反渗透工程的应用及发展趋势
反渗透技术是20世纪60年代初发展起来的以压力为驱动力的膜分离技术.该技术是从海水、苦咸水淡化而发展起来的,通常称为“淡化技术”.由于反渗透技术具有无相变、组件化、流程简单、操作方便、占地面积小、投资省、耗电低等优点,发展十分迅速.据国际脱盐协会统计,1999年底,全球单机日产量100 m3以上的装置有13 600台,每天生产淡水2 590×104m3.反渗透和多级闪蒸是主要的应用方法,各占大约43%的市场份额.各种淡化技术在长期的工程应用中都在不断改善和提高,如改善工程和设备本身的用材、改进原水预处理和运行管理计算机化.然而,由于反渗透技术适用范围广,从事反渗透技术研究的单位和成套工程的公司多,近年来,其发展速度相对于其他技术快得多.我国反渗透技术开发始于20世纪60年代,1967~1969年全国海水淡化会战为乙酸纤维素不对称反渗透膜的开发打下了基础,70年代进行中空纤维和卷式反渗透组件的研究开发,80年代进行反渗透复合膜的研究开发,开始步入产业化,在我国水处理行业得到了广泛应用.尤其近些年来,在国家开放政策的引导下,世界发达国家高性能膜组器大量涌入国门,带动了国内反渗透工程应用的高速发展.国内相关研发单位在高性能反渗透、纳滤复合膜的研究方面也已取得突破,正在实施水膜的产业化计划.经过30多年的发展,尤其“七五”以来,通过连续实施国家3个五年科技计划,我国的反渗透技术有了快速的发展,产业初具规模.反渗透技术已广泛应用于海水苦咸水淡化,纯水、超纯水制备,化工分离、浓缩、提纯等领域.工程遍布电力、电子、化工、轻工、煤炭、环保、医药、食品等行业.
1 海水、苦咸水淡化
我国海水淡化技术的研究起步较早,也是世界上少数几个掌握海水淡化先进技术的国家之一.在反渗透海水淡化方面,1997年,浙江省重大科技攻关项目“500 t/d反渗透海水淡化示范工程”在浙江省嵊泗县嵊山岛建成投产.首次采用了透平式能量回收装置,使海水淡化工程单位产水能耗降至5.5 kWh/t以下,填补了我国反渗透海水淡化工程的空白.2000年,在国家科技部重点科技攻关项目“日产千吨级反渗透海水淡化系统及工程技术开发”的支持下,先后在山东长岛、浙江嵊泗建成了1 000t/d级的反渗透海水淡化示范工程，采用了压力交换式能量回收装置,每吨淡水能耗降至4.2 kWh以下,各项技术经济指标达到国际先进水平.在示范工程的引导下,我国已建成百吨级以上反渗透海水淡化工程十余个,合计日产水近30 kt.目前,正在山东省荣成建设单机规模5 000 t/d的万吨级反渗透海水淡化示范工程.目前,我国反渗透海水淡化尚未形成规模,工程投资基本上在5 000~6 000元/(t•d)范围,小型海水淡化工程的工程投资更高,吨水能耗在4.0~5.5 kWh.不同规模的海水淡化制水成本,在5.0~6.0元/t.总体上讲,我国反渗透海水淡化技术和产业与美国、日本等发达国家相比尚有一定差距.一是反渗透海水淡化关键设备,如海水膜组器、高压泵、能量回收装置等尚未完全实现国产化,需要从美、日等发达国家引进;二是海水淡化工程规模尚小,总制水能力只占全球总产量的千分之几;三是掌握反渗透海水淡化技术的工程公司少.鉴于此,国家计委于2001年开始实施国家高技术产业化重大专项——万吨级反渗透海水淡化及其组器技术产业化项目,国家科技部也已将反渗透海水淡化成套技术开发纳入了国家“十五”攻关项目.
受海洋环境和海水特性的影响,海水淡化工程与其他水处理工程相比,在设计和施工上差异较大.设计海水取水设施时,应考虑潮位差、风浪、微生物和贝类生长等因素;设计海水预处理系统时,应考虑海水浊度的季节性变化、细菌繁殖和有机物等因素;设计反渗透系统时,应考虑高压、腐蚀性、微溶无机盐沉淀及浓差极化等因素.图1为常用反渗透海水淡化工艺流程示意图.当海水浊度较高时,如我国东海、渤海的沿海海域,宜采用加氯、混凝、澄清、过滤的海水预处理工艺.
