引 言
我國是一個嚴(yán)重缺水的國家,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,其中多項指標(biāo)不符合或達不到國家《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苦咸水的淡化實際上就是鹽水淡化[1 ] ,使鹽水脫鹽淡化或者經(jīng)處理后達到飲用水標(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,大有后來者居上的趨勢。
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程。蒸餾法是最早采用的淡化法,其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較簡單、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、特點和適用范圍在苦咸水淡化中應(yīng)用的電滲析法簡稱ED ,是利用離子交換膜在電場作用下,分離鹽水中的陰、陽離子,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的作用下定向遷移,通過選擇透過性的離子交換膜達到除鹽目的。在外加直流電場的作用下,水中的離子作定向遷移(陽離子交換膜只允許陽離子通過,陰離子交換膜只允許陰離子通過) ,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,但存在對水質(zhì)要求較嚴(yán)格、需對原水進行預(yù)處理等缺點。20 世紀(jì)50 年代,美國、英國開始將這種方法用于苦咸水淡化,中國在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[3 ]
(1) 電滲析對鐵、鎂、鈣、鉀、氯化物等溶解性無機鹽類及毒理學(xué)指標(biāo)砷、氟化物的去除率達66 %～93 % ,可以滿足苦咸水淡化需求;
(2) 電滲析對耗氧量、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,尚能滿足生活飲用水衛(wèi)生要求;
(3) 電滲析對SO2 -4 的去除率為63. 8 % ,用以淡化SO-42Na 型和SO4 ·Cl2Na 型水,很難滿足生活飲用水衛(wèi)生要求;
(4) 電滲析過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物和細菌,加之設(shè)備運行能耗較大,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用一種選擇透過性膜將一個容器分為兩半,在膜的兩側(cè)同時分別加入純水和鹽水,使膜兩側(cè)的液面一樣高,過了一定時間會發(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半透膜向鹽水側(cè)遷移的結(jié)果,這種現(xiàn)象稱為滲透。能夠?qū)λ蛉芤壕哂羞x擇透過性的膜稱為半透膜。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的壓力稱為滲透壓。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程相反,故稱之為“反滲透”,這種裝置稱為反滲透裝置。
反滲透方法可以從水中除去90 %以上的溶解性鹽類和99 %以上的膠體微生物及有機物等。與其他水處理方法相比具有無相態(tài)變化、常溫操作、設(shè)備簡單、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、適應(yīng)范圍廣、自動化程度高和出水質(zhì)量好等優(yōu)點。尤其以風(fēng)能、太陽能作動力的反滲透凈化苦咸水裝置,是解決無電和常規(guī)能源短缺地區(qū)人們生活用水問題的既經(jīng)濟又可靠的途徑。
反滲透淡化法不僅適用于海水淡化,也適合于苦咸水淡化。現(xiàn)有的淡化法中,反滲透淡化法是最經(jīng)濟的,它甚至已經(jīng)超過電滲析淡化法。
由于反滲透過程的推動力是壓力,過程中沒有發(fā)生相變化,膜僅起著“篩分”的作用,因此反滲透分離過程所需能耗較低。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,如大部分的有機物、膠體、病毒、細菌、懸浮物等,故反滲透分離法又有廣譜分離法之稱。
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,是為了保護反滲透膜、延長其使用壽命而設(shè)立的,另外,復(fù)合膜對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)處理對反滲透法安全運行是至關(guān)重要的。無論地表水或地下水,都含有一些可溶或不可溶的有機物和無機物。雖然反滲透能截留這些物質(zhì),但反滲透主要是用來脫鹽。如果反滲透給水中含有過多的濁度、懸浮物質(zhì),這些物質(zhì)將會淤積在膜表面上,此外還可使水中硬度過高而結(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p H、余氯、溫度、細菌、某些化學(xué)物質(zhì)等的穩(wěn)定性也有很大的影響,對給水預(yù)處理的要求也不同。一般來講,膜組件生產(chǎn)廠商均會提出給水水質(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 越低對膜組件的使用年限越長, 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) ,超過規(guī)定范圍膜易水解。調(diào)節(jié)p H 的另一個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45 ℃,而三醋酸纖維膜則不能超過35 ℃,水溫度過高還會增加膜的壓密性,膜組件產(chǎn)水量會大大下降。此外較高的水溫( 超過25 ℃) 會加速細菌的繁殖,這時更要注意滅菌措施。
