杭州水處理技術研發中心膜分離技術與海水淡化和水再用(Membraneseparationforseawaterdesalinationandwaterreuse)O第一頁，共六十四頁。目錄(content)1膜分離技術與海水淡化1.1海水淡化簡要發展過程1.2熱法海水淡化1.3反滲透法1.4海水淡化的未來2膜分離技術與飲用水凈化和純水制備2.1飲用水凈化2.2純凈水的生產2.3軟化水3膜分離技術與水再用3.1水循環回用

3.2廢水處理

3.3污水回用

4結語第二頁，共六十四頁。摘要(Abstract)簡述了海水淡化和水再用在擴大水資源和水資源保護中的重要性。對目前成熟的海水淡化過程，如多級閃蒸和低溫多效進行了簡介，對反滲透進行了重點介紹。膜分離技術已成為純水和軟化水制備的通用技術。水再用包括工業廢水處理和回用以及城市污水資源化等。在國內外，膜分離技術在許多領域的中的應用已廣為普及，有些過程已成為標準的單元操作，產生明顯的環境和經濟效益。隨著膜分離技術的不斷進步，它在海水淡化和水再用中的作用會越來越大，在擴大和保護水資源方面的貢獻會越來越突出，也會對節能、降耗和減排工作有所促進。第三頁，共六十四頁。壓力驅動膜(PDM)原理圖第四頁，共六十四頁。1膜分離技術與海水淡化1.1海水淡化簡要發展過程海水淡化是自古以來人們的夢想之一。19世紀出現了浸沒式蒸發器；第二次世界大戰促進了脫鹽技術的發展，但仍限于多效和壓汽蒸餾；20世紀50年代，美國意識到水資源的重要戰略意義，專設鹽水局，30年內撥專款14億美元研發新的脫鹽技術。1954年電滲析（ED）實用化，1957年多級閃蒸（MSF）問世，1960年反滲透（RO）獲突破性進展。1975年低溫多效（LT-ME）商品化；1990年后，隨著RO膜性能的提高，價格的下降，高壓泵和能量回收效率的提高，反滲透法成為投資最省，成本最低的海水淡化制備飲用水的過程。2006年脫鹽水產量在4.75×107m3/d以上，其迅猛增長的趨勢是少見的；多級閃蒸技術占世界海水淡化裝機容量的42%，反滲透技術占淡化裝機容量的45%。第五頁，共六十四頁。1.2熱法海水淡化熱法海水淡化主要有MSF，LT-ME和壓氣蒸餾(VC)等。1.2.1.多級閃蒸（MSF）就MSF技術本身近年來有所進展，但無重大突破。主要進展有單機容量進一步擴大，最高可達7.9萬m3/d；多級閃蒸與水電一體化；過程集成---熱膜耦合；採用新的管及蒸發室材料，試用高級奧氏不銹鋼代替鎳基合金；工藝改進有采用新型聚羧酸酯防垢劑，該劑兼抑垢和分散作用，可使MSF在95-110℃下運行，且用量少，對環境影響??；提高最高鹽水溫度，增加級數和比熱交換面積及鹽水循環流量；改進熱回收和排熱段以提高蒸發量；提高快速除霧功能和排放冷卻器功能等；運行管理方面開發了DROPS軟件，可協調運行參數，使系統最佳化，并降低運行費用；延長服務期限，提高運行可靠性，減少停車維修，降低成本等等。目前MSF的能耗在10kWh/m3淡水以上。第六頁，共六十四頁。1.2.2.低溫多效（LT-MED）MED為上世紀30年代的淡化方法，由于結垢和腐蝕等問題，更由于上世紀50年代MSF的出現，使之停滯不前。盡管美、日等國家投入大量資金改進提高，但自1975商品化以來，至今市場占有份額仍不足10%。LT-MED操作溫度在60-70℃，使結垢和腐蝕有所減緩，可使用較廉價的材料，以降低成本。一些改進工作有：裝置規模大型化，使用較廉價的新材料和新設備，強化傳熱管等，提高最高鹽水溫度和增加效數，使用高效的熱泵等可有效提高造水比和利用末效熱，水電聯產和熱膜耦合聯產有效降低海水淡化的成本；塔式設計，混凝土外殼等。通常能耗在6-8kWh/m3淡水，該技術在利用低品位熱能造水方面有一定的市場。第七頁，共六十四頁。反滲透具有投資省、能耗低（無相變）、建設期短、占地少的特點，是海水淡化技術中近二十年來發展最快的。除海灣國家外，美洲、亞洲和歐洲，大、中生產規模的裝置多以反滲透法為首選。(SWROhasbeenacceptedwidelyinAmerica,AsiaandEurope,becauseofitslowestinvestmentandcost,lowestenergyconsumptionandshorterbuildingperiod.)1.3反滲透法(SWRO)第八頁，共六十四頁。圖1-1反滲透（SWRO）過程取水第九頁，共六十四頁。1.3.1反滲透膜和組器技術的進步RO海水淡化所以具有競爭力，膜性能的提高是很關鍵的。20世紀70年代海水淡化用的主要是Dupont公司的B-10芳香族聚酰胺中空纖維組件；上世紀80年代日本東洋紡的三醋酸纖維素中空纖維組件也加入海水淡化陣列；而目前最具發展潛力的是復合反滲透膜，自上世紀80年代商品化以來，性能不斷改進提高，價格越來越便宜，使反滲透海水淡化成本不斷下降，成為海水淡化的主要用膜。如φ203mm×1016mm的復合膜卷式元件，對35000mg/L海水，5.5MPa下，25℃，8-10%回收率，產水量達23m3/d，脫鹽率99.8%左右。16～18英寸直徑的海水淡化反滲透膜元件已開始進入商業化應用。第十頁，共六十四頁。16”8”（TFC）（Module)CA,CTA海水和苦咸水膜PW,BW復合膜（TFC）SW復合膜（TFC）低壓復合膜（TFC）

