一种集成膜过程海水淡化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种海水淡化方法，尤其是一种利用"纳滤/倒极电渗析"集成膜过程 进行海水脱盐制备淡水的方法，属于水除盐技术。
【背景技术】
[0002] 海水淡化作为解决当前全球性水资源问题的关键手段之一，在世界范围内都得到 了前所未有的重视。中国海水淡化产业的发展水平与规模，将会对经济、社会的可持续发展 产生重要影响。对于东部和北方沿海缺水地区，意义尤为重大。然而，在淡化海水的巨大需 求和现有淡化技术的局限性方面，还存在突出矛盾。
[0003] 现有的海水淡化技术主要是传统蒸馏法和海水反渗透（SWRO)膜法，其中后者的增 长速度很快，全球范围内的新建海水淡化工程中，SWRO约占70%的份额。然而，SWRO的产水 成本普遍偏高，目前国内已运行的SWRO海水淡化工程的吨水成本多在6元以上，尤其吨水 耗电量在使用浓水能量回收设备的条件下一般仍超过3. 5KWh/m3。此外，SWRO的操作压力 一般都在5. 5MPa以上，因此必须采用可靠密封的耐高压容器和管道系统。同时，海水具有 的高盐度对管道的抗腐蚀性又有很高要求，高压部分的管道材质都要求用十分昂贵的超级 双相钢材质，仅管道投资就占淡化系统的30%左右。因此，SWRO膜法淡化在高能耗、高操作 压力、苛刻的耐腐蚀材质要求、高投资等方面的先天性技术瓶颈，都不利于该技术的广泛普 及应用。积极开发高效经济的海水淡化新技术，显著降低操作压力、吨水能耗，更多使用低 成本、耐腐蚀管道系统，从而降低系统投资和运行成本，对于海水淡化产业的可持续发展至 关重要。
[0004] 近几年来，国内外持续报道了一些新的海水淡化工艺。其中较多是将多种膜 技术或脱盐技术组合为一体，构成集成膜过程，利用多种技术间的高效耦合来降低海水 淡化过程的能耗和成本。如中国专利CN 1994904 A公开了一种"超滤+纳滤+低压反 渗透"集成膜海水淡化过程，总操作压力低至3. 5MPa，装置水回收率在42. 4%-45%，脱盐 率在95. 93%-98. 16%，能耗2. 17KWh/m3-4. 48 KWh/m3。该集成膜过程在实现低压淡化方 面取得了良好效果，但是总的脱盐率不够高，未能稳定超过98. 5%，产水含盐量一般高于 800-1000mg/L，会导致口感仍然偏涩，不大适宜作为饮用水。另外，将纳滤和反渗透相集成 时，两者都属于高投资系统，整个体系的设备投资显著昂贵。
[0005] 美国专利US 2003/0205526 Al公布了一种双级纳滤海水淡化工艺，过程平均操作 压力达到5. 17MPa，其中一级纳滤为3. 45 MPa，二级纳滤为1. 72 MPa，水回收率在30%-40% 之间，脱盐率为97. 14%。该工艺复杂程度有所下降，但脱盐率仍偏低，操作压力较SWRO也没 有明显下降，系统水回收率较低，因此不能满足实际应用需求。
[0006] 美国专利US 2010/0089756 Al则公布了一种结合纳滤技术的"纳滤（NF) +离子 交换（IE)+电去离子（CEDI)"集成膜过程海水淡化工艺。该专利技术首先使用纳滤膜脱除 大约90%的盐分，所得淡水再经阳离子交换树脂软化，彻底去除全部的Ga 2+、Mg2+硬度离子， 然后再经过连续电去离子装置进行脱盐得到最终淡化水。根据报道的数据，采用人工海盐 配置的模拟海水，在原水电导率45. 5mS/cm时，系统脱盐率超过98. 57%，产水电导率240mg/ L，吨水能耗低至1. 85 KWh/m3,纳滤膜的操作压力在3. 8MPa以下。该工艺中，CEDI装置即 常规EDI脱盐装置，其正负电极材质不同，淡化室和浓缩室的构造、构成不同，不采取频繁 倒换电极的操作；在其淡化室中填充有混床离子交换树脂，但淡化室厚度非常薄，甚至不超 过I. 5mm，这对树脂颗粒的有效填充带来很大难度，将使得这种超薄隔板的CEDI装置的实 际生产效率比较低，难以适应大规模工业生产的需要。另外，核心脱盐工艺含有纳滤、离子 交换树脂软化和CEDI三个单元，工艺流程相对偏长，系统较复杂。与SWRO相比，该集成淡 化过程能耗明显降低，但工艺设计较复杂，且离子交换单元需要频繁清洗再生，无法实现持 续稳定运行。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的，是针对现有海水淡化技术的缺陷，提供一种新型的纳滤与倒极电 渗析技术相结合的集成膜过程海水淡化工艺，以适应低操作压力、低能耗、低投资、高脱盐 率等的技术要求。
