SWC海水淡化膜应用实例.docx

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SWC海水淡化膜应用实例

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SWC海水淡化膜应用实例

SWC

美国海德能公司于2003年最新推出高水温、高脱盐率、高脱硼的海水淡化复合膜SWC4，使其海水淡化膜产品系列更加完善。

新型海水淡化膜SWC4可在提高RO系统进水温度、提高脱硼率的同时保持很高的脱盐率。

对于利用反渗透海水淡化水（SWRO）做为锅炉补给水的发电厂，采用具有高脱盐率性能的SWC4产品是最理想的选择。

因为SWC4可以在高水温下运行，需要相对比较低的操作压力，同时保持相当高的脱盐率，可显著地降低海水淡化的成本。

SWC4的脱盐率为99.8%，产水量为5,200gpd（19.7m3/d）。

SWC4膜元件有40440和8英寸两种规格。

SWC4既可单独使用，也可作为膜集成技术（IMS）的组成部分之一使用。

海德能公司最新采用切流式膜元件，其独特的端板设计既提供了更好的端面接触，又能使水力负荷分布更加均匀，使穿过膜端面的水流分配均衡，并提供了更有效的膜面积。

海德能公司SWC4膜的推出为其海水淡化膜系列充实了新的实力，在世界范围内，海德能公司海水淡化工程业绩令世界瞩目。

凭借这些成功经验和膜产品性能在水处理工业中的优异表现，海德能公司始终居于世界膜制造技术的领先地位，成为全球海水淡化项目首选供应商。

SWC海水淡化膜应用实例实例1：

日本冲绳（40000吨/天）海水淡化厂简介：

〖岩崛博日东电工集团〗

摘要：

自从1996年以来，开放式取水的反渗透海水淡化厂一直在日本冲绳当地企业局的海水淡化中心运行。

根据该地区的生态环境保护设计要求，该厂采用了新的浓水排放系统。

它由特殊海底分散装置的浓水排放系统组成。

用在预处理中的絮凝剂氯化铁也进行回收以减少对环境的负面影响。

自从该厂投入运行以来，没有关于该厂运行破坏环境问题的报道。

40000吨/天的反渗透产水由8套5000吨/天系统构成。

整套系统共安装3024根8寸芳香族聚酰胺卷式复合膜，采用一级反渗透。

随着季节不同给水温度在20~30℃之间变化，通过调节操作压力范围6~6.5MPa来使系统回收率保持在40%。

反渗透产水含盐量一直小于300mg/L。

根据水库存水量的不同，反渗透产水在5000~40000吨/天范围内变化以满足城市供水。

因为在计算和运行条件下，反渗透产水中只有硼超过饮用水标准，所以将反渗透产水和地表水进行适当混合，以达到饮用水标准。

冲绳海水淡化中心日本目前最大产水量——40000吨/天的冲绳海水淡化厂，自1996年初建在冲绳的一个主要岛屿——Chatan镇。

冲绳岛位于日本的西南部，处于亚热带气候区。

由于地理和地质原因，多年来冲绳岛上的饮用水源非常有限。

通过建设多用途水坝和水库，水资源得以增加，但还不足以供给。

这是因为当地的人口密度非常高而且平均每人每年的降雨量也比全国平均水平低。

虽然这里有300个左右的河，其中有一个在冲绳本岛，但它们都是小且短的流域。

因为河床的陡峭坡度，水流不稳定且很难加以利用。

河水也长期缺乏，因为降雨主要集中在夏季和台风季节，因而降雨的利用率也很低。

每年的降雨量波动很大。

过去20年中有13年，当地居民被严格限制用水，有时还有停水现象，在过去20年里曾有1130天连续限制用水的记录。

因此冲绳决定采用反渗透海水淡化厂作为提供新水源的一个措施。

这个由冲绳当地企业局所有的海水淡化厂，即冲绳海水淡化中心，对一起学习海水淡化厂运行和维护技术的普通公众和参观者开放。