能耗是反渗透海水淡化工程的主要技术经济指标.因此,反渗透海水淡化工程通常采用能量回收装置来回收高压浓缩海水的剩余能量,以便降低海水淡化吨水能耗和造水成本.目前常用的能量回收装置有水力透平式能量回收装置和压力交换式能量回收装置,前者视规模大小,可回收高压浓缩海水50%~70%的剩余能量,而后者采用了直接接触正位移压力交换机理,其对高压浓缩海水能量回收率在90%以上.
苦咸水通常指含盐量低于5 000 mg/L的天然水、地表水和井水,也包括含盐量高于5 000 mg/L或含盐量接近海水的高浓度苦咸水.由于苦咸水一般含有较高的钙、镁、重碳酸根、硫酸根等微溶无机盐离子,在反渗透苦咸水淡化工程中,抑制和控制微溶盐的结垢沉淀是十分重要的.目前常用的方法有添加阻垢剂、离子交换软化、加酸去除进水中的碳酸根和重碳酸根以及降低水回收率,避免超过溶度积.反渗透是苦咸水淡化工程最具竞争力的方法,技术相对成熟.目前,我国已有上千套规模不等的反渗透苦咸水淡化装置应用在国民经济各个领域,积累了成功的经验.
.jpg) |
2 纯水、超纯水制备
纯水、超纯水是现代工业中一种十分重要的原材料,已被广泛应用于半导体、微电子、电力、化工、医药等领域.我国从20世纪80年代起在纯水、超纯水制备系统中,采用以反渗透-离子交换为主导工艺,比单一离子交换工艺,其造水成本约下降30%,节省酸、碱耗量约90%,提高树脂再生周期造水量约20倍.反渗透膜法分离技术的先进性,经济效益和环保社会效益已被大量反渗透工程实际运行结果所证实.目前纯水、超纯水制备系统反渗透膜工艺的市场占有率高达95%以上.
2.1 电厂中、高压锅炉补给水制备
大型纯水、超纯水制备系统较集中应用于电厂中、高压锅炉补给水制备,其主要工艺由原水预处理、反渗透除盐、离子交换深度除盐或电去离子(EDI)3部分组成.根据原水水质和产水水质要求设计工程的工艺流程和设备配置.原水含盐量小于500 mg/L时,可选用一级反渗透和混床的组合工艺;原水含盐量大于500 mg/L,可选用二级反渗透和混床的组合工艺,达到产水电导率(25℃)≤0.2硬度≈0 mol/L,满足电力行业《火力发电厂水汽化学监督守则》行业标准(DL/T561—95).如要求产水水质电导率>1μS/cm时,可选用反渗透和复床的组合工艺.当反渗透产水中重碳酸根离子(HCO3-)>50 mg/L时,可在阳床后设置脱气装置,如图2.
.jpg) |
由于反渗透膜元件具有大于97%除盐率,而且还能去除水中大部分微粒、有机物、胶体等杂质,所以电厂中、高压锅炉补给水制备系统中,特别对高含盐量的原水,应用反渗透膜法除盐工艺,能获得显著的经济效益和环境效益.据不完全统计,目前在国内电厂中运行的产水量大于100 t/h反渗透装置已超过100套,最大规模的反渗透装置产水量800 t/h..
2.2 电子工业用纯水、超纯水制备
电子元器件的制造需要大量高品质的纯水、超纯水,电子级超纯水是目前世界上纯净品质要求最高的水.在电子级超纯水制备系统中汇集了当前水处理技术最先进的工艺和设备,如超滤、微滤、反渗透、膜脱气、电去离子(EDI)等,其中反渗透装置是整个纯水、超纯水制备系统工程中一关键的设备.它能有效地去除原水中97%以上的溶解性无机物质、99%以上的相对分子质量大于300的有机物、99%以上的包括细菌在内的各种微粒和95%以上的二氯化硅.反渗透工艺在纯水、超纯水制备系统工程中的应用,不但能提高了产水品质,降低生产成本,而且防止环境污染,有力地推进了电子工业的进步,同时也促进了纯水、超纯水制造技术的发展.