納濾復合膜（TFC）

超低壓復合膜（TFC）

高脫鹽復合膜（TFC）

圖1-2抗污染復合膜（TFC）

第十一頁，共六十四頁。1.3.2高效的能量回收技術20世紀80年代，SWRO初期是用與高壓泵電機主軸聯動的渦輪機來回收高壓濃海水的能量；上世紀80年代后期改進為水力渦輪換能器，其優點是不必與電機主軸相聯，可因地置宜，但渦輪機的效率多在60%-83%左右；上世紀90年代中期推出了功交換器和壓力交換器，效率提高到90%以上，使海水淡化的RO本體能耗在3kWh/m3以下，總能耗在4kWh/m3左右。第十二頁，共六十四頁。1.3.2高效的能量回收技術

highefficiencyofenergyrecovery圖1－3能量回收裝置第十三頁，共六十四頁。1.3.3淡化工藝的不斷改進

（1）MF和UF用于海水預處理通過現場試驗，用MF和UF對海水預處理不僅技術可行，而且也相當經濟，用MF或UF可替代凝聚和過濾，由于供水水質好，RO比常規法可多產水20%，這樣用膜面積少，壓力容器少，管路省，占地面積小，從而投資費用低；同時RO膜清洗周期長，用試劑少，省勞力、運行時間長，其運行費用也低。（2）提高回收率的新工藝對海水淡化經濟性分析表明，壓力從5.5MPa提高到8.0MPa，使回收率從35%提高到50%以上是經濟的。高回收率下，取海水量減少，預處理的設施和各種藥劑用量相應減少，泵和高壓泵所用電力也省，操作和維修勞力也省等。當然，要求的操作壓力要相應提高，這就需要耐高壓的膜元件，另外相應的工藝也應進一步改進。第十四頁，共六十四頁。（3）集成工藝以納濾作為預處理，實際為部分脫鹽（主要是去硬度），通?？沙ズＫ蠧a2+、Mg2+和HCO3—在70%以上，除SO42—在90%以上，與SWRO和MSF（LT-ME）結合，NF產水的60%經RO轉化為產品水，RO濃水的80%由MSF轉化為淡水，同時MSF的余熱可加熱NF和RO的進水。其他集成工藝，水電聯產中的和熱膜耦合等，可有效降低海水淡化的成本。（4）生態產業鏈將發電、海水淡化與鹽、堿聯產等綜合開發，是值得提倡和推廣的新概念。第十五頁，共六十四頁。一級海水淡化工藝高效兩段法高壓一級海水淡化工藝集成工藝(膜、熱、電)新的預處理（MF/UF）生態產業鏈（水、電、鹽、化工…..圖1-4新后處理系統(脫硼)二級海水淡化工藝淡化工藝的不斷改進第十六頁，共六十四頁。圖1-7海水資源綜合利用與電、熱、汽和其他工業聯產—生態產業鏈第十七頁，共六十四頁。最新報道(Newreport)美國加州Hueneme港的海軍海水脫鹽試驗場用FILMTEC的SW30XLE-400i膜元件,PX壓力交換器試驗海水脫鹽,回收率43%,膜通量6gfd,能耗為6.0kWh/kgal(1.58kWh/m3)。對50MGD的工廠,設計地回收率50%,膜通量9gfd,能耗為6.93kWh/kgal(1.83kWh/m3).$0.63/m3，該試驗由AffordableDesalinationCollaboration(ADC)進行。第十八頁，共六十四頁。表1.1海水和苦咸水淡化產量淡化水產量所占比例（%）

