦輪：臥式三級螺旋泵5.64 m3/min×545m×3580rpm×約386kW×8單元反滲透系統(tǒng)：出力：每套 5,131m3/d×8套排列：每根壓力容器裝6支膜，63根壓力容器 (7排×9行)/套反滲透膜總數(shù)量：3024 支反滲透水通量：13m3/d/支膜 (約11gfd)操作壓力范圍：66.5MPa給水溫度范圍：2030反滲透產水水

9、質：反滲透產水水質設計為含鹽量TDS<360mg/L，電導率<720S/cmb) 反滲透系統(tǒng)性能圖1為啟動后反滲透性能與時間關系圖，其中兩個系列中有日東電工NTR-70SWC-S8 (同海德能公司SWC3)膜。一個系列于1996年8月啟動，另一個于1997年3月啟動。至今為止膜沒有進行過更換。c) 水處理費用和人員按產量40000噸/天計算，產水費用和人員如下： 電能消耗：5.36kwh/噸 化學藥品：0.104美元/噸(12.5日元/天,1美元=120日元) (按NaClO、FeCl3、H2SO4、NaHSO3、NaOH、檸檬酸額定使用量計算) 雇員數(shù)：13人(3班倒)2保護環(huán)境

10、設計要求我們做了排放高含鹽量濃水對珊瑚礁的影響調查。 Nakano、Yamazato、Iso分別采用濃度為3.5%、3.9%、4.4%、5.3%的濃水對四種生礁珊瑚做試驗，測試共生藻類的生長和生存，呼吸作用和光合作用能力。結果表明3.5%和3.9%的含鹽量不會影響共生藻類的數(shù)量、呼吸和光合作用。然而，更高的含鹽量會降低海洋生物種類的生長率。根據(jù)上述試驗，沖繩珊瑚海周圍的濃水含鹽量最高值設計為3.9%。海洋生物種類的生物鑒定試驗對排放區(qū)常見海洋生物品種的生物鑒定試驗，濃水排放不會導致： l l         令人討

11、厭的水生物的生長l l         本地生物的退化l l         海洋生物群落的退化，包括脊椎動物、無脊椎動物和植物種類等在本工程中，珊瑚床附近設定的最大目標含鹽量為TDS 3.8%，因為據(jù)報道，海洋生物在TDS 4%以下不會受到影響。模擬濃水排放系統(tǒng)的運行表示稀釋后的反滲透濃排水流到海床時不會導致超過0.1%TDS的升高。因此估計海水淡化廠的運行不會對環(huán)境造成負面影響。合適的濃水排放方式為達到足夠稀釋，有必要加強濃水與周圍

12、海水的混合。這可以通過提高最初的排放流速，并盡可能地使排放水流在達到海底時保持拋物線狀。一般來說，在湍流中或在海底的陡坡處選擇一個濃水排放點也是可行的。在沖繩，排放點的位置比取水點約深2米。濃水布置在沖繩海水淡化系統(tǒng)中，濃水排放設備為特殊水下分散裝置：16個直徑100mm呈45°角的噴管。需排放的濃水含鹽量比附近的原海水含鹽量高，具體如下：典型海水：3.48% TDS；密度：1.0216 g/cm2 (溫度：30)排放的濃水：5.81% TDS；密度：1.0388 g/cm2 (溫度：31)如圖2所示，濃水趨向于下沉且向海底擴散，因此在排放管道尾端的分散裝置需具有很好的混合與稀釋功能

13、，目標值為不超過原海水0.1% TDS。在距離分散裝置12米處，海水被稀釋至3.54%TDS。排放量：67000噸/天排放速度：6.0米/秒濃海水：5.8%原海水：3.5%距離(米)濃度(%)圖2 濃水排放分散裝置沖繩海水濃度分布模擬圖絮凝泥漿處理預處理流程包括初級雙介質過濾器和二級剖光砂濾器。兩種過濾器都是水平壓力池。氯化鐵在雙介質過濾器中用作絮凝劑。雙介質過濾器和砂濾器的反洗排水以及反滲透膜的化學清洗排水最初儲存在廢水罐中，定期送到濃縮池中。在將上部的清水和沉淀的泥漿分離后，清水通過下水道處理系統(tǒng)排放掉。如果沉淀的泥漿沒有沖洗就進行干燥，泥漿中將含有鹽分，因為沉淀的泥漿海水含量很高。用淡水