通过国家“七五”、“八五”科技攻关项目的实施,我国超纯水制备系统工程设计和成套能力有了很大的提高,掌握了整套工程的系统工艺设计、设备制造和成套、安装调试、技术培训等关键技术,工程应用技术已达到了国际水平,常用流程如图3.
.jpg) |
2.3 饮用纯净水的制备
我国饮用纯净水的制备始于20世纪90年代,主要工艺流程为:自来水→机械过滤器→活性炭过滤→保安过滤→反渗透除盐→杀菌消毒→饮用纯净水.1997~1998年为瓶装、桶装饮用纯净水和小区楼层管道饮用纯净水生产发展的高峰期.1999年《瓶装饮用纯净水》GB17323、《瓶装纯净水卫生标准》GB17324和《饮用纯净水质标准》CJ94标准的颁布,使饮用纯净水水质和卫生指标得到了有效的控制,有力地促进了饮用纯净水产业的健康发展.目前,饮用纯净水制备中的反渗透装置单机产水容量虽然不大,多数处于数10 t/h产量以下的中、小规模,但总数量不小,据不完全统计,全国大大小小的饮用纯净水厂商达数千家,饮用纯净水年生产总量达500万t以上,年总产值约30亿元,现供销市场已基本趋于稳定.
3 分离、提纯、浓缩
反渗透组合工艺广泛用于食品工业和医药工业的分离、提纯、浓缩,反渗透主要用于料液的脱水.食品工业中糖类、果汁、蔬菜加工的脱水浓缩已达到先进的工业化程度.从渗透压考虑,反渗透特别适于质量分数在10%以下的食品料液的浓缩.与传统的蒸发法相比,反渗透的主要优点是降低能量消耗.每脱去1 L水所需要的能量,包括锅炉和电动机的能量损失,反渗透能耗近似为110 kJ/L,最先进的蒸汽.
压缩蒸发器则为700 kJ/L.国外蕃茄汁浓缩,每脱盐1 t水,反渗透费用为0.9英镑,蒸发法为7.6英镑.我国已开发了超滤-纳滤-反渗透提取甜叶菊糖苷的工艺.纳滤对甜叶菊苷预浓缩后,再用反渗透浓缩,提高了浓缩倍数,可直接喷雾干燥制成成品.国内有几家单位,开发了利用低档茶叶提取速溶茶的工艺,利用反渗透组合技术提取的速溶茶粉较好地保留了茶叶的有价值成份和天然香味,市场已有产品出售.反渗透与超滤等组合工艺用于干酪乳清的浓缩,得到乳清蛋白浓缩液和乳糖,固含量质量分数可达20%~25%,并发现其更适于后续的电渗析脱盐.牛奶脱水在欧洲已广泛采用反渗透工艺.在医药工业方面,膜组合技术成功地用于抗生素的提炼.抗生素相对分子质量一般在200~1 000之间,发酵液经超滤去除大分子后,用反渗透浓缩.目前我国在中成药制造过程中,采用反渗透脱水浓缩也有不少实例.在医药辅料甘露醇生产工艺中,将超滤净化的料液进入反渗透预浓缩,可将甘露醇含量质量分数1.3%~1.5%浓缩到4.2%左右,再经电渗析脱盐、蒸发结晶制成成品木糖醇是玉米芯的提取物,用二级反渗透工艺浓缩,可将木糖醇溶液的折光度由4提到15,比传统多效蒸发法节能80%.反渗透用于酒类脱醇已在北京啤酒集团投入应用,生产的无醇啤酒已投放市场.啤酒中乙醇含量由通常的2%~7.5%降到0.5%以下.
节能、产品纯度高、便于开发高附加值的新产品是反渗透技术在分离、提纯、浓缩工艺中迅速扩展应用的主要原因.过程在常温、无相变环境下进行,特别适于热敏物质和pH敏感物质的分离,能保持原料的固有香气和天然气味,反渗透透过水可以回用,节约水源,整个生产过程无环境污染.生体料液可能含有细菌、固体颗粒、多肽、蛋白或者糖胶、鞣质等复杂成份,需优化前处理步骤.在反渗透组合工艺的设计中,应合理分配各段的载留负担,保证系统的平衡运转.膜通量下降是常见的运行障碍,使用耐污染的膜、选取或开发无毒高效清洗剂和清洗方式是保证稳定运行的关键.因纳滤过程比反渗透操作压力低,且膜面荷电,在分子量适于纳滤分离的某些过程,目前有纳滤取代反渗透的趋势.