企业局是一个饮用水最大产量约为470000吨/天的商业机构，服务30个市政局，总人口数约190万。

水来自4个不同水源，其中水坝68.1%、河水19.4%、地下水6.4%、淡化海水6.1%。

1．海水淡化厂概况．a）40000吨/天反渗透水厂设计基础

位置：

邻近Chatan水处理厂，该厂自来水供水量214,300m3/天厂区面积：

约12,000m2建筑面积：

9,000m2地基面积：

17,600m2（4层大楼）反渗透系统最大产水量：

40,000m3/天（40%回收率）日东电工提供PA卷式复合膜NTR-70SWC-S8（同海德能公司的SWC3）和TORAY（SU-820）.原海水取水：

开放式取水方式（在离海岸深9.5m处的取水点，通过直径1.2m×220m长海底管道系统输送。

最大取水量为108,000吨/天）浓水排放:

在经过直径0.7m×230m长管道系统之后，浓水通过快速分散装置排放。

排放位置在潮汐下游，离取水点62米。

最大排放量67,000吨/天。

总建设费用:

约347亿日元，85%由政府资助设计基础和运行结果：

主要设备规格预处理步骤：

在沉淀池加入NaClO（3mg/L以Cl2计）进行氯化二级直流过滤系统中在线加入絮凝剂FeCl3（1.5~3.0mg/L）双介质过滤器：

32m2/单元×13单元〔设计通量=12m/h（1单元备用）〕剖光砂滤器：

33.6m2/单元×9单元〔设计通量=17m/h（1单元备用）〕化学药品：

用H2SO4调节pH=6.5~7.0，用亚硫酸氢钠消毒泵：

给水泵：

8.94m3/min×H45m×1760rpm×90kW×9单元（1单元备用）高压泵：

卧式三级螺旋泵8.91m3/min×650m×3580rpm×1300kW×8单元能量回收涡轮：

卧式三级螺旋泵5.64m3/min×545m×3580rpm×约386kW×8单元反渗透系统：

出力：

每套5,131m3/d×8套排列：

每根压力容器装6支膜，63根压力容器（7排×9行）/套

反渗透膜总数量：

3024支反渗透水通量：

13m3/d/支膜（约11gfd）操作压力范围：

6~6.5MPa给水温度范围：

20~30℃反渗透产水水质：

反渗透产水水质设计为含盐量TDS<360mg/L，电导率<720μS/cm

b）反渗透系统性能

图1为启动后反渗透性能与时间关系图，其中两个系列中有日东电工NTR-70SWC-S8（同海德能公司SWC3）膜。

一个系列于1996年8月启动，另一个于1997年3月启动。

至今为止膜没有进行过更换。

c）水处理费用和人员

按产量40000吨/天计算，产水费用和人员如下：

电能消耗：

5.36kwh/吨化学药品：

0.104美元/吨（12.5日元/天,1美元=120日元）（按NaClO、FeCl3、H2SO4、NaHSO3、NaOH、柠檬酸额定使用量计算）雇员数：

13人（3班倒）

2．保护环境设计要求．我们做了排放高含盐量浓水对珊瑚礁的影响调查。

Nakano、Yamazato、Iso分别采用浓度为3.5%、3.9%、4.4%、5.3%的浓水对四种生礁珊瑚做试验，测试共生藻类的生长和生存，呼吸作用和光合作用能力。

结果表明3.5%和3.9%的含盐量不会影响共生藻类的数量、呼吸和光合作用。

然而，更高的含盐量会降低海洋生物种类的生长率。

根据上述试验，冲绳珊瑚海周围的浓水含盐量最高值设计为3.9%。

海洋生物种类的生物鉴定试验对排放区常见海洋生物品种的生物鉴定试验，浓水排放不会导致：

令人讨厌的水生物的生长本地生物的退化海洋生物群落的退化，包括脊椎动物、无脊椎动物和植物种类等在本工程中，珊瑚床附近设定的最大目标含盐量为TDS3.8%，因为据报道，海洋生物在TDS4%以下不会受到影响。