14、在一級和二級稀釋池中對泥漿進行沖洗，使之脫鹽。沖洗后泥漿保存在儲存罐中。然后在加壓條件下用無毒添加劑使泥脫除65%水分。最后，泥漿制成約12mm的泥塊，可以通過漏斗裝到車上并定期運走。主要設計規(guī)格：泥漿生產量：25m3/天濃縮泥比重：35000mg/L固體產量：880公斤/天脫水泥塊水含量：65%脫水設備：過濾布固定/半自動壓縮機械型/壓力脫水泥壓縮機放置活塞泵：64m3/h×60H×3.7kW(3套)壓縮高壓多級泵：28L/min×160mH×5.5kW(2套)因此，在海水淡化廠運行且保持環(huán)境的同時，它還考慮到減輕最終處理地負荷，以使工業(yè)廢物和對環(huán)境的

15、負面影響降至最低。硼濃度和措施海水淡化廠產水的硼濃度引起了民眾、政府和工程公司的廣泛關注。海水包括約5mg/L硼，以B(OH)3或B(OH)4形式存在。脫硼率明顯低于其它成分脫除率，因為硼在中性pH范圍內幾乎不帶電。目前商用的海水淡化反滲透膜的脫硼率約在85%。因此40%回收率的情況下，根據(jù)pH、溫度、給水壓力等條件變化，反滲透產水中將含有0.71.4mg/L硼。在沖繩，為了使硼含量符合飲用水標準，將反滲透產水與鄰近的Chatan水廠的地表水進行了適當?shù)呐浔然旌?。對于干旱和沒有可混合水源地區(qū)，在反滲透水廠中實際應用了高脫硼海水淡化膜。 大型海水淡化廠投入運行5年間沒有遇到嚴重問題。雖然沒有日東

16、電工與Toray反滲透膜的對比數(shù)據(jù)，但兩種膜性能都能滿足設計要求。至今日東電工NTR-70SWC膜沒有進行過更換。在反滲透產水中的所有成分中，只有硼超過飲用水標準(日本標準原為0.2mg/L，1998年修訂為1mg/L)。沖繩的反滲透產水和地表水混合后可以符合飲用水標準。在干旱地區(qū)或沒有可供混合的水源地區(qū)，需要高脫硼海水淡化反滲透膜。實例2：新型高脫硼卷式海水淡化膜 安藤雅明 日東電工集團膜事業(yè)部徐平美國海德能公司中國摘要：反滲透膜可用于各類脫鹽應用。由于世界范圍內的水資源短缺問題， 反滲透海水淡化市場增長迅速。目前的卷式反滲透膜對很多離子都有較高的脫鹽率，通常對總溶解固形物(TDS)的脫除率

17、在99%左右。因此反滲透膜的產水中，大多數(shù)成分能滿足飲用水標準。然而反滲透膜的脫硼率較低，在海水的自然PH值下不能完全脫除硼。在海水淡化中，產水中的硼濃度通常超過飲用水標準。因此，反滲透產水需和含有低濃度硼的陸地水混合；另外也可以將產水再經過另一套反滲透系統(tǒng)以進一步降低硼濃度，但這樣做導致脫鹽費用太高并使反滲透系統(tǒng)變得復雜。日東電工/海德能公司開發(fā)出一種新型渦卷式結構反滲透膜，在海水淡化應用中有較高脫硼率。這種新膜既具有高脫硼率，又能抗化學物質侵蝕。因此這種膜可以替代傳統(tǒng)交叉鏈的聚酰胺膜，并可采用傳統(tǒng)的清洗方法。在日本沖繩的SESOKO水廠，新膜與傳統(tǒng)海水淡化膜進行了比較試驗。新膜產水中的硼濃

18、度是傳統(tǒng)膜元件的一半。新型脫硼膜元件已經運行了一年以上，性能穩(wěn)定。關鍵詞：硼、飲用水、脫鹽、反滲透、多級反滲透、低壓反滲透1簡介當今世界上反滲透海水淡化廠總產水能力將達到兩百萬噸/天。多個產水能力在幾萬噸/天的大型海水淡化廠已在興建(見表1)。另外幾個1020萬噸/天的巨型海水淡化項目計劃在中東、北美、拉美、歐洲和東南亞等全世界范圍內興建。在21世紀初，作為解決全球水資源短缺的最佳措施之一，反滲透海水淡化法將在全世界繁榮發(fā)展。因為可以去除有害物質如三鹵甲烷，預計從現(xiàn)在開始芳香族聚酰胺復合膜將被更多采用?？偟膩碚f，海水淡化反滲透系統(tǒng)產水水質很好，產水中除硼含量不能達到世界衛(wèi)生組織(WHO)水質標

