海水淡化水处理工艺及其在巴林五星级酒店中的应用

　　摘要：海水淡化是当今最具有潜在发展能力和市场的水处理工艺，在中东地区巴林五星级酒店所运用的海水淡化处理核心工艺为反渗透，预处理方面则包括多介质过滤、活性炭过滤、连续超滤等。这次海水反渗透淡化装置的走出国门，为今后反渗透技术在我国的发展和普及奠定更加坚实的基础。
　　关键词：海水淡化、反渗透、超滤、多级闪蒸、电渗析、消毒、巴林Zallaq五星级酒店
　　1、概述
　　无论何时，无论何地，“水都是地球是最宝贵的资源之一”。这句话形容地处西亚波斯湾内，高温且少雨热带沙漠气候的岛国巴林，是最恰当不过的了。巴林地区年平均温度30摄氏度，年降雨量小于50mm，整个巴林岛无河流和湖泊，用水主要是通过海水淡化及抽取深层地下水，水资源极度缺乏，由于酒店用水量较大，日供水量需要660立方，巴林已有的市政管网无法满足用水要求，整个酒店的用水无法使用常规（城市管网、水库供水）的供水方式。于是，“海水淡化”便成为了酒店供水水处理的最佳方案。本文在比较不同海水淡化工艺的基础上，将对反渗透淡化及其预处理工艺在巴林Zallaq五星级酒店的应用进行详细介绍。
　　
　　2、海水淡化不同工艺的简介
　　不可否认，海水淡化技术在国内外都存在一些尚待解决的问题，成本也较高。可当今越来越多国家开始重视发展海洋经济、利用海洋优势，宁愿以较高的成本从海洋取水，以换取发展经济的宝贵时间和机会。所以水的价值远不是传统、静止的价值观所能衡量的。这也是海水淡化具有的潜在发展市场和美好前景的重要原因。
　　以下就反渗透及一些工业上常用的海水淡化技术简略进行介绍和比较：
　　（1） 蒸馏法：
　　蒸馏法原理显而易见，即加热→蒸发→冷凝。设备主要分为：多效蒸发（ME）、多级闪蒸（MSF）、压气蒸馏（VC）。蒸馏法大量使用于海水淡化的生产。尤其MSF工艺，目前全球淡化水总产量中仍居第一，其技术最成熟，运行安全性最高，适用于大型和超大型淡化装置，总是与火力电站联合运行，主要在海湾国家使用，产水量占整个淡化水量的42.4%；而VC法属于最省能的淡化方法之一，但规模一般不大。
　　（2） 膜法：
　　膜法包括3种，反渗透（ReverseOsmosis，后文简称RO，将对其进行详细介绍）、膜蒸馏(MD)、纳滤（NF），其中RO法无论在海水、苦咸水，无论大型、中型、小型都能适应，是海水淡化技术中近20年来技术发展最快，且淡化成本也降得最快的淡化技术。1998年InternationalDesalinationAssociation（国际脱盐协会）公布的淡化产水量统计结果中，RO占整个淡化水量的39.5%，两年之后上升为41.1%，大有赶超MSF法之势，可以预见，RO法将会成为未来全球海水淡化应用最为普遍的技术。
　　（3） 电渗析法（ED）：
　　电渗析法以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性而脱除水中离子的淡化过程。但为了防止因浓差极化而引起的膜面结垢，采用频繁自动倒换电极极性的电渗析，被称为频繁倒极电渗析（EDR）。ED与EDR主要用于淡化苦咸水。
　　在实际使用中，究竟是用哪种淡化方法，也不是绝对的，要根据实际条件而定。包括规模大小、能源费用、原水水质、气候条件以及技术与安全性要求等。根据统计，从全球各地区采取的淡化方法比较可以看出：中东国家的首选仍是MSF法，其次便是反渗透；而其他地区都基本上选用反渗透。
　　3、巴林Zallaq五星级酒店海水淡化工艺
　　考虑到酒店规模、当地生活条件、天气变化情况等因素，巴林Zallaq五星级酒店海水淡化设备水量设计为30m3/h，从规模上看这套设备属于小型生产规模。其工艺主要流程为：
　　原水（海水）预处理（加药、多介质过滤等）→连续超滤→反渗透
　　以下就巴林Zallaq五星级酒店海水淡化系统依此顺序逐一进行流程分析。
　　（1）原水预处理
　　众所周知，要使SeaWaterReverseOsmosis（简称SWRO）系统长期安全有效的运行，对海水正确处理是非常重要的，这关系到反渗透膜组原件的寿命。因为反渗透膜组件是十分娇贵的，它虽然能够截流水中绝大部分溶解于不溶解的物质，包括离子、大分子有机物、胶体、病毒、细菌和悬浮固体颗粒，概括起来作用便是用于脱盐，如果截流其他物质，容易造成膜污染，损害膜元件。如果原水处理不当，膜元件在几天内就会损坏，相反如果给水预处理得当，膜元件的寿命可以超过5年，甚至更长。
