纳滤技术用于反渗透海水淡化预处理评述

查吕应，丁志斌，曹传新
(解放军理工大学 工程兵工程学院，江苏 南京 210007）

　　摘　要：结合国内外纳滤（NF）技术在水处理领域的应用概况，分析了纳滤技术用于反渗透海水淡化预处理的技术优势。我国在NF的应用方面还处于初始阶段，应加大抗有机和微生物污染的膜的研究力度，建立示范工程，推进F技术的发展。
　　关键词：纳滤（NF）；膜分离；反渗透（RO）；海水淡化；预处理
　　中图分类号：TU991．26
　　文献标识吗：A
　　文章编号：1009－2455（2003）02--0018－03

Evaluation of AppIic8tion of NonofiItr8tion Technology
in Reverse-Osmosis Sea W8ter DesaIin8tion Pre-treatment
ZHA Lu-ying, DING Zhi-bin, CAO Chuan-xin
(The Engineering Institute of the Engineering Corps., PLAUST, Nanjing 210007, China)

　　Abstract: Having considered the general situation of application of nanofiltration (NF) technology in China and outside China in the field of water treatment, the technical advantages of nanofiltration technology for re-verse-osmosis sea water desalination pre-treatment are analyzed. China is shll in an initial stage in NF application and needs to strengthen its study on anti-organic Pollution and anti-microbiological Pollution membranes and to set up model projects in order to promote the development of NF technology.
　　Keywords: nanofiltration (NF); membrane separation; reverse osmosi8 (RO); seawater desalination; pretreatment

1 海水淡化概况和发展趋势

　　海水淡化是指将含盐量为35000mg／L的海水淡化至500mg／L以下的饮用水。利用海水淡化技术从海水中制取饮用水已成为人们取得淡水的一种重要手段。目前，世界上装机应用的海水淡化方法主要有反渗透（RO）、多级闪蒸（MSF）、多效蒸发（MED）和压汽蒸馏（VC）等，装机容量以MSF为主，但近年来RO发展相当快，市场份额日渐增大。RO技术与其它方法相比具有投资省、能耗低、建设周期短、易于自动控制、起动运行快等诸多特点。当前国际上纳滤膜（NF）技术、反渗透海水脱盐复合膜技术、电渗析技术（ED）、高回收率
工艺和能量回收技术等高速发展，使RO海水淡化成本进一步下降，前景格外诱人。可以预料RO技术将在不久的将来占据海水淡化的主导地位[1]。

2 反渗透海水淡化（SWRO）预处理

　　由于海水，特别是水温相对较高的表层海水，不仅硬度偏高，而且含有各种微生物，容易对反渗透膜表面造成污染，导致产水量和脱盐率下降、组件压差增大、膜的使用寿命降低等问题。我国已经投入运行的规模较大的海水（苦咸水）淡化工程有浙江省嵊山镇的500m³则反渗透淡化工程、浙江省嵊泗县马迹山的350m³则反渗透淡化工程和辽宁省长海县的1000m³/d反渗透淡化工程，其中有两个工程的设备供货是引进器件的国内成套，说明国内已经基本掌握了海水反渗透淡化工程的设计、供货、安装、调试等相关技术。然而也暴露出了包括预处理工艺还亟待改进或提高等在内的一些问题。SWRO中给水的预处理是影响工程安全稳定运行及反渗透经济性的最关键因素之一。
　　 目前在水处理领域使用的反渗透膜通常有卷式醋酸纤维素膜、卷式复合膜和中空纤维式聚酰胺膜等。不同的反渗透膜对进水的水质要求有所不同。但反渗透的预处理需要考虑的因素是一样的，一要防止悬浮物、胶体及微生物对膜和管道内部的污染与阻塞，二要防止难溶盐的沉淀结垢。
　　在确定海水淡化给水预处理工艺流程时，主要考虑待处理的海水水质选择合适的处理工艺，同时考虑使用地点、方式、管理水平以及海水淡化膜的性能等因素，做到既降低成本、简化操作，又能满足反渗透进水的水质要求。NF技术具有操作简单、节能高效、分离迅速等特点，已成为海水淡化、超纯水制造、食品工业、环境保护等诸多领域中的一个重要操作单元。