（m3/d）MSFROLT/MED其他全球4.7×107~43.5（下降趨勢）(66.3)~

43.5（迅速上升趨勢)(22.4)~（上升趨勢)~（上升趨勢)中國15.0×104~

4~

80~15~第十九頁，共六十四頁。圖1-8

以色列Ashkelon

SWROplant(33×104m3/d)第二十頁，共六十四頁。1.4海水淡化的未來膜法和熱法兩者，目前中東地區以熱法為主，美、日、歐等以SWRO為主。近五年來SWRO由于投資能耗、淡化水成本等都最低，建設周期也短，在國際指標中屢屢中標，很有競爭力。在水熱電聯產場合（含核能）,RO、MED、集成膜法、熱膜耦合海水淡化系統都可考慮；預期近幾年內，大型反滲透膜元件將規范和標準化，以標準尺寸16或18英寸廣泛地應用于大規模反滲透裝置中；其他的方法依靠技術的創新和突破，如研究中的新海水淡化技術：膜蒸餾、正滲透和噴霧淡化等。第二十一頁，共六十四頁。目前全球的海水淡化產量約4.75×107m3/d，占世界飲用水的1%，預計下20年的產量將增加一倍，有700億$的市場，近5年已有約100億$的訂貨，產淡水5.3×106m3/d。隨著水資源的匱乏，水源的污染，需求的增加…...海水淡化技術的應用（包括物料的預濃縮）會越來越廣。第二十二頁，共六十四頁。SeawaterDesalinationPlantsinChina

國內的海水淡化廠215國內已運行的淡化廠約達萬噸/天1.在建的有20多個廠,總產量約80萬噸/天2.醞釀中的個大淡化廠,2×1Mm3/d3.第二十三頁，共六十四頁。圖1-9榮成5000噸/日海水淡化系統5000m3/dROseawaterdesaltingplantinRongcheng(2003)第二十四頁，共六十四頁。2膜分離技術與飲用水凈化和純水制備2.1飲用水凈化環境的污染影響到飲用水的質量，而人們生活水平的提高，對飲用水水質要求越來越高，世界各國都在不斷改進飲用水的制備技術，對微濾、超濾和納濾在除菌、去濁、去大分子膠體、農藥、異味、激素及部分SO42-、NO3-、F-和As等方面的作用進行了肯定。膜技術作為飲用水的預處理和深度處理隨著城市化進程的加快，其作用也越來越顯著，已成為保障飲用水安全的主要技術之一。家用MF、UF、NF及RO凈水器已很普遍，不少自來水廠也開始采用膜技術來保證供水質量。第二十五頁，共六十四頁。膜技術與飲用水凈化(purificationofdrinkingwater)MF：懸浮物、細菌UF：大分子、病毒、膠體NF：部分硬度、重金屬、農藥、激素、

As

、TXM、SO42-……RO：各種雜質ED：去氟MC：去揮發性物質第二十六頁，共六十四頁。第一代工藝第二代工藝混凝沉淀過濾消毒常規處理深度處理預處理預氧化臭氧＋活性炭預處理UF/NF后處理消毒第三代工藝圖2-1第二十七頁，共六十四頁。圖2-2

