查呂應(yīng)，丁志斌，曹傳新
(解放軍理工大學(xué) 工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

　　摘　要：結(jié)合國(guó)內(nèi)外納濾（NF）技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用概況，分析了納濾技術(shù)用于反滲透海水淡化預(yù)處理的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。我國(guó)在NF的應(yīng)用方面還處于初始階段，應(yīng)加大抗有機(jī)和微生物污染的膜的研究力度，建立示范工程，推進(jìn)F技術(shù)的發(fā)展。
　　關(guān)鍵詞：納濾（NF）；膜分離；反滲透（RO）；海水淡化；預(yù)處理
　　中圖分類號(hào)：TU991．26
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)嗎：A
　　文章編號(hào)：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 海水淡化概況和發(fā)展趨勢(shì)

　　海水淡化是指將含鹽量為35000mg／L的海水淡化至500mg／L以下的飲用水。利用海水淡化技術(shù)從海水中制取飲用水已成為人們?nèi)〉玫囊环N重要手段。目前，世界上裝機(jī)應(yīng)用的海水淡化方法主要有反滲透（RO）、多級(jí)閃蒸（MSF）、多效蒸發(fā)（MED）和壓汽蒸餾（VC）等，裝機(jī)容量以MSF為主，但近年來(lái)RO發(fā)展相當(dāng)快，市場(chǎng)份額日漸增大。RO技術(shù)與其它方法相比具有投資省、能耗低、建設(shè)周期短、易于自動(dòng)控制、起動(dòng)運(yùn)行快等諸多特點(diǎn)。當(dāng)前國(guó)際上納濾膜（NF）技術(shù)、反滲透海水脫鹽復(fù)合膜技術(shù)、電滲析技術(shù)（ED）、高回收率
工藝和能量回收技術(shù)等高速發(fā)展，使RO海水淡化成本進(jìn)一步下降，前景格外誘人?？梢灶A(yù)料RO技術(shù)將在不久的將來(lái)占據(jù)海水淡化的主導(dǎo)地位[1]。

2 反滲透海水淡化（SWRO）預(yù)處理

　　由于海水，特別是水溫相對(duì)較高的表層海水，不僅硬度偏高，而且含有各種微生物，容易對(duì)反滲透膜表面造成污染，導(dǎo)致產(chǎn)水量和脫鹽率下降、組件壓差增大、膜的使用壽命降低等問(wèn)題。我國(guó)已經(jīng)投入運(yùn)行的規(guī)模較大的海水（苦咸水）淡化工程有浙江省嵊山鎮(zhèn)的500m³則反滲透淡化工程、浙江省嵊泗縣馬跡山的350m³則反滲透淡化工程和遼寧省長(zhǎng)?？h的1000m³/d反滲透淡化工程，其中有兩個(gè)工程的設(shè)備供貨是引進(jìn)器件的國(guó)內(nèi)成套，說(shuō)明國(guó)內(nèi)已經(jīng)基本掌握了海水反滲透淡化工程的設(shè)計(jì)、供貨、安裝、調(diào)試等相關(guān)技術(shù)。然而也暴露出了包括預(yù)處理工藝還亟待改進(jìn)或提高等在內(nèi)的一些問(wèn)題。SWRO中給水的預(yù)處理是影響工程安全穩(wěn)定運(yùn)行及反滲透經(jīng)濟(jì)性的最關(guān)鍵因素之一。
　　 目前在水處理領(lǐng)域使用的反滲透膜通常有卷式醋酸纖維素膜、卷式復(fù)合膜和中空纖維式聚酰胺膜等。不同的反滲透膜對(duì)進(jìn)水的水質(zhì)要求有所不同。但反滲透的預(yù)處理需要考慮的因素是一樣的，一要防止懸浮物、膠體及微生物對(duì)膜和管道內(nèi)部的污染與阻塞，二要防止難溶鹽的沉淀結(jié)垢。
　　在確定海水淡化給水預(yù)處理工藝流程時(shí)，主要考慮待處理的海水水質(zhì)選擇合適的處理工藝，同時(shí)考慮使用地點(diǎn)、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、簡(jiǎn)化操作，又能滿足反滲透進(jìn)水的水質(zhì)要求。NF技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、節(jié)能高效、分離迅速等特點(diǎn)，已成為海水淡化、超純水制造、食品工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域中的一個(gè)重要操作單元。

