张 乾，翟自芹，冯 涛，薛喜东，闫玉莲

(1. 自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192；2. 天津海关工业产品安全技术中心，天津 300308)

1 海水淡化处理技术

1.1 常规海水淡化预处理工艺

常规反渗透海水淡化预处理技术已经比较成熟，主要包括混凝沉淀、多介质过滤、自清洗过滤、超滤、气浮等，根据不同水质进行工艺组合，基本能够满足反渗透进水要求。

混凝沉淀、多介质过滤等，对于水质较好的海域完全可以满足反渗透海水淡化的进水需求，在国内外海水淡化工程中应用广泛。传统的预处理方式存在工序较多，占地空间大，且成本高，效果不好，难于控制的问题，更重要的是常规的预处理方式不能对细菌和胶体构成有效的屏障，保护反渗透膜，而且其产水流量和水质随着原水水质而变化，不能满足反渗透进水水质恒定的要求。随着反渗透技术的广泛应用，对于水质较差的地区的预处理方式，传统的预处理方式面临着很大的挑战[1]。

超滤技术是一种以机械筛分原理为基础，以膜两侧压差为驱动力的膜分离技术。它的筛分孔径小，主要用于截留粒径在1 nm～20 nm的小分子可溶性溶质、大分子和胶体物质等。中空纤维膜是超滤技术最为成熟与先进的一种形式，与反渗透构成的“双膜法(UF+SWRO)”广泛应用于国内外大型反渗透海水淡化工程。

气浮是利用高度分散的微小气泡作为载体去黏附污水中的污染物，使其密度小于水而上浮到水面，以实现固液或液液分离的过程，主要用于去除海水中的藻类、油及过滤、沉淀不能去除的细小悬浮物和微絮体。气浮的分离效率和分离效果要高于沉淀池，并可节省混凝剂用量。

1.2 非常规预处理要求

在海水淡化技术推广过程中，遇到了一些极其苛刻的水质条件，常规预处理效果非常差，甚至根本无法正常运行。例如在煤焦炭等散货码头，只能延码头岸线放置潜水泵取水，但其所在泊位底部往往沉积有大量粉煤灰渣和矿石粉，在船舶启停、下雨、大风、大潮期间，多介质过滤器和超滤系统会快速污堵，即便在这些特殊情况期间频繁启停淡化设备，运行的水质条件也非常差，导致预处理系统清洗周期和使用寿命大大缩短[2]；在海洋航道疏浚船舶上，由于疏浚作业导致海水固含量非常高，沙滤和超滤系统会被裹挟有机物的细微污泥快速污堵，而且清洗难度极大；在黏土细砂含量较大的海域，移动式海水淡化设备实际运行中预处理系统快速污堵，而且反洗效果非常差。这些恶劣水质条件的一个共性特点就是海水固含量高，平均约在300 mg/L～3 000 mg/L之间，高的有可能达到10 000 mg/L左右，已经成为了反渗透海水淡化技术在特定环境应用面临的技术难题之一。

1.3 探索管式微滤预处理高固含量海水

管式微滤膜是以膜两侧压力差为推动力，采用错流过滤方式的一种膜技术，可以用于除去给水中微米级和更大的悬浮状固态物质、细菌及COD等。在操作压力为0.1 MPa～0.5 MPa条件下，干净的液体通过膜孔过滤出来，同时悬浮固体颗粒状物质留在循环流动的浓液中，浓液在膜管中保持湍流状态以阻止细小固体杂质在膜内层表面堆积，因此可以使该膜系统获得非常高的过滤通量(300 LMH～500 LMH)，同时延长膜的使用寿命。此外，其还具有很好的抗氧化能力和机械强度。管式微滤已在诸多工业领域得到了广泛应用，例如电镀槽液中高浓度固体物质的去除、硅晶体研磨切片工艺切削液回用、完井液中高浓度固体物质的去除、焚化炉洗刷水中重金属的去除，以及化学、微电子、造纸等工业废水处理领域[3-5]。含有泥沙的海水预处理实际上也是一种固液分离需求，相比于常规概念的固液分离其固含量不算高，但相对于常见的海水淡化取水水质，其固含量却非常高，管式微滤适用性研究有可能解决恶劣海水条件下反渗透的正常使用问题。

2 试验方法

2.1 试验仪器

激光粒度分析仪(Winner318)，台式扫描电子显微镜(TM3030)，透反射偏光显微镜(LY-WN-BM2100POL)，浊度测试仪(2100Q)，SDI在线检测仪(RizonSDI120-P-3)。

2.2 试验原料及膜组件

经广泛调研、检测与分析，采用石英粉模拟高固含量海水中的海砂细粉，用高岭土粉模拟其中的黏土成分。悬沙和黏土的粒径选择三个范围，2 500目(约5 μm)、1 250目(约10 μm)、625目(约20 μm)。配比按照石英粉重量占比85%，高岭土重量占比15%，5 μm重量占比50%，10 μm重量占比35%，20 μm重量占比15%。

PP管式微滤膜组件示意如图1所示，膜组件规格参数如表1所示。

图1 膜组件示意图Fig.1 Schematic diagram of membrane module

表1 膜组件规格参数Tab.1 Specification parameters of membrane module

2.3 试验方法

试验装置工艺流程图示意如图2所示，主要包含原水箱(含搅拌器)、供水泵、膜组件、反洗水柱、产水箱、排污泵、空压机、酸洗水箱、碱洗水箱、冲洗水箱、仪表与电控系统等。

图2 试验工艺流程示意图Fig.2 Flow chart of test process

(1)过滤过程。称取不同粒径与质量的石英粉与高岭土，用人工海水配制不同质量浓度的悬浮液，模拟不同固含量的海水。进行微滤操作，通过流量计和浊度计监测流量和与产水指标。