飲用水凈化---巴黎14萬噸/日納濾膜飲用水裝置第二十八頁，共六十四頁。2.2純水的生產(purewaterproduction)超純水、純水、過程用水和軟化水……這些都是工業生產中每時每刻都離不開的，現在大多都用最經濟的膜法來制備。反滲透可除去天然水中98%以上的鹽和有機物，以及95%以上的可溶性SiO2，大大地改善了后續離子交換的工作條件，使再生用酸堿耗量減少95%左右，制水成本進一步下降，且純水質量和穩定性有保障。近10多年來逐漸興起RO+EDI的新工藝，EDI以電再生代替了離子交換樹脂的酸堿再生，基本上實現了無酸堿化生產。第二十九頁，共六十四頁。圖2-3純水制備流程第三十頁，共六十四頁。SaltReject鹽水HighPurityProduct高純產品水SaltReject鹽水Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-H+OH-H+OH-H+OH-H+OH-AEMAEMCEMCEM圖2-4混床型樹脂填充式EDI第三十一頁，共六十四頁。圖2-5從海水制備鍋爐補給水ConventionalFiltrationThirdRO+EDI第三十二頁，共六十四頁。圖2-6兗州礦務局4800噸/日鍋爐補給水系統電力領域第三十三頁，共六十四頁。2.3軟化水水的軟化最常用的為離子交換法和化學法等，這不僅要消耗大量的鹽或石灰、純堿和燒堿等化學藥劑，而且對環境造成嚴重污染，另外操作和控制也不簡便。膜軟化是近10多年來發展起來的新方法，優點是不要再生，無污泥產生，可完全除去懸浮物和大部分有機物，操作簡便和占地省等。在相同出水水質下，投資費用和石灰軟化相當，而操作費用低。第三十四頁，共六十四頁。圖2-7

膜軟化-工藝流程第三十五頁，共六十四頁。3.1循環回用3.2廢水處理，水回用并回收副產物和清潔生產3.3市政污水和廢水處理使水再用3膜分離技術與水再用

(Membraneseparation

forwaterreuse)第三十六頁，共六十四頁。3.1水循環回用作為循環回用，有專門的工藝控制結垢、粘泥、腐蝕等以及殺生，這在工業冷卻水中普遍采用。近些年來有用膜技術提高回用率的不少研究報道。第三十七頁，共六十四頁。海水冷卻分海水直流冷卻和海水循環冷卻。直流冷卻是指原海水經換熱設備進行一次性冷卻后，即排放的過程；循環冷卻是指原海水經換熱設備完成一次冷卻、再經冷卻塔冷卻后，循環使用的過程。海水作為工業冷卻用水第三十八頁，共六十四頁。圖3-1美國某核電站海水直流和循環冷卻

系統全景（各152200m3/h）第三十九頁，共六十四頁。經近百年的發展，世界海水冷卻水用量已經超過5000億立方米/年，廣泛用于發電、煉油、化工、鋼鐵等耗水大的行業。我國的海水直流冷卻技術，已有60余年發展歷史，主要用于濱?；痣姟⒑穗姟⒒ず鸵苯鸬绕髽I。海水冷卻水用量已經超過300億立方米/年。如僅大亞灣核電站（980MW）年用冷卻海水達35億噸。我國海水循環冷卻技術經近20年的研究開發，已達十萬噸/時的示范規模，具有重要推廣應用價值。第四十頁，共六十四頁。表3.1中國海水利用發展目標Developmenttargetforseawaterutilization第四十一頁，共六十四頁。3.2廢水處理

作為廢水處理水回用并回收副產物和清潔生產的應用例子十分多，早在上世紀70年代就開始了，像超濾回收電泳漆，超濾和反滲透處理乳清，NF和RO處理電鍍廢水等……都是眾所周知、廣為普及的先進技術。下面是幾個與鋼鐵廠有關的應用。3.2.1電泳漆回收

