引 言
我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)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(yán)重,原生劣質(zhì)水分布面積廣,尤其是西北干旱內(nèi)陸地區(qū),由于降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)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(qū)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(xiàng)指標(biāo)不符合或達(dá)不到國(guó)家《飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》,表現(xiàn)為高濃度鹽堿成分,甚至表現(xiàn)為高硬度、高氟、高砷、高鐵錳、低碘、低硒特征,多年以來(lái)嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳钯|(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(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。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(xiàn)有淡化容量的70 %是蒸餾法,主要是多級(jí)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(shì)。
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(jié)構(gòu)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(jí)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(yīng)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(dá)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(duì)水質(zhì)要求較嚴(yán)格、需對(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理等缺點(diǎn)。20 世紀(jì)50 年代,美國(guó)、英國(guó)開(kāi)始將這種方法用于苦咸水淡化,中國(guó)在20 世紀(jì)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(yīng)用特點(diǎn)[3 ]
(1) 電滲析對(duì)鐵、鎂、鈣、鉀、氯化物等溶解性無(wú)機(jī)鹽類(lèi)及毒理學(xué)指標(biāo)砷、氟化物的去除率達(dá)66 %～93 % ,可以滿(mǎn)足苦咸水淡化需求;
(2) 電滲析對(duì)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(biāo)含量較低,去除率雖低,尚能滿(mǎn)足生活飲用水衛(wèi)生要求;
(3) 電滲析對(duì)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(wèi)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(jī)物和細(xì)菌,加之設(shè)備運(yùn)行能耗較大,使其在苦咸水淡化工程中的應(yīng)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(cè)同時(shí)分別加入純水和鹽水,使膜兩側(cè)的液面一樣高,過(guò)了一定時(shí)間會(huì)發(fā)生鹽水側(cè)的液面在升高,純水側(cè)的液面在下降,這是由于水分子透過(guò)半透膜向鹽水側(cè)遷移的結(jié)果,這種現(xiàn)象稱(chēng)為滲透。能夠?qū)λ蛉芤壕哂羞x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(dāng)?shù)膲毫?則可使?jié)B透停止。
當(dāng)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(zhuǎn)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(jī)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(shè)備簡(jiǎn)單、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、適應(yīng)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(guī)能源短缺地區(qū)人們生活用水問(wèn)題的既經(jīng)濟(jì)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(xiàn)有的淡化法中,反滲透淡化法是最經(jīng)濟(jì)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“篩分”的作用,因此反滲透分離過(guò)程所需能耗較低。在現(xiàn)有海水和苦咸水淡化中,反滲透法是最節(jié)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(jī)物、膠體、病毒、細(xì)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(guī)的反滲透法工藝流程
常規(guī)反滲透法工藝流程是:原水→預(yù)處理系統(tǒng)→高壓水泵→反滲透膜組件→凈化水。其中預(yù)處理系統(tǒng)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(hù)反滲透膜、延長(zhǎng)其使用壽命而設(shè)立的,另外,復(fù)合膜對(duì)水中的游離氯非常敏感,因而預(yù)處理系統(tǒng)中通常都配備活性炭吸附。
1. 3. 3 反滲透法給水預(yù)處理
給水預(yù)處理對(duì)反滲透法安全運(yùn)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(jī)物和無(wú)機(jī)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(jié)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(bào)廢的嚴(yán)重結(jié)果。另外不同膜材料具有不同的化學(xué)穩(wěn)定性,它們對(duì)p H、余氯、溫度、細(xì)菌、某些化學(xué)物質(zhì)等的穩(wěn)定性也有很大的影響,對(duì)給水預(yù)處理的要求也不同。一般來(lái)講,膜組件生產(chǎn)廠商均會(huì)提出給水水質(zhì)指標(biāo)。這些指標(biāo)包括:
(1) 淤泥密度指數(shù)( S D I) 。該指數(shù)能較好地反映給水中膠體、濁度和懸浮物的含量,給水預(yù)處理后, S D I 越低對(duì)膜組件的使用年限越長(zhǎng), 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(fù)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(guī)定范圍膜易水解。調(diào)節(jié)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(jié)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(fù)合膜耐溫可高達(dá)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(xì)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(dāng)硫酸鹽和鈣、鎂含量較高時(shí),必須注意加防垢劑,嚴(yán)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(jì)算水中Lange2lier 飽和指數(shù)、Stiff 和Davis 穩(wěn)定指數(shù)可判斷結(jié)垢的趨勢(shì)。
(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(fù)合膜則只能在低于0.1mg/ L下運(yùn)行。通過(guò)加入亞硫酸氫鈉可以降低余氯。
(9) 總有機(jī)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(jī)物,正是細(xì)菌的餌料,以致殘存的細(xì)菌繁殖更快,醋酸纖維素膜對(duì)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(tǒng)的安全運(yùn)行
雖然反滲透系統(tǒng)運(yùn)行已證明是可靠的,但產(chǎn)生的故障報(bào)道也不少,如給水預(yù)處理不當(dāng)、沒(méi)有按規(guī)定控制各種運(yùn)行參數(shù),均系操作不當(dāng)引起。因此,反滲透淡化系統(tǒng)安全運(yùn)行必須注意以下問(wèn)題:
(1) 定期測(cè)試SDI指數(shù)。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(jié)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(jié)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(yù)示膜組件被污染或結(jié)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(xiàn)。如在短時(shí)間內(nèi),產(chǎn)水量和脫鹽率明顯變化,必須檢查預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)對(duì)二價(jià)及多價(jià)陽(yáng)陰離子的截留
(2) 反滲透系統(tǒng)對(duì)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(jī)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(biāo)去除率大于
98 % ,出水水質(zhì)優(yōu)于國(guó)家和國(guó)際水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[6 ,7 ] 。
(3) 反滲透系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)對(duì)污染性及毒理學(xué)指標(biāo)、耗氧量、N H32N、NO22N 、NO32N、砷去除率40 %～83 %,低于上述無(wú)機(jī)鹽類(lèi)去除率,但原水中污染性指標(biāo)含量相對(duì)較低,40 %～83 %的去除率完全可以滿(mǎn)足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)對(duì)細(xì)菌總數(shù)檢測(cè)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(biāo)及部分理化指標(biāo)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(yàn)方法的檢出下限,不做加標(biāo)檢驗(yàn),難以從運(yùn)行水質(zhì)指標(biāo)中確定反滲透器對(duì)它們的去除效果,
但根據(jù)中國(guó)預(yù)防醫(yī)學(xué)科學(xué)院環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)所1997年7 月對(duì)一些反滲透裝置加標(biāo)檢驗(yàn)報(bào)告來(lái)看,上述指標(biāo)的去除率絕大部分達(dá)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(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)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(dá)到我國(guó)《飲用純凈水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。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(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、運(yùn)行效果穩(wěn)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(jié) 語(yǔ)
采用反滲透法對(duì)不同含鹽量的苦咸水進(jìn)行脫鹽淡化,淡化過(guò)程中,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)的脫鹽率達(dá)96 %以上,淡化水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。反滲透系統(tǒng)苦咸水淡化裝置具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,可根據(jù)原水的水質(zhì)情況,調(diào)整運(yùn)行參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同含鹽量的苦咸水連續(xù)進(jìn)行處理。該裝置高度集成化,可望成為定型的成套設(shè)備。
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