膜技术在海水淡化浓盐水资源化利用中的试验研究

2020-08-12吴正雷罗小勇

广州化工 2020年14期

周明，吴正雷，王磊，罗小勇

(江苏久吾高科技股份有限公司，江苏南京 211808)

我国可利用水资源量仅为世界平均水平的1/4，淡水资源紧缺已成为制约沿海地区经济发展的瓶颈；而海洋约占地球总水量的97%，因此利用海水淡化技术将海水资源转化为淡水资源已成为解决我国沿海地区淡水供给的重要途径之一[1]。目前海水淡化主流技术有3种，分别为多级闪蒸(MSF)、低温多效蒸馏(LT-MED)和反渗透(SWRO)。随着大规模海水淡化工程的实施，其副产浓海水的排放问题引起了广泛关注。这部分浓海水直接外排将导致局部海域盐度升高，还会提升排放点附近的海水温度，使海水中溶解氧的含量降低，进而影响海洋生物的生长和繁殖[2-6]。如何综合利用海水淡化浓盐水，变废为宝，将成为促进社会可持续性发展及保护生态环境的关键[7]。

如能将浓海水用于氯碱生产中的化盐水，既可以回收浓海水中大部分氯化钠，降低原盐消耗，又可节约化盐用水，减少浓海水的排放。但浓海水中含有较高的硫酸根离子、钙和镁离子，给浓海水的利用带来困难。因此，本研究采用“超滤+纳滤”技术路线去除浓海水中的大部分硫酸根、钙和镁离子，纳滤清液去化盐池化盐，实现浓盐水的资源化利用，减量后的纳滤浓液排海，减少对海水的影响[8]。

1 试验概况

1.1 试验设计进出水水质

本次试验进水为某钢铁厂海水淡化产生的浓盐水，水质指标见表1。

表1 海水淡化浓盐水水质指标

1.2 工艺流程

本次中试试验以“超滤+纳滤”为核心工艺，浓盐水先经多介质过滤器，去除水中较大的悬浮物、胶体等杂质，降低对膜元件的机械损伤及污染，提高后续膜元件的使用寿命；经预处理后的水进入超滤系统进一步去除悬浮物，超滤产水经纳滤系统去除大部分硫酸根、钙和镁离子后进入化盐工艺。中试工艺流程如图1所示。

图1 中试工艺流程图

该中试实验自2019年10月28日至2019年12月31日，历时约2个月，期间每日对各个工艺段进出水取样分析，记录设备运行情况。

1.3 实验装置及设计参数

中试实验核心装置主要由超滤、纳滤及反渗透单元组成。

超滤单元采用中空纤维膜组件，材质为PVDF，膜孔径0.1 μm，设计参数见表2。

表2 超滤单元设计参数

纳滤单元采用苏伊士公司的DK和DL纳滤膜进行实验，比较2种不同型号纳滤膜对不同离子截留率效果，选择最优纳滤膜进行实验。初始设计参数见表3。

表3 纳滤单元设计参数

1.4 分析方法

2 结果与讨论

2.1 超滤单元对进水悬浮物的去除效果

胶体和颗粒污堵将严重影响纳滤元件的性能，导致产水量大幅降低及脱盐率下降的现象。因此需控制纳滤单元进水浊度在1 NTU以下，同时检测SDI15指标要在5以下。中试期间对超滤进出水每日取样进行检测，进出水浊度及其去除效果见图2。从图中可以看出，进水浊度在7～15 NTU波动，出水浊度在0.2 NTU以下，且在中试运行期间数据稳定，满足进入后续有机膜处理单元对于浊度的进水条件。

图2 超滤单元对浊度的去除情况

同时中试期间对超滤出水每2天取样1次进行检测SDI15，检测SDI15见图3。从图中可以看出，出水SDI15均在0.8 NTU以下，且在中试运行期间数据稳定，满足进入后续有机膜处理单元对于SDI15的进水条件。

图3 超滤单元产水SDI15值

中试期间控制进水压力<0.1 MPa的条件下，经长期实验表明，海水淡化浓盐水最佳运行通量在40～50 L/(m2·h)范围内，产水完全满足后端NF单元对进水水质的要求(进水要求浊度≤1 NTU，SDI 15≤5)。

2.2 纳滤单元试验结果

2.2.1 不同品牌纳滤膜截留率的比较

图4 DK和DL纳滤膜对离子的截留率情况

2.2.2 不同浓缩倍数对各种离子的截留率效果

图5 DK膜在不同浓度下对离子的截留率变化

由于DK膜的清液去化盐要控制Ca2+离子含量小于120 mg/L，Mg2+离子含量小于100 mg/L，因此浓缩倍数不是越高越好，需在保证水质的前提下，选择合适的浓缩倍数。从图6可以看出，浓缩4倍时，钙镁离子都超标，浓缩3.5倍时钙镁离子都合格，因此浓缩倍数选择3.5倍左右为宜，既有较高的水回收率，也能保证化盐水的水质。