19、準外，TDS值可低至100200 mg/l。海水中的硼濃度為45 mg/l，在自然的海水PH值范圍內不能離解成離子形態(tài)以致于反滲透膜很難將它們去除，特別是與其它無機物相比膜的脫硼率較低。根據(jù)給水溫度和濃度不同，海水淡化的產水中硼濃度在0.81.5 mg/l左右，不能滿足WHO1997年頒發(fā)的臨時標準2中的0.5 mg/l硼含量。為達到該標準， 淡化廠不得不將RO產水與由地下水或地表水制成的飲用水和(或者和)經MSF多級過濾的飲用水混合，這些飲用水幾乎不含硼。然而在很多沒有足夠陸地水源的地區(qū)，這類混合處理無法實施。在一篇關于兩級反滲透系統(tǒng)的運行報告中，第一級采用高壓海水淡化反滲透膜，第二級采用低

20、壓反滲透膜來降低硼濃度2。但這樣做不僅增加了飲用水工藝的成本，而且還使反滲透系統(tǒng)的設計變得復雜。因此對高脫硼海水淡化膜的需求持續(xù)增加。本文將詳細描述日東電工/海德能公司開發(fā)的新型高脫硼卷式海水淡化膜的性能，和其在示范水廠的運行結果。表1 世界上的大型反滲透海水淡化廠列表國家地區(qū)生產能力投運時間膜公司阿拉伯Fujarah170,0002003海德能公司沙特Medina/ Yanbu II128,0001998TOYOBO西班牙Carboneras120,0002001海德能公司特立尼達和多巴哥島Lisas109,0902001東麗公司佛羅里達， 美國Tampa Bay95,0002002海德能公

21、司沙特Al Jubail90,9091999杜邦公司 / 東麗公司沙特Jeddah， 第一期56,8001989TOYOBO沙特Jeddah， 第二期56,8001994TOYOBO西班牙Marbella56,4001998杜邦公司馬耳他Penbroke54,0001994杜邦公司塞浦路斯Larnaca51,0002001海德能公司巴林群島Al Dur45,0001989杜邦公司西班牙Bl Mallorca42,0001998杜邦公司日本沖繩40,0001997日東電工 / 東麗公司塞浦路斯Dhkelia40,0001998杜邦公司傳統(tǒng)脫硼方式1. 將硼分解成離子在原子反應器、鐵合金等應用中，

22、硼是中子吸收源。另外，硼酸是一種化合物，被廣泛用在玻璃制造、陶瓷上釉和化妝品中。攝取少量硼將引起食欲不振或虛弱，但中毒嚴重時會導致嘔吐、腹瀉、胃痛等等。在1993年WHO頒發(fā)的飲用水質量標準中， 硼含量值小于0.3 mg/l。 在1997年WHO修改的臨時標準是0.5 mg/l2。硼在海水中以硼酸形式存在， 其水分解反應式如下：H3BO3 + H2O <=> H+ + B(OH)4-pKa = 9.25圖1所示為PH值與分解反應式之間的關系。在PH=7中性水中，硼很難分解成離子，因此反滲透膜的脫硼率比無機離子低得多。另一方面當PH>9.5，多數(shù)硼以B(OH)-離子形態(tài)存在。因

23、此反滲透給水PH越高，脫硼率越高3。然而因為高PH值下容易形成垢，如CaCO3垢，反滲透系統(tǒng)不能在高PH值下穩(wěn)定運行。因此需要研究其它降低硼濃度的可行方法。2. 實際運行水廠中傳統(tǒng)海水淡化反滲透膜的脫硼率日本沖繩海水淡化廠(40,000噸/天)已經投運, 圖2是工藝流程圖。該廠全部選用卷式芳香族聚酰胺復合膜(日東電工NTR-70SWC，東麗公司SU820)。采用一級運行方式，操作壓力6 MPa，回收率為40%。原海水TDS(總含鹽量)和硼含量分別為38,300 mg/l和4.59mg/l；在25時產水中的TDS為154 mg/l，硼含量為1.08mg/l；在30時，產水中的TDS為194 mg