模拟浓水排放系统的运行表示稀释后的反渗透浓排水流到海床时不会导致超过0.1%TDS的升高。

因此估计海水淡化厂的运行不会对环境造成负面影响。

合适的浓水排放方式为达到足够稀释，有必要加强浓水与周围海水的混合。

这可以通过提高最初的排放流速，并尽可能地使排放水流在达到海底时保持抛物线状。

一般来说，在湍流中或在海底的陡坡处选择一个浓水排放点也是可行的。

在冲绳，排放点的位置比取水点约深2米。

浓水布置在冲绳海水淡化系统中，浓水排放设备为特殊水下分散装置：

16个直径100mm呈45°角的喷管。

需排放的浓水含盐量比附近的原海水含盐量高，具体如下：

典型海水：

3.48%TDS；密度：

1.0216g/cm2（温度：

30℃）排放的浓水：

5.81%TDS；密度：

1.0388g/cm2（温度：

31℃）如图2所示，浓水趋向于下沉且向海底扩散，因此在排放管道尾端的分散装置需具有很好的混合与稀释功能，目标值为不超过原海水0.1%TDS。

在距离分散装置12米处，海水被稀释至3.54%TDS。

排放量：

67000吨/天排放速度：

6.0米/秒浓海水：

5.8%原海水：

3.5%

距离（米）浓度（%）图2—浓水排放分散装置冲绳海水浓度分布模拟图絮凝泥浆处理预处理流程包括初级双介质过滤器和二级剖光砂滤器。

两种过滤器都是水平压力池。

氯化铁在双介质过滤器中用作絮凝剂。

双介质过滤器和砂滤器的反洗排水以及反渗透膜的化学清洗排水最初储存在废水罐中，定期送到浓缩池中。

在将上部的清水和沉淀的泥浆分离后，清水通过下水道处理系统排放掉。

如果沉淀的泥浆没有冲洗就进行干燥，泥浆中将含有盐分，因为沉淀的泥浆海水含量很高。

用淡水在一级和二级稀释池中对泥浆进行冲洗，使之脱盐。

冲洗后泥浆保存在储存罐中。

然后在加压条件下用无毒添加剂使泥脱除65%水分。

最后，泥浆制成约12mm的泥块，可以通过漏斗装到车上并定期运走。

主要设计规格：

主要设计规格：

泥浆生产量：

25m3/天浓缩泥比重：

35000mg/L固体产量：

880公斤/天脱水泥块水含量：

≤65%脱水设备：

过滤布固定/半自动压缩机械型/压力脱水泥压缩机放置活塞泵：

64m3/h×60H×3.7kW（3套）压缩高压多级泵：

28L/min×160mH×5.5kW（2套）因此，在海水淡化厂运行且保持环境的同时，它还考虑到减轻最终处理地负荷，以使工业废物和对环境的负面影响降至最低。

硼浓度和措施海水淡化厂产水的硼浓度引起了民众、政府和工程公司的广泛关注。

海水包括约5形式存在。

脱硼率明显低于其它成分脱除率，因为硼在中性pH范围内几乎不带电。

目前商用的海水淡化反渗透膜的脱硼率约在85%。

因此40%回收率的情况下，根据pH、温度、给水压力等条件变化，反渗透产水中将含有0.7~1.4mg/L硼。

在冲绳，为了使硼含量符合饮用水标准，将反渗透产水与邻近的Chatan水厂的地表水进行了适当的配比混合。

对于干旱和没有可混合水源地区，在反渗透水厂中实际应用了高脱硼海水淡化膜。

大型海水淡化厂投入运行5年间没有遇到严重问题。

虽然没有日东电工与Toray反渗透膜的对比数据，但两种膜性能都能满足设计要求。

至今日东电工NTR-70SWC膜没有进行过更换。

在反渗透产水中的所有成分中，只有硼超过饮用水标准（日本标准原为0.2mg/L，1998年修订为1mg/L）。

冲绳的反渗透产水和地表水混合后可以符合饮用水标准。

在干旱地区或没有可供混合的水源地区，需要高脱硼海水淡化反渗透膜。

实例2：

新型高脱硼卷式海水淡化膜：

〖安藤雅明日东电工集团膜事业部徐平美国海德能公司中国〗

摘要：

反渗透膜可用于各类脱盐应用。