　　巴林Zallaq五星级酒店SWRO系统的原水预处理包括消毒、混凝、沉淀、过滤等流程。
　　1）消毒
　　消毒是常规水处理中必不可少的步骤之一，它对减少水中致病微生物的致病作用起了至关重要的作用。
　　同样，在SWRO系统中采取消毒工艺，这也是必不可少的，原因是海水中的微生物含量大于淡水中的含量，系统中微生物的繁殖速度与规模十分惊人，如果处理不当，随时会对系统中的膜组件和一些管路器件造成不同程度的损伤。通常的消毒都采取氯消毒。
　　与酒店比邻的波斯湾巴林海湾，其本身生物污染较严重，故氯化法采用的是次氯酸钠发生器，这样不仅可以起到消毒作用，还能将Fe2+氧化为Fe3+，使之絮凝沉淀并在过滤过程中去除。次氯酸钠发生器的原理如下：
　　发生器的钛阳极电解海水（富含食盐）制得次氯酸钠，反应是为：
　　NaCl+H2O→NaOCl+H2↑
　　次氯酸钠消毒作用依靠次氯酸HOCl，反应式为：
　　NaOCl+H2O→HOCl+NaOH
　　显而易见，SWRO系统使用次氯酸钠发生器从经济角度来讲，也是最合适不过的。因为次氯酸最终还是由NaCl反应生成，使用次氯酸钠发生器将无需购买反应原材料。
　　2）絮凝
　　絮凝过程的目的是使水中的胶体、细菌、颜色等微粒集聚沉淀，从而降低反渗透过程前给水的浊度和淤塞密度指数（SDI），保证反渗透膜安全运行。絮凝是通过消除胶体颗粒间的排斥力或破坏胶体微粒的亲水性，从而使得颗粒易于相互接触而吸附在一起的。简单的说，絮凝是使凝聚的胶体进一步形成较大絮状颗粒的过程，这一过程靠一定外力搅动下使胶体颗粒相互碰撞而聚集，或者靠絮凝剂的桥架作用与其他杂质和悬浮物互相吸附在一起。
　　波斯湾巴林海域原水的浊度并不高，所以在巴林Zallaq五星级酒店的SWRO系统并没有采取澄清、沉淀的工艺，添加絮凝剂的水直接进入过滤系统。絮凝剂采用的是FeCl3，它具有不受水温变化影响、矾花大而结实，沉降速度快、价格便宜等众多优点。
　　3）过滤
　　过滤的作用是把给水中的悬浮物质和经过絮凝的胶体物质截流，从而达到降低给水的浊度和淤塞密度指数SDI等的目的，满足反渗透进水的水质要求。
　　本系统中的过滤共分为4个阶段：双层滤料池过滤→活性炭滤池过滤→自清洗过滤器过滤→超滤过滤（超滤将在下一节介绍）。
　　值得指出的是，在设备的最初工艺设计时并没有双层滤料池和活性炭滤池，经过一段试运行后，发现波斯湾巴林海湾的生物污染比较严重，为了使海水淡化设备能够正常运行，我们建议在工艺上进行调整，增加这两道工艺。
　　 双层滤料池过滤：作为常规水处理工艺的过滤方法，双层滤料池具有截流效果明显（较单层滤料）、过滤周期长（相同滤速下）、适应范围广等优点。其滤料组成的布局大致为，上层采用密度较小、粒径较大的轻质滤料------无烟煤；下层采用密度较大、粒径较小的重质滤料------石英砂。
　　就如前文所说的，由于波斯湾巴林湾海域的海水浊度并不高（低于50度），所以此系统采用的是直接过滤，即原水经过加药后直接进滤池，过滤前不设任何絮凝设备（也叫做“接触过滤”）。在过滤时，通过脱稳颗粒或微絮粒与滤料的充分碰撞接触粘附，被滤层截留下来，滤料除了具有过滤功能外，同时还成为了接触凝聚介质。
　　 活性炭滤池过滤：在双层滤料池后设置活性炭滤池，其主要目的还是在于利用活性炭的对有机物具有明显的吸附能力，在生物污染比较严重的环境下去除给水中的各种有机物（藻类等），同时由于原水经过氯消毒，此滤池还可起到脱氯作用。
　　但在过滤过程中，一定要注意活性炭的失效时间，及时更换滤料。因为在采用次氯酸钠消毒后的水还要考虑可能发生以下的化学反应：
　　HOCl+C→CO+HCl，
　　如果不注意及时更换，会产生颗粒状的碳粉脱落下来从而造成再次污染的结果。
　　 自清洗过滤器过滤：在经过前面的双重过滤后，给水中大部分大颗粒物质、悬浮物、微生物都已经去除，为了增加反渗透膜的使用寿命，提高整个系统的稳定性，从而在系统中设置了2台自清洗过滤器，起到了双保险的作用。
　　过滤器采用的是柱体结构，其中又具有粗滤网和细滤网，当水由入口进入过滤器进行过滤时，细滤网逐渐累计水中的杂质，形成过滤杂志层，因此滤网内外形成了压力差。当此压力差达到一定数值时，过滤器就会自动启动自清洗过程。从设备过滤原理来看，具有占地面积小，容易操控等优点。
　　（2）连续超滤