(2)反冲过程。通过压缩空气将反洗水柱中存在的过滤产品水压缩回流入膜组件内，对膜元件进行反向气水混合洗，除去膜孔内和膜表面堵塞和沉积的污染物，恢复膜的过滤性能。

(3)膜清洗操作。通过一定浓度的酸碱清洗溶液，对膜元件进行连续清洗与浸泡，用清水进行冲洗操作。

(4)纯水通量测定。在原水箱中加入纯水，检查实验流程，然后开动输送泵，调节压力和流量，进行实验，通过流量计与时间记录水通量及变化情况。

3 试验结果与讨论

3.1 悬浮颗粒与溶液表征

图3所示为配置的悬浮溶液高倍光学显微镜图像，显示溶液中存在的颗粒粒径种类和数量比例基本符合配置设定。有部分颗粒聚集形成约30 μm的松散聚集体，5 μm以下的细小颗粒也存在，可能是由大颗粒破碎而成。图4为配制悬浮溶液的激光粒度分析仪检测所得柱状累计分布图，图4中显示溶液中粒径分布范围分为两部分，一是5 μm～10 μm，二是20 μm～30 μm，与显微镜的观察到的基本一致。

图3 悬浮溶液高倍光学显微镜图像Fig.3 High power optical microscope image of suspension solution

图4 悬浮溶液激光粒度分布图Fig.4 Laser particle size distribution of suspension solution

3.2 跨膜压差对微滤性能的影响

跨膜压差是影响微滤过滤特性及膜污染的重要操作参数。实验中选取质量浓度为1 g/L的混合配置悬浮液，跨膜压差在0.055 MPa～0.260 MPa范围内，过滤性能的变化规律。如图5所示，随着跨膜压差从0.055 MPa提升至0.260 MPa，渗透通量也从172 L/m2·h升高至567 L/m2·h，表明增大跨膜压差对于提高渗透通量具有显著的作用。随着过滤的进行，通量呈现显著下降的趋势，0.220 MPa跨膜压差条件下，运行30 min后渗透通量仍然能维持在467 L/m2·h。

图5 渗透通量随跨膜压差和时间的变化Fig.5 Changes of permeate flux with transmembrane pressure difference and time

3.3 原料液浓度对微滤性能的影响

原料液浓度对微滤膜的传质和流动状态均有重要影响，其对渗透速率的影响是复杂的。系列跨膜压差条件下渗透通量随原料液浓度的变化如图6所示，0.05 g/L～8.0 g/L的进料浓度范围内，渗透通量呈现震荡下降的趋势，跨膜压差越大、震荡的幅度越明显，但渗透通量的下降均未超过15%。渗透通量降速相对较小的跨膜压差条件(0.155 MPa)下，渗透通量随进料液浓度增大至30 g/L，通量下降幅度达到了23%。表明进料液在浓度较低时在膜表面形成的过滤阻力层为松散非稳定型，过滤阻力较小，较多的料液透过膜形成渗透液，渗透通量相对高且稳定。随着料液浓度的增加，颗粒进入膜孔内和沉积在膜表面的速率增大，受到浓差极化和稳定阻力层形成的影响，渗透通量逐渐减小，但还没有达到渗透通量相对恒定的状态，表明膜面上仍未形成饱和稳定阻力层，膜过滤性能还能够适应更高浓度的进料液。

图6 渗透通量随进料液浓度的变化Fig.6 Variation of permeate flux with feed concentration

3.4 浓度和压力对产水水质的影响

试验用膜的过滤精度为0.2 μm，但过滤孔径分布的均匀性、最小和最大过滤孔径的精度均未测定，因此其在不同运行条件下的截留能力和效果也无法准确判断。试验选取系列浓度和运行压力条件下，对产水浊度和SDI值进行检测。如图7所示，产水浊度测试显示，在50 mg/L～30 000 mg/L进料液浓度范围内，产水浊度均低于0.5 NTU，对于SDI15的监测也显示其数值分布在1.9～4.2之间，这两项指标的数值虽然高于超滤膜的产水指标，但仍能满足反渗透膜的进水要求，而且出水水质也比较稳定。

图7 产水浊度和SDI值随进料液浓度的变化Fig.7 Variation of turbidity and SDI value of produced water with feed concentration

3.5 膜抗污染性能及分析

膜污染是困扰微滤过程性能的主要问题，在优化操作参数改善污染的同时，膜组件自身的抗污染性能也是影响微滤操作效率的重要因素。试验利用学者总结得出的膜组件污染指数计算方法[6]，考察操作参数对膜组件抗污染性能的影响。

如图8所示，进料液浓度1 g/L，流量15 m3/h，跨膜压差为0.155 MPa，室温条件下的变化曲线，对实验数据进行拟合，其斜率即为标准膜污染指数UMFI，其数值为3.73×10-4。如表2所示，跨膜压差在0.055 MPa～0.260 MPa变化时，随着跨膜压差的增加，膜标准污染指数减小，表明了跨膜压差的增大有利于提高膜的抗污染性能。

图8 UMFI计算拟合曲线Fig.8 Fit curve of UMFI calculation

表2 不同跨膜压差的膜标准污染指数(×10-4)Tab.2 Standard fouling index of membrane with different transmembrane pressure difference

4 结论

高固含量海水条件下，普通海水淡化预处理工艺很难满足使用要求，通过模拟试验研究表明，管式微滤膜在其允许的运行压力范围内，能够循环处理固含量比较高的海水，产水水质稳定且符合反渗透膜的进水要求，耐污染特性也能够满足高通量运行与间歇反冲的要求，具备特殊环境与工况下预处理海水的基本性能，后续需要对海洋有机物、微生物与悬浮物的协同处理开展进一步研究。