由于世界范围内的水资源短缺问题，反渗透海水淡化市场增长迅速。

目前的卷式反渗透膜对很多离子都有较高的脱盐率，通常对总溶解固形物（TDS）的脱除率在99%左右。

因此反渗透膜的产水中，大多数成分能满足饮用水标准。

然而反渗透膜的脱硼率较低，在海水的自然PH值下不能完全脱除硼。

在海水淡化中，产水中的硼浓度通常超过饮用水标准。

因此，反渗透产水需和含有低浓度硼的陆地水混合；另外也可以将产水再经过另一套反渗透系统以进一步降低硼浓度，但这样做导致脱盐费用太高并使反渗透系统变得复杂。

日东电工/海德能公司开发出一种新型涡卷式结构反渗透膜，在海水淡化应用中有较高脱硼率。

这种新膜既具有高脱硼率，又能抗化学物质侵蚀。

因此这种膜可以替代传统交叉链的聚酰胺膜，并可采用传统的清洗方法。

在日本冲绳的SESOKO水厂，新膜与传统海水淡化膜进行了比较试验。

新膜产水中的硼浓度是传统膜元件的一半。

新型脱硼膜元件已经运行了一年以上，性能稳定。

关键词：

硼、饮用水、脱盐、反渗透、多级反渗透、低压反渗透1．简介．当今世界上反渗透海水淡化厂总产水能力将达到两百万吨/天。

多个产水能力在几万吨/天的大型海水淡化厂已在兴建（见表1）。

另外几个10~20万吨/天的巨型海水淡化项目计划在中东、北美、拉美、欧洲和东南亚等全世界范围内兴建。

在21世纪初，作为解决全球水资源短缺的最佳措施之一，反渗透海水淡化法将在全世界繁荣发展。

因为可以去除有害物质如三卤甲烷，预计从现在开始芳香族聚酰胺复合膜将被更多采用。

总的来说，海水淡化反渗透系统产水水质很好，产水中除硼含量不能达到世界卫生组织（WHO）水质标准外，TDS值可低至100~200mg/l。

海水中的硼浓度为4~5mg/l，在自然的海水PH值范围内不能离解成离子形态以致于反渗透膜很难将它们去除，特别是与其它无机物相比膜的脱硼率较低。

根据给水温度和浓度不同，海水淡化的产水中硼浓度在0.8~1.5mg/l左右，不能满足WHO1997年颁发的临时标准[2]中的0.5mg/l硼含量。

为达到该标准，淡化厂不得不将RO产水与由地下水或地表水制成的饮用水和（或者和）经MSF多级过滤的饮用水混合，这些饮用水几乎不含硼。

然而在很多没有足够陆地水源的地区，这类混合处理无法实施。

在一篇关于两级反渗透系统的运行报告中，第一级采用高压海水淡化反渗透膜，第二级采用低压反渗透膜来降低硼浓度[2]。

但这样做不仅增加了饮用水工艺的成本，而且还使反渗透系统的设计变得复杂。

因此对高脱硼海水淡化膜的需求持续增加。

本文将详细描述日东电工/海德能公司开发的新型高脱硼卷式海水淡化膜的性能，和其

在示范水厂的运行结果。

表1

国家阿拉伯沙特西班牙特立尼达和多巴哥岛佛罗里达，美国沙特沙特沙特西班牙马耳他塞浦路斯巴林群岛西班牙日本塞浦路斯

世界上的大型反渗透海水淡化厂列表

地区FujarahMedina/YanbuIICarbonerasLisasTampaBayAlJubailJeddah，第一期Jeddah，第二期MarbellaPenbrokeLarnacaAlDurBlMallorca冲绳Dhkelia生产能力170,000128,000120,000109,09095,00090,90956,80056,80056,40054,00051,00045,00042,00040,00040,000投运时间200319982001200120021999198919941998199420011989199819971998膜公司海德能公司TOYOBO海德能公司东丽公司海德能公司杜邦公司/东丽公司TOYOBOTOYOBO杜邦公司杜邦公司海德能公司杜邦公司杜邦公司日东电工/东丽公司杜邦公司