3 NF技术用于水处理国内外概况

　　近几年来，国内外很多专业人士致力于NF技术应用于SWRO给水预处理和饮用水制备方面的研究和设计，在工程技术上的应用也日渐增多，比较有代表性的有美国佛罗里达州 Royal Palm Beach水厂（1994年8月建成，产水规模236m³／h，采用NF10膜处理地表原水）和法国Jamy水厂（1995年1月建成，产水规模62.5×2m³／h，采用NF70－345膜处理陆地矿井水）等[2]。据1996年9月美国的调查结果显示，美国对个州内179家脱盐制饮用水工厂的总装置产水能力中NF膜软化法占31％，位居第二，1992年至1996年的4年中NF软化装置的水处理能力增加了500％，大大高于其它方法[3]。
　　法国巴黎市郊的Mery－Sur－Oise水厂部分采用了NF膜处理工艺。该厂NF系统于1993年2月正式运行。为了适量保留水中对身体健康有益的离子。硬度、碱度及一些微量元素，1996年该厂开始更换NF膜类型，以新型NF200B取代原来的NF70膜，于1999年9月安装投产，处理后水质达到预期效果[4]。
　　近年随着NF技术的发展，国外成功开发出了海水淡化的NF+SWRO+MSF集成技术[5]，其流程图见图1。海水经NF技术预处理后，去除了80％以上的硬度，TDS下降了40％左右，且去除了所有的有机污染物，从而提高了SWRO的操作压力和回收率（回收率可达60％左右），且能保证SWRO膜组件的安全、长期稳定运行，大大提高淡化效益。SWRO过程的浓缩海水硬度低、不易结垢，可再经由MSF处理，获得淡水，使全过程的回收率可进一步提高到90％左右。

　　沙特阿拉伯的SWCC公司成功地开发出了NF技术作为海水淡化的预处理技术。NF膜用于脱除硬度和总溶解固体，从而提高海水反渗透的操作压力和系统的回收率，保证膜组件的安全稳定运行[6]。
　　日本、美国等[7]一些水厂，NF膜的水体利用率在80％－90％，操作压力为0.65－0.89MPa，给水TDS400－900mg／L，硬度（以CaCO3计）为230－350mg／L，透过水20－120mg／L；原水色度为17－115度，透过水的色度≤1－5度，浓缩水可用做深井口注水。
我国把对NF过程的研究与开发列为“九.五”攻关的重点方向之一，大大推动了NF技术的发展。国内首套工业化膜软化系统——144t/d纳滤法制备饮用水示范工程，由国家海洋局杭州水处理中心设计，于1997年4月在山东长岛南隍城建成投产，获得成功。该工程实际运行结果表明，与国内原有的海岛苦咸水淡化技术相比，对高硬度水质进行NF膜软化除硬比电渗析法（ED）出水水质优，且自动化程度大大提高，具有技术经济的先进性；与反渗透相比，操作压力低，从而实际能耗较低。