24、/l，硼含量為1.34mg/l 4。各項水質見表2?？梢娒撆鹇史浅５?，在7176%之間，而TDS脫除率卻高達99.5%99.6%。為滿足日本權威機構制定的硼含量為1.0mg/l的飲用水標準， 該水廠采用反滲透產水與由源自陸地水的幾乎不含硼的凈化水進行混合。 (廢水處理設施)圖2 反滲透海水淡化流程圖表2 水質分析表項目 單位RO 膜脫除率%給水產水PH-6.85.6-電導率s/cm5180036199.3TDSmg/l3830017699.5鈉mg/l1120063.599.4鉀mg/l4422.5599.4硼mg/l4.591.1774.5總硬度mg/l63604.399.9Cl-

25、mg/l1950096.699.5Br-mg/l68.10.4599.3SO42-mg/l27602.0399.93. 兩級處理方式雖然混合水方式可以降低硼濃度，如果沒有足夠可用的陸地水源或經MSF多級過濾水時，就無法采用混合水方式。 為解決這一難題，有試驗表明利用硼在PH>9.5時分解為離子態(tài)的特性，采用兩級反滲透法，以提高膜的脫硼率2。該試驗采用NTR-70SWC/SWC3海水淡化膜和超低壓ES20/ESPA2膜。在各自的1*和2*測試條件下，每種膜對NaCl溶液的脫除率和產水量分別是99.5% / (16m3/d)和99.7% / (30m3/d)。*1 NTR-70SWC/SWC

26、3主要測試條件： 3.5% NaCl 溶液，壓力5.5 MPa*2 ES20/ESPA2主要測試條件： 0.5% NaCl 溶液，壓力0.75 MPa含硼2.3mg/l的原海水經過絮凝沉淀處理后，調節(jié)其PH=6.5以防止結垢，然后成為第一級的NTR-70SWC/SWC3海水淡化膜的給水。 在第一級反滲透膜的主要運行條件是回收率為40%，運行壓力為6 MPa。在第一級產水中硼濃度是0.95 mg/l。通過投加NaOH來調節(jié)其PH值到9.5，然后再供給第二級的超低壓ES20/ESPA2膜上。第二級系統(tǒng)主要運行參數(shù)是回收率33%，運行壓力1 MPa。產水中硼濃度0.16mg/l，滿足WHO制定的0.

27、5 mg/l臨時標準。 但兩級反滲透方式使得飲用水工藝成本更高、系統(tǒng)更復雜。還應當指出的是產水中的礦物質如鈣含量過低。因此還需要盡可能多的采用高脫硼海水淡化膜的一級海水淡化處理方式。新型高脫硼海水淡化膜的開發(fā)日東電工/海德能公司開發(fā)了一種新型海水淡化膜，其脫硼率明顯比傳統(tǒng)海水淡化膜高。表3所示為8"新型海水淡化膜與傳統(tǒng)海水淡化膜NTR-70SWC的脫鹽性能比較。兩者都是在含硼5mg/l的模擬海水條件下測試的。 新型膜產水中硼濃度0.44mg/l，傳統(tǒng)海水淡化膜產水中硼濃度為 0.78mg/l，也就是說相比后者，前者產水中硼濃度低40%或更多。按脫硼率計，新膜提高到91%，而傳統(tǒng)膜為8

28、5%。表3 8"新型高脫硼卷式海水淡化膜的性能(單支膜元件)膜元件NaCl脫除率%產水量(m3/d)硼濃度脫硼率%給水產水新型膜99.6155.00.5290傳統(tǒng)膜 (NTR-70SWC)99.6175.00.7885測試條件： 5.5 MPa, 3.5% NaCl ，5mg/l 硼, PH6.57.0表4所示為8"新型海水淡化膜與傳統(tǒng)海水淡化膜NTR-70SWC的脫鹽性能比較。 膜元件的給水為海水，并聯(lián)運行。運行條件是：運行溫度28，產水量90m3/d，回收率40%，給水中硼含量4.7 mg/l。反滲透膜是直徑8"、長度40"的標準元件，6支膜串聯(lián)裝在一支壓力容器里。測試結果表明新型膜產水中硼濃度為0.54mg/l，與傳統(tǒng)膜產水中硼濃度0.92mg/l相比較，新型膜產水中硼濃度幾乎降低了一半。結果證實新型膜元件能夠降低產水中硼濃度。 表4 在實際海水中新型8"高脫硼卷式海水淡化膜的性能膜元件壓力 MPa產水電導率 s/cm硼濃度 mg/l給水產水給水產水新型膜6.2530001804.30.54傳統(tǒng)膜 (TR-70SWC)6.1530002404.30.92測試條件： 產水量90m3/天, 溫度28示范水廠中使用新型高脫硼海水淡化膜進行長期連續(xù)運行測試為驗證新開發(fā)的反滲透膜在