传统脱硼方式1.将硼分解成离子在原子反应器、铁合金等应用中，硼是中子吸收源。

另外，硼酸是一种化合物，被广泛用在玻璃制造、陶瓷上釉和化妆品中。

摄取少量硼将引起食欲不振或虚弱，但中毒严重时会导致呕吐、腹泻、胃痛等等。

在1993年WHO颁发的饮用水质量标准中，硼含量值小于0.3mg/l。

在1997年WHO修改的临时标准是0.5mg/l[2]。

硼在海水中以硼酸形式存在，其水分解反应式如下：

H3BO3+H2O<=>H++B（OH）4pKa=9.25

1（-）

[B（OH）-]/[（HBO]+[B（OH）-]

4334

[B（OH）-]/[（HBO]+[B（OH）-]4334or

333340.5

[（HBO]/[（HBO]+[B（OH）-]

33334

[（HBO]/[（HBO]+[B（OH）-]

0456789（-）1011

pH

图1

不同PH值时硼的水分解程度

图1所示为PH值与分解反应式之间的关系。

在PH=7中性水中，硼很难分解成离子，因此反渗透膜的脱硼率比无机离子低得多。

另一方面当PH>9.5，多数硼以B（OH）-离子形态存在。

因此反渗透给水PH越高，脱硼率越高[3]。

反渗透系统不能在高PH值下稳定运行。

然而因为高PH值下容易形成垢，CaCO3垢，如因此需要研究其它降低硼浓度的可行方法。

2.实际运行水厂中传统海水淡化反渗透膜的脱硼率日本冲绳海水淡化厂（40,000吨/天）已经投运,图2是工艺流程图。

该厂全部选用卷式芳香族聚酰胺复合膜（日东电工NTR-70SWC，东丽公司SU820）。

采用一级运行方式，操作压力6MPa，回收率为40%。

原海水TDS（总含盐量）和硼含量分别为38,300mg/l和4.59mg/l；在25℃时产水中的TDS为154mg/l，硼含量为1.08mg/l；在30℃时，产水中的TDS为194mg/l，硼含量为1.34mg/l[4]。

各项水质见表2。

可见脱硼率非常低，在71~76%之间，而TDS脱除率却高达99.5%~99.6%。

为满足日本权威机构制定的硼含量为1.0mg/l的饮用水标准，该水厂采用反渗透产水与由源自陆地水的几乎不含硼的净化水进行混合。

NaClO

FeCl3

SBS（NaHSO）3

H2SO4

反渗透膜系统

（调节设施）

一级过滤器二级过滤器高压泵淡水箱

处理后水NaClO

能量回收透平净水库（原水设施）海水取水泵沉降池浓缩海水排水池清洗后排放水池一次稀释池

（废水处理设施）

除渣机

水箱

脱水设备浓缩池二次稀释池

泥饼

图2反渗透海水淡化流程图表2水质分析表

项目PH电导率TDS钠钾硼总硬度ClBrSO42单位μs/cmmg/lmg/lmg/lmg/lmg/lmg/lmg/lmg/l给水6.85180038300112004424.5963601950068.12760RO膜产水5.636117663.52.551.174.396.60.452.03脱除率%99.399.599.499.474.599.999.599.399.9