4 废水资源化
废水资源化具有开发淡水资源与保护环境双重目的.无机系废水处理与海水淡化采用同类装置并具有较多共性工艺技术.反渗透可使废液中的铜、铅、汞、镍、锑、铍、砷、铬、银、硒、铊、锌等离子脱除90%~99%.用反渗透处理胶片加工废水,银的回收率可达99%.美国芝加哥API工艺公司采用B-9芳香族聚酰胺中空纤维膜组件处理Watt Ni漂洗水,废水含Ni2+650 mg/L,经RO浓缩到20倍达到13 000 mg/L,Ni2+的分离率为92%.北京广播器材厂用乙酸纤维素膜处理亮镍和黑镍的漂洗废水(Ni2+含量为1 510~2 400 mg/L),Ni2+的回收率>99%.我国西部石油天然气开发中,从深井涌出的含盐量10-30 g/L的卤水,用反渗透-电渗析-三效蒸发(浸没燃烧)的处理工艺正计划开发.反渗透将卤水脱盐至400 mg/L以下,成为优质饮用水,浓灌井中,或再用电渗析浓缩到120 g/L,蒸发-喷雾干燥,制成固体盐.目前,反渗透在城市污水深度处理方面的应用受到了高度重视,包括中水回用和污水处理厂二级出水的深度处理制取优质淡水.中东不少缺水国家,在大量采用反渗透海水淡化技术的同时,引入反渗透技术处理二级污水,一级反渗透出水水质含盐80mg/L,二级反渗透出水达到10 mg/L,以扩大淡水水源.一个典型例子是1999年在新加坡裕廊工业区建成的反渗透污水处理厂,以三级生化处理的城市废水为原水,用反渗透系统制取高级工业用水.工程在预处理方面做了大量实验,进行了双介质过滤与微孔膜过滤的比较,最后选用二级双介质过滤-反渗透系统.处理厂共同FLMTETM生产的抗污染膜元件BW30-365FR 2184支,一级三段排列,日产水量30 kt,水回收率高达85%,产水电导率66~133μS/cm.悉尼奥运会体育场馆的日产水2 200 t污水处理系统可供我们借监,如图3.生活污水经SBR工艺处理、雨水经沉降和水生植物氧化塘处理后混合,进入0.2μm的微孔过滤系统,得到可冲厕所用的中水,中水再经过反渗透处理用于场馆绿化.这样即节约了自来水,又减少了市政污水处理量,实现了绿色奥运.
.jpg) |
5 发展趋势
反渗透膜技术及其工程应用的发展方向主要集中于研究开发具有低能耗、抗污染、耐高温、高压和特种分离等性能的反渗透膜组器.超低压反渗透膜能在保持原脱盐率的情况下,操作压力下降25%~40%,从而降低了系统的能耗和设备材料的要求.抗污染反渗透膜的开发,减少了膜清洗的药耗,延长了膜的使用寿命,广泛地应用于污水回用和化工原材料的浓缩提纯.带正电荷反渗透膜可直接应用于二级、三级反渗透系统制备1~4 MΩ、10~15 MΩ电阻率的纯水、超纯水,实现无酸碱废水污染的洁净工艺.耐高温反渗透膜具有90℃耐温性能,可用于食品、医药等行业需采用高温杀菌消毒的反渗透装置.耐高压反渗透膜具有9.0 MPa以上的耐压性能,用于二级海水淡化反渗透装置、可使水回收率达到60%.近20年来,多种高性能和特殊用途的新型反渗透膜组器的研制成功,有力地推进了反渗透应用工程的发展.
反渗透工程应用的另一个发展方向是反渗透膜组器与超滤、微滤、纳滤、EDI等组器的有机地组合应用,充分发挥各种膜分离技术的特性,形成一个完整的系统工程,达到浓缩、分离、提纯的目的.
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