[0008] 本发明的目的是通过如下技术方案实现的： 设计一种以高脱盐的纳滤（NF)膜技术和新型低能耗倒极电渗析（SEDR)技术相结合的 "NF/SEDR"集成膜过程为核心脱盐工艺，联合混凝沉淀、砂滤、加药杀菌、超滤（UF)膜过滤等 多种预处理、水质净化工艺与能量回收装置而构成的集成海水淡化系统，该海水淡化系统 含有预处理单元、一级脱盐单元和二级脱盐单元三个组成部分。以海水、苦咸水或苦卤水为 原水，依次经过上述三个处理步骤而获得矿物质含量适宜饮用的淡化产品水。
[0009] (1)预处理单元 预处理单元依次包括混凝沉淀、加药杀菌、砂滤、超滤膜过滤等工艺。海水原水首先经 混凝沉淀工艺，在混凝、助凝药剂的作用下，使水中的细微颗粒、胶体、悬浮物和部分微生物 凝聚成絮凝体，进一步通过吸附微生物和溶解性物质，体积增大，下沉，从而降低原水的浊 度和色度； 经混凝沉淀作用的海水在进入下游砂滤器之前进行加药处理，所用药剂包括采用稀 HCl等稀酸进行适当酸化调节、用次氯酸等强氧化剂进行杀菌灭藻； 经药剂处理的海水进一步由增压泵加压进入砂滤器。视原水水质砂滤器可以采用 一级，二级或多级砂滤，分别用不同粒径大小的石英砂进行过滤，降低原水浊度，使水质澄 清； 经砂滤器过滤的海水进入中控纤维超滤膜进行膜过滤。超滤膜的过滤孔径小于 0.1 ym，可以有效去除水中的细微颗粒、胶体、微生物和大分子有机物，使海水的污染指数 降低至3以下。在超滤膜过滤之前，还可视实际需要，采用计量泵在线加药的方式，再适当 投加还原性药剂如NaHSO 3，用来破坏、中和上游残余的强氧化剂，使有机高分子超滤膜免受 氧化破坏作用。
[0010] (2)-级脱盐单元 一级脱盐单元采用高脱盐的纳滤（NF)膜及配套高压泵、能量回收装置和压力提升泵组 成。NF膜是同样以压力为驱动力，利用物理筛分作用对液体进行分离的膜分离过程，其孔径 范围为1-3纳米，平均孔径2纳米，其膜孔径、操作压力、分离性能介于反渗透和超滤之间。 常规的NF膜对单价离子的截留率小于20%，对钙、镁硬度离子和其它的二价和高价离子，脱 除率可达90%以上，对分子量200以上的各种有机物杂质的脱除率也可达到90%以上。对 于本发明，所使用的NF膜具有高脱盐的特性，其对Ga 2+、Mg2+和SO广离子的截留率一般不低 于97%，最高可超过99%，而即使对一价的Na+、K+、Cr等离子，其脱除率也可达到85%以上， 其膜组件可耐受的最高操作压力能够达到4. OMPa。在适宜的条件下，其对海水的总脱盐率 可以达到90%左右。现有的商品NF膜中，DOW公司生产的NF90系列纳滤膜即具备对海水 进行85%以上脱盐的能力，其操作压力为3. 5-3. 8MPa。对于多支及大型的NF膜系统，通过 流程的合理设计，其系统水回收率可达50%水平。
[0011] 对于NF膜海水脱盐，其操作压力远低于常规SWRO的5. 5-6. OMPa的水平，因此对 所用的膜壳的厚度、密封性，对管道的厚度、密封和防腐性能等材质要求都显著降低，利于 减小系统投资。
[0012] 由于NF膜的操作压力仍然超过3. 5MPa，其排放的浓水一般也具有不低于3. 4MPa 的高势能，因此NF膜脱盐系统也采用类似SWRO海水淡化系统中的能量回收装置，利用排放 的高压浓海水对另一股低压海水进行增压，该压力交换过程使高压浓海水进行压力释放后 排放，而被增压的低压海水则经另一压力提升泵，使其水压提升至与NF高压泵输出压力相 同的值，从而共同作为NF膜系统的海水进水。
[0013] 在SWRO海水淡化中，由于操作压力超过5. 5MPa，其能量回收装置需要采用足够厚 度的超级双相钢材质；而对于本发明，由于NF膜的操作压力一般不超过3. 8MPa，因此其对 能量回收装置的材质要求也显著降低。此操作压力条件下，完全可以采用玻璃钢材质作为 能量回收装置的水压缸或压力容器，从而可减少设备投资。
[0014] 含盐量35000mg/L的海水经NF膜系统进行脱盐，其脱盐率可达86-90%，水利用率 可达50%