涂裝行業（特別是汽車工業）用的陽極或陰極電泳漆由于有超濾，實現了電泳漆濃度，電導的嚴格控制，并回收了電泳漆和淋洗水，使整個生產接近零排放。第四十二頁，共六十四頁。圖3-2超濾回收電泳漆超濾電泳槽淋洗水第四十三頁，共六十四頁。3.2.2電鍍廢水電鍍（鍍鎳、鍍鉻、鍍鎘、鍍金等）產生大量漂洗水，用反滲透可實現漂洗水中貴重電鍍藥劑的回收，又可使漂洗水回用，基本可實現零排放的閉路循環。第四十四頁，共六十四頁。采用膜分離技術，以膜的透過液作為生產工藝回用水使用，膜的濃縮液作為電解槽液，可以回收金屬和水資源，實現清潔生產，減少污水處理成本。圖3-3回收金屬與水資源工藝流程框圖廢水池增壓泵預處理裝置膜分離裝置回用水電解槽回收金屬資源第四十五頁，共六十四頁。圖3-4

1000m3/d電鍍鎳漂洗水膜法資源化工程第四十六頁，共六十四頁。圖3-5鍍鎳漂洗水膜濃縮效果照片含鎳漂洗水膜透過水膜濃縮液第四十七頁，共六十四頁。3.2.3含油污水處理與回用含油污水多種多樣，用超濾處理，設備緊湊，占地少，不需加藥劑，操作方便，能耗低，分離效果好，是值得大力推廣的新工藝。鋼鐵廠乳化油的處理現都采用膜技術。第四十八頁，共六十四頁。圖3-6

鋼廠乳化液凈化處理，300m3/d第四十九頁，共六十四頁。3.2.4廢酸、堿、廢鹽水的回收再生鋼鐵生產中廢酸和廢堿是經常遇到的，用滲析法回收酸是很早就廣泛應用的例子；利用雙極膜可將廢鹽水轉化為相應的酸、堿而回用。第五十頁，共六十四頁。圖3-7廢酸回收再生示意圖

廢酸（4.5N）再生酸(~4.0N)稀廢酸(~0.5N)純水滲析膜圖3-7第五十一頁，共六十四頁。圖3-8滲析法回收廢酸第五十二頁，共六十四頁。3.3污水回用(sewagereuse)用膜技術可除去生活污水中的懸浮微粒、病原菌，各種有機、無機物等，不同等級的再生水可分別用于雜用水，灌溉用水，建筑用水，工業冷卻水等，以至鍋爐用水。用膜技術（集成技術）使污水再用，近十年來獲得相當大的突破，不僅技術可行，而且經濟上也有競爭力。3.3.1膜生物反應器在污水再用中的作用3.3.2二級市政污水處理

3.3.2.1作電廠鍋爐補給水和冷卻用水

3.3.2.2地下水回灌或貯水于地下，改進流域水質第五十三頁，共六十四頁。目前，水處理中的膜生物反應器多用于污水處理（少量用于表面水），與傳統的活性污泥法（CASP）比，由于膜反應器取代了二級澄清池，這可使污泥停留時間（SRT）和水力停留時間（HRT）分別控制，由于SRT大，泥齡長，污泥濃度高，抗沖擊負荷能力強，降解速率高，降解充分，對難降解物質也可使之降解，占地省，污泥量少…通常對COD和NH3—N的去除率在90%以上，處理后的水可直接作為市政用水或進一步處理作各種工業用水。3.3.1膜生物反應器在污水再用中的作用(Theroleofmembranebioreactorinsewagereuse)第五十四頁，共六十四頁。

膜生物反應器(MBR)(

Membranebioreactor)圖3.9第五十五頁，共六十四頁。

45,425m3/d處理量,占地僅22.3m2!圖3.10MBR膜堆第五十六頁，共六十四頁。超濾集成過程納濾、反滲透膜生物反應器純水中水自來水園林環衛工業冷卻水生活廢水土壤滲透圖3.11含MBR的膜集成技術第五十七頁，共六十四頁。圖3.12MBR過程比較第五十八頁，共六十四頁。3.3.2二級市政污水處理3.3.2二級市政污水深度處理（1）作電廠鍋爐補給水和冷卻用水用二級污水作鍋爐補給水和冷卻用水，基本流程是，二級污水經曝氣、混凝澄清、過濾后，即可用作工廠一般用水，（現在這一處理已用CMF來代替），之后再經第一級RO處理，產水可用于冷卻水，濃水可用于沖灰，第一級RO的產水經第二級RO，其產水經脫氣和離子交換，即達鍋爐用水標準，濃水返回作為第一級RO的進水。國內用水緊張的北方城市，可考慮采用此工藝解決冷卻水和鍋爐補給水問