(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,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。通過計算水中Lange2lier 飽和指數(shù)、Stiff 和Davis 穩(wěn)定指數(shù)可判斷結(jié)垢的趨勢。
(8) 余氯。加氯滅菌也是反滲透淡化過程中不可少的過程,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下運行。通過加入亞硫酸氫鈉可以降低余氯。
(9) 總有機碳(TOC)。TOC過多可能引起微生物的污染,特別是經(jīng)過殺菌消毒過程,如水溫較高,消毒分解的有機物,正是細菌的餌料,以致殘存的細菌繁殖更快,醋酸纖維素膜對此非常敏感。降低給水中的TOC ,可通過活性碳吸附。
1. 3. 4 反滲透淡化系統(tǒng)的安全運行
雖然反滲透系統(tǒng)運行已證明是可靠的,但產(chǎn)生的故障報道也不少,如給水預(yù)處理不當(dāng)、沒有按規(guī)定控制各種運行參數(shù),均系操作不當(dāng)引起。因此,反滲透淡化系統(tǒng)安全運行必須注意以下問題:
(1) 定期測試SDI指數(shù)。SDI過高,會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^高,一方面使難溶鹽的組分超過溶度積而結(jié)垢,另一方面組件里的濃水流速過低,易于產(chǎn)生濃差極化引起結(jié)垢,同時不利于把水中膠體、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出現(xiàn)。如在短時間內(nèi),產(chǎn)水量和脫鹽率明顯變化,必須檢查預(yù)處理系統(tǒng)運行是否正常,如加藥量是否合適、過濾器是否漏砂等。
1. 3. 5 反滲透法淡化苦咸水效果分析
(1) 反滲透系統(tǒng)對二價及多價陽陰離子的截留
(2) 反滲透系統(tǒng)對水質(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、二氧化硅等無機鹽的去除率為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)于國家和國際水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[6 ,7 ] 。
(3) 反滲透系統(tǒng)對人體健康危害較大的氟化物去除率為96 % ,六價鉻去除率為92. 5 %。
(4) 反滲透系統(tǒng)對污染性及毒理學(xué)指標(biāo)、耗氧量、N H32N、NO22N 、NO32N、砷去除率40 %～83 %,低于上述無機鹽類去除率,但原水中污染性指標(biāo)含量相對較低,40 %～83 %的去除率完全可以滿足生活飲用水衛(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)對細菌總數(shù)檢測的去除率從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、三氯甲烷、四氯化碳、苯并(a) 芘、滴滴涕、六六六含量均較低,大都低于檢驗方法的檢出下限,不做加標(biāo)檢驗,難以從運行水質(zhì)指標(biāo)中確定反滲透器對它們的去除效果,
但根據(jù)中國預(yù)防醫(yī)學(xué)科學(xué)院環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測所1997年7 月對一些反滲透裝置加標(biāo)檢驗報告來看,上述指標(biāo)的去除率絕大部分達到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《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》,對高氟低礦化度苦咸水通過反滲透法淡化,出水水質(zhì)可達到我國《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
采用反滲透法對不同含鹽量的苦咸水進行脫鹽淡化,淡化過程中,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。系統(tǒng)的脫鹽率達96 %以上,淡化水水質(zhì)達到國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。反滲透系統(tǒng)苦咸水淡化裝置具有較強的適應(yīng)性,可根據(jù)原水的水質(zhì)情況,調(diào)整運行參數(shù)來實現(xiàn)對不同含鹽量的苦咸水連續(xù)進行處理。該裝置高度集成化,可望成為定型的成套設(shè)備。
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