4 纳滤（NF）及其用于SWRO给水预处理的技术优势

　　纳滤（NF）是一种新型分子级膜分离技术，是目前世界膜分离领域研究的热点之一，通常包括以下6个方面的内容：①介于RO与UF之间；②孔径在1nm以上，一般在1－2nm；③截流相对分子质量在200－1000；④膜材料可以采用多种材质，如醋酸纤维素、醋酸一三醋酸纤维素、磺化聚矾、磺化聚醚砚、芳香聚酰胺复合材料和无机材料等；⑤一般膜表面带负电；⑤对NaCl的截留率小于90％
[8]。
　　 NF膜的最大特征是膜本体带有电荷，这使它在很低操作压力下（仅0．5MPa）仍具有较高的脱盐率。NF膜对无机离子进行选择性分离，使得它特别适合于海水的脱盐处理，通常有以下规律：
　　对阴离子来说，截留率按以下顺序上升：
　　NO₃^-，Cl^-，OH^-，SO42^-，CO32^-；
　　对阳离子来说，截留率按以下顺序上升[1]：
　　　　H⁺，Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Cu²⁺。
　　NF膜对有机物的去除与相对分子质量和分子的空间几何大小有半定量的关系，与分子的化学特性，特别是形成氢键的能力有关，通常情况下，NF膜对有机物具有良好的去除效果。其对有机物的去除可用优先吸附一毛细孔流理论解释I”。罗敏等采用美国Trisep公司的h80纳滤膜进行研究认为，TS80膜能使色谱质谱峰丰度降低50％左右[10]。近年出现的NTR7450，NTR7410，TS60等膜品种为新型NF膜，由荷电性、亲水性好、能阻抗有机污染的原材料（如磺化聚醚枫等）制成，以去除水中有机物为主要设计目的，对有机物的截留机理主要依赖于有机物的电荷性，不同于传统的软化NF膜的机械筛分机理[11]。
　　另外，有研究表明，NF膜对细菌和病毒等也具有良好的去除性能；而且不需添加剂；对色度的去除也非常有效。有业内人士预见，微污染原水的NF膜处理将是未来的发展方向。

5 结语与建议

　　当前，SWRO技术已经成为解决我国沿海地区和世界上许多国家水资源短缺的重要手段，进一步提高淡化效益。降低成本成为新的研究热点。NF技术的出现标志着膜分离法的一个新概念：可以按原水中的各种成分的去除程度要求，订做特定分离性质的膜。从NF技术用于水处理在国内外已经成功运行的工程实例来看，NF膜分离性能好，出水水质稳定，运行可靠，而且能耗低、具有较好技术经济性，用于海水淡化预处理在技术上优势明显。随着高性能膜组件的研制、处理工艺的不断完善和膜污染防治与清洗方法的不断改进，NF膜在水处理中必将具有越来越大的竞争能力。
　　目前我国对NF技术的开发和应用还处在初始阶段，而国外有些国家已经工业化应用。因此，我国应加快相关示范工程和技术中心的建设，以促进技术的进步、推广，加速科技成果转化为实际生产力。对海水淡化预处理来说，当前最需要研发的NF膜应该是：抗污染或低污染的、特别是能够抵抗有机物与微生物污染的高通量NF膜。此外，研制与开发大型膜组件与膜装置也日益成为研究热点，比如将发电、淡化、制盐和其他产品回收相结合的新工艺、海水综合利用的资源和节能集成系统等。应向开发智能型、处理效率高、能量综合利用、符合技术经济要求的集成性工艺努力。争取早日实现高性能器件和设备的国产化，寻求我国海水淡化技术的新增长点或具有创新水平的自主技术。

参考文献：

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　　[2] 张国亮．高硬度水质下纳滤系统的运行状态及分析［J］．膜科学与技术，2000，20（2）：43－48．
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　　［4］张捍民，张威，王宝贞．膜技术处理饮用水的研究[J]．给水排水，2002，28（3）：21－24．
　　[5] 俞三传，高从堦．膜技术在海水淡化和综合利用中的新进展[J]．海洋通报，2001，20（1）：83－87．
　　[6] 解利昕，阮国岭，张耀江．反渗透海水淡化技术现状与展望[J]．中国给水排水，2000，16（3）：24－27．
　　[7] 卢红梅．纳滤膜的特征及其在国内水处理中的应用进展[J]. 过滤与分离，2002，12（1）：38－41．
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　　[10] 罗敏，侯立安，王占生．纳滤膜对有机物的截留机理研究[J]．环境科学学报，2000，20（5）：523－527
　　[11] 吴舜泽，王宝贞．荷电纳滤膜对有机物的分离[J]．水处理技术，2000，26（5）：249－252．

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　　作者简介：查吕应（1976－），男，安徽太湖人，硕士研究生，电话（025）4867349，mercury21eh＠163．com。