3 NF技術(shù)用于水處理國(guó)內(nèi)外概況

　　近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多專業(yè)人士致力于NF技術(shù)應(yīng)用于SWRO給水預(yù)處理和飲用水制備方面的研究和設(shè)計(jì)，在工程技術(shù)上的應(yīng)用也日漸增多，比較有代表性的有美國(guó)佛羅里達(dá)州 Royal Palm Beach水廠（1994年8月建成，產(chǎn)水規(guī)模236m³／h，采用NF10膜處理地表原水）和法國(guó)Jamy水廠（1995年1月建成，產(chǎn)水規(guī)模62.5×2m³／h，采用NF70－345膜處理陸地礦井水）等[2]。據(jù)1996年9月美國(guó)的調(diào)查結(jié)果顯示，美國(guó)對(duì)個(gè)州內(nèi)179家脫鹽制飲用水工廠的總裝置產(chǎn)水能力中NF膜軟化法占31％，位居第二，1992年至1996年的4年中NF軟化裝置的水處理能力增加了500％，大大高于其它方法[3]。
　　法國(guó)巴黎市郊的Mery－Sur－Oise水廠部分采用了NF膜處理工藝。該廠NF系統(tǒng)于1993年2月正式運(yùn)行。為了適量保留水中對(duì)身體健康有益的離子。硬度、堿度及一些微量元素，1996年該廠開(kāi)始更換NF膜類型，以新型NF200B取代原來(lái)的NF70膜，于1999年9月安裝投產(chǎn)，處理后水質(zhì)達(dá)到預(yù)期效果[4]。
　　近年隨著NF技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外成功開(kāi)發(fā)出了海水淡化的NF+SWRO+MSF集成技術(shù)[5]，其流程圖見(jiàn)圖1。海水經(jīng)NF技術(shù)預(yù)處理后，去除了80％以上的硬度，TDS下降了40％左右，且去除了所有的有機(jī)污染物，從而提高了SWRO的操作壓力和回收率（回收率可達(dá)60％左右），且能保證SWRO膜組件的安全、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，大大提高淡化效益。SWRO過(guò)程的濃縮海水硬度低、不易結(jié)垢，可再經(jīng)由MSF處理，獲得淡水，使全過(guò)程的回收率可進(jìn)一步提高到90％左右。

　　沙特阿拉伯的SWCC公司成功地開(kāi)發(fā)出了NF技術(shù)作為海水淡化的預(yù)處理技術(shù)。NF膜用于脫除硬度和總?cè)芙夤腆w，從而提高海水反滲透的操作壓力和系統(tǒng)的回收率，保證膜組件的安全穩(wěn)定運(yùn)行[6]。
　　日本、美國(guó)等[7]一些水廠，NF膜的水體利用率在80％－90％，操作壓力為0.65－0.89MPa，給水TDS400－900mg／L，硬度（以CaCO3計(jì)）為230－350mg／L，透過(guò)水20－120mg／L；原水色度為17－115度，透過(guò)水的色度≤1－5度，濃縮水可用做深井口注水。
我國(guó)把對(duì)NF過(guò)程的研究與開(kāi)發(fā)列為“九.五”攻關(guān)的重點(diǎn)方向之一，大大推動(dòng)了NF技術(shù)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)首套工業(yè)化膜軟化系統(tǒng)——144t/d納濾法制備飲用水示范工程，由國(guó)家海洋局杭州水處理中心設(shè)計(jì)，于1997年4月在山東長(zhǎng)島南隍城建成投產(chǎn)，獲得成功。該工程實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，與國(guó)內(nèi)原有的海島苦咸水淡化技術(shù)相比，對(duì)高硬度水質(zhì)進(jìn)行NF膜軟化除硬比電滲析法（ED）出水水質(zhì)優(yōu)，且自動(dòng)化程度大大提高，具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)的先進(jìn)性；與反滲透相比，操作壓力低，從而實(shí)際能耗較低。