　　值得一提的是，巴林Zallaq五星级酒店的整个SWRO系统中不但使用了上述的常规预处理方法（包括消毒、絮凝、过滤等），还应用了新的预处理技术------超滤（UF）。
　　超滤的形式按照其外形可分为板框式、管式、卷式和中空纤维式等，巴林Zallaq五星级酒店SWRO系统的UF采用的是中空纤维式。从原理上比较，超滤膜的平均孔径介于反渗透膜和微滤膜之间，所以工作压力（推动力）小于反渗透膜而大于微滤膜。虽然超滤膜不具有脱盐能力，但由于其对水中的细菌、病毒、胶体、大分子等微粒具有十分有效的过滤能力，与反渗透膜相比，它具有操作压力低（操作方便）、设备简单的优点。
　　作为当今SWRO系统中的预处理新技术，UF在给水处理中示例不多，规模也不大，但是效果十分明显。在阿联酋新建的3800m3/d的SWRO厂里，采用的就是UF中空纤维膜作为给水预处理。对于常规预处理和超滤等于处理的效果进行比较，参数如下表：

　　再回到巴林Zallaq五星级酒店SWRO系统中的UF预处理，由于它也是属于膜处理范畴，与常规预处理一样，加入絮凝剂（FeCl3），过滤效果将更好。但同时由于其良好的过滤效果，过滤时的悬浮物和胶体等污染物质沉淀在膜面上，水通量将会有所下降，所以必须要注意其冲洗时间，可能会比较频繁。
　　（3） 渗透
　　作为巴林Zallaq五星级酒店SWRO系统的核心工艺，反渗透技术的研究是从1953年初开始的。1960年，第一张具有高脱盐率和高透水量的非对称醋酸纤维素(CA)反渗透膜研制成功。1970年美国杜邦推出用芳香聚酰胺中空纤维制成的反渗透器。90年代，超低压高脱盐率全芳香族聚酰胺复合膜开发进入市场。经过近半个世纪的研究开发，目前反渗透已经发展成为一种成熟的膜分离技术，被广泛应用在海水淡化、及其他水处理、环保等领域。
　　30年来反渗透技术取得了长足的进步，与传统的蒸馏法比，反渗透海水淡化过程不发生相的变化。根据热力学计算，常温下用反渗透法淡化海水的最低能耗仅为0.7Kw•h/m3左右。所以，理论上讲，它是最节能的海水淡化方法。而到目前为止，海水反渗透淡化的总能耗已经下降到3kW•h/m3左右，淡化水的成本已到达了0.55美元/吨以下，目前的市场占有率已经超过了45%。
　　了解了反渗透技术的发展及现状后，再来简单介绍一下反渗透的基本原理：
　　能够让溶液中的一种或几种组分通过，而其他组分不通过的这种选择性膜称为半透膜。当用半透膜隔开纯溶剂和溶液的时候，纯溶剂通过膜向溶液相有一个自发的流动，这一现象为渗透。
　　
　　
　　当渗透达到动平衡状态时，半透膜两侧存在着一定的水位差或压力差，此即为在指定温度下的溶液渗透压π。渗透压是溶液的一个性质，与膜无关。
　　
　　
　　若在浓溶液侧进一步增加压力，则渗透平衡被破坏，出现了溶剂的反向渗透流动，这一现象就称为反渗透（RO）。
　　
　　
　　反渗透膜的透过机理目前尚未有一致公认的解释，其中以选择性吸着——毛细管流机理常被引用。该机理认为膜表面由于亲水性的原因，能选择吸附水分子而排斥盐分子，因而在固-液界面上形成厚度为两个水分子（1nm）的纯水层。在施加压力作用下，纯水层中的水分子便不断通过毛细管流过反渗透膜。膜表皮层具有大小不同极细空隙，当其中的空隙为纯水层厚度的一倍（2nm）时，称为膜的临界孔径，可达到理想的脱盐效果。
　　反渗透膜的种类，常用的主要有醋酸纤维膜（CA）和芳香族聚酰胺膜两种；膜装置的种类可以分为板框式、管式、卷式和中空纤维式。巴林Zallaq五星级酒店SWRO系统所采用的卷式芳香聚酰胺膜。芳香聚酰胺膜是一种含氮的直链形芳香族的有机高分子的膜材料，新一代的芳香聚酰胺膜高脱水率和高脱盐率的优点，其脱盐率可以高达99.7%。此外此膜还具有较好的柔韧性和足够的机械强度，而且使用寿命长，使用PH范围广。
　　4、结束语
　　对于海水淡化技术的研究，我国相对起步较晚。而反渗透技术较西方国家相比，起步则更晚，直到1997年于舟山建成了日产500m3的海水反渗透淡化装置，因此对反渗透工艺及反渗透膜的研究还要经过更多实践。反渗透海水淡化装置这次走出国门无疑将成为我国反渗透海水淡化的一个新的里程碑，将为今后反渗透技术在我国的发展和普及奠定更加坚实的基础。
　　参考文献：
　　1. 王世昌，《海水淡化工程》，北京：化学工业出版社，2003。
　　2. 严煦世、范谨初，《给水工程》第4版，北京：中国建筑工业出版社，1999。