3.两级处理方式虽然混合水方式可以降低硼浓度，如果没有足够可用的陆地水源或经MSF多级过滤水时，就无法采用混合水方式。

为解决这一难题，有试验表明利用硼在PH>9.5时分解为离子态的特性，采用两级反渗透法，以提高膜的脱硼率[2]。

该试验采用NTR-70SWC/SWC3海水淡化膜和超低压ES20/ESPA2膜。

在各自的1*和2*测试条件下，每种膜对NaCl溶液的脱除率和产水量分别是99.5%/（16m3/d）和99.7%/（30m3/d）。

*1—NTR-70SWC/SWC3主要测试条件：

3.5%NaCl溶液，压力5.5MPa*2—ES20/ESPA2主要测试条件：

0.5%NaCl溶液，压力0.75MPa含硼2.3mg/l的原海水经过絮凝沉淀处理后，调节其PH=6.5以防止结垢，然后成为第一级的NTR-70SWC/SWC3海水淡化膜的给水。

在第一级反渗透膜的主要运行条件是回收率为40%，运行压力为6MPa。

在第一级产水中硼浓度是0.95mg/l。

通过投加NaOH来调节其PH值到9.5，然后再供给第二级的超低压ES20/ESPA2膜上。

第二级系统主要运行参数是回收率33%，运行压力1MPa。

产水中硼浓度0.16mg/l，满足WHO制定的0.5mg/l临时标准。

但两级反渗透方式使得饮用水工艺成本更高、系统更复杂。

还应当指出的是产水中的矿物质如钙含量过低。

因此还需要尽可能多的采用高脱硼海水淡化膜的一级海水淡化处理方式。

新型高脱硼海水淡化膜的开发日东电工/海德能公司开发了一种新型海水淡化膜，其脱硼率明显比传统海水淡化膜高。

表3所示为8"新型海水淡化膜与传统海水淡化膜NTR-70SWC的脱盐性能比较。

两者都是在含硼5mg/l的模拟海水条件下测试的。

新型膜产水中硼浓度0.44mg/l，传统海水淡化膜产水中硼浓度为0.78mg/l，也就是说相比后者，前者产水中硼浓度低40%或更多。

按脱硼率计，新膜提高到91%，而传统膜为85%。

表3

膜元件

8"新型高脱硼卷式海水淡化膜的性能（单支膜元件）

NaCl脱除率%产水量3（m/d）硼浓度给水产水0.520.78脱硼率%9085

新型膜99.6155.0传统膜（NTR-70SWC）99.6175.0测试条件：

5.5MPa,3.5%NaCl，5mg/l硼,PH6.5~7.0

表4所示为8"新型海水淡化膜与传统海水淡化膜NTR-70SWC的脱盐性能比较。

膜元件的给水为海水，并联运行。

运行条件是：

运行温度28℃，产水量90m3/d，回收率40%，给水中硼含量4.7mg/l。

反渗透膜是直径8"、长度40"的标准元件，6支膜串联装在一支压力容器里。

测试结果表明新型膜产水中硼浓度为0.54mg/l，与传统膜产水中硼浓度0.92mg/l相比较，新型膜产水中硼浓度几乎降低了一半。

结果证实新型膜元件能够降低产水中硼浓度。

表4

膜元件

在实际海水中新型8"高脱硼卷式海水淡化膜的性能

压力MPa产水电导率μs/cm给水产水180240硼浓度mg/l给水4.34.3产水0.540.92

新型膜传统膜（TR-70SWC）

6.2530006.1530003测试条件：

产水量90m/天,温度28℃

示范水厂中使用新型高脱硼海水淡化膜进行长期连续运行测试为验证新开发的反渗透膜在示范水厂运行的长期稳定性，我们在日本冲绳Sedoko实验室进行了示范试验（产水量80m3/d）。

图3是示范测试系统流程图，采用卷式反渗透膜元件，一级方式运行，产水80m3/d。

1.原海水取水方式开放式取水：

原海水取自离岸100米处的取水口。

2.预处理水厂采用絮凝沉淀系统作为预处理。

原海水储水池供水到一级介质过滤器，然后通过水泵进入二级介质过滤器。

在一级介质