4 納濾（NF）及其用于SWRO給水預(yù)處理的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　納濾（NF）是一種新型分子級(jí)膜分離技術(shù)，是目前世界膜分離領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，通常包括以下6個(gè)方面的內(nèi)容：①介于RO與UF之間；②孔徑在1nm以上，一般在1－2nm；③截流相對(duì)分子質(zhì)量在200－1000；④膜材料可以采用多種材質(zhì)，如醋酸纖維素、醋酸一三醋酸纖維素、磺化聚礬、磺化聚醚硯、芳香聚酰胺復(fù)合材料和無(wú)機(jī)材料等；⑤一般膜表面帶負(fù)電；⑤對(duì)NaCl的截留率小于90％
[8]。
　　 NF膜的最大特征是膜本體帶有電荷，這使它在很低操作壓力下（僅0．5MPa）仍具有較高的脫鹽率。NF膜對(duì)無(wú)機(jī)離子進(jìn)行選擇性分離，使得它特別適合于海水的脫鹽處理，通常有以下規(guī)律：
　　對(duì)陰離子來(lái)說(shuō)，截留率按以下順序上升：
　　NO₃^-，Cl^-，OH^-，SO42^-，CO32^-；
　　對(duì)陽(yáng)離子來(lái)說(shuō)，截留率按以下順序上升[1]：
　　　　H⁺，Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Cu²⁺。
　　NF膜對(duì)有機(jī)物的去除與相對(duì)分子質(zhì)量和分子的空間幾何大小有半定量的關(guān)系，與分子的化學(xué)特性，特別是形成氫鍵的能力有關(guān)，通常情況下，NF膜對(duì)有機(jī)物具有良好的去除效果。其對(duì)有機(jī)物的去除可用優(yōu)先吸附一毛細(xì)孔流理論解釋I”。羅敏等采用美國(guó)Trisep公司的h80納濾膜進(jìn)行研究認(rèn)為，TS80膜能使色譜質(zhì)譜峰豐度降低50％左右[10]。近年出現(xiàn)的NTR7450，NTR7410，TS60等膜品種為新型NF膜，由荷電性、親水性好、能阻抗有機(jī)污染的原材料（如磺化聚醚楓等）制成，以去除水中有機(jī)物為主要設(shè)計(jì)目的，對(duì)有機(jī)物的截留機(jī)理主要依賴于有機(jī)物的電荷性，不同于傳統(tǒng)的軟化NF膜的機(jī)械篩分機(jī)理[11]。
　　另外，有研究表明，NF膜對(duì)細(xì)菌和病毒等也具有良好的去除性能；而且不需添加劑；對(duì)色度的去除也非常有效。有業(yè)內(nèi)人士預(yù)見(jiàn)，微污染原水的NF膜處理將是未來(lái)的發(fā)展方向。

5 結(jié)語(yǔ)與建議

　　當(dāng)前，SWRO技術(shù)已經(jīng)成為解決我國(guó)沿海地區(qū)和世界上許多國(guó)家水資源短缺的重要手段，進(jìn)一步提高淡化效益。降低成本成為新的研究熱點(diǎn)。NF技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著膜分離法的一個(gè)新概念：可以按原水中的各種成分的去除程度要求，訂做特定分離性質(zhì)的膜。從NF技術(shù)用于水處理在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功運(yùn)行的工程實(shí)例來(lái)看，NF膜分離性能好，出水水質(zhì)穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，而且能耗低、具有較好技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，用于海水淡化預(yù)處理在技術(shù)上優(yōu)勢(shì)明顯。隨著高性能膜組件的研制、處理工藝的不斷完善和膜污染防治與清洗方法的不斷改進(jìn)，NF膜在水處理中必將具有越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)能力。
　　目前我國(guó)對(duì)NF技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用還處在初始階段，而國(guó)外有些國(guó)家已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用。因此，我國(guó)應(yīng)加快相關(guān)示范工程和技術(shù)中心的建設(shè)，以促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步、推廣，加速科技成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力。對(duì)海水淡化預(yù)處理來(lái)說(shuō)，當(dāng)前最需要研發(fā)的NF膜應(yīng)該是：抗污染或低污染的、特別是能夠抵抗有機(jī)物與微生物污染的高通量NF膜。此外，研制與開(kāi)發(fā)大型膜組件與膜裝置也日益成為研究熱點(diǎn)，比如將發(fā)電、淡化、制鹽和其他產(chǎn)品回收相結(jié)合的新工藝、海水綜合利用的資源和節(jié)能集成系統(tǒng)等。應(yīng)向開(kāi)發(fā)智能型、處理效率高、能量綜合利用、符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求的集成性工藝努力。爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)高性能器件和設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，尋求我國(guó)海水淡化技術(shù)的新增長(zhǎng)點(diǎn)或具有創(chuàng)新水平的自主技術(shù)。

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　　作者簡(jiǎn)介：查呂應(yīng)（1976－），男，安徽太湖人，碩士研究生，電話（025）4867349，mercury21eh＠163．com。