ABSTRACT

In the aspect of ship water supply, the primary reverse osmosis device can convert the seawater with total dissolved solids (TDS) of about 35,000 mg/L to the desalinated water with TDS of 200 - 700 mg/L. After a long-term operation, the TDS of the produced water will exceed the TDS limitation of ship water quality. Moreover, the primary reverse osmosis device has the problem of poor boron removal effect, causing a certain health risk in using desalinated water supplied by the primary reverse osmosis device. Therefore, it is necessary to carry out the secondary advanced treatment. The effects of operating pressure and concentrated water reflux on volume and TDS of the water produced by secondary reverse osmosis were experimentally studied, as well as the boron removal effect of the primary/secondary reverse osmosis process. The results show that the value of TDS of the produced water ranges from 6 - 10.5 mg/L when the operating pressure ranges from 0.89 - 1.05 MPa, which meets the requirement of drinking water quality for warships. The volume of concentrated water reflux has little influence on the volume and TDS of the produced water. When the inlet water temperature ranges from 15˚C - 25˚C, the boron content of the primary reverse osmosis outlet ranges from 0.6 - 0.9 mg/L, which cannot satisfy the upper limit of 0.5 mg/L stipulated in the Standards for Drinking Water Quality (GB 5749-2006); the boron content of the secondary reverse osmosis outlet ranges from 0.2 - 0.4 mg/L, which meets the requirement.

Keywords:Operating Pressure, Concentrated Water Reflux, Boron Removal Effect

船舶海水淡化二级反渗透深度处理试验研究

唐小东

沪东中华造船(集团)有限公司，上海

收稿日期：2019年1月7日；录用日期：2019年2月6日；发布日期：2019年2月13日

摘 要

在船舶供水方面，一级反渗透海水淡化装置能将溶解性总固体(Total Dissolved Solids, TDS) 35,000 mg/L左右的海水转化为TDS在200~700 mg/L的淡化水，但长时间运行后其产水TDS会超过舰船淡化水水质要求。并且一级反渗透海水淡化装置对脱硼的效果不佳，仅采用一级反渗透海水淡化装置供水存在一定的健康风险，因此需要对一级产水进行二级反渗透深度处理。试验研究了操作压力和浓水回流对二级反渗透产水流量和产水TDS的影响，以及一级反渗透、二级反渗透的脱硼效果。结果表明：当操作压力在0.89~1.05 MPa时，二级反渗透的产水TDS在6~10.5 mg/L之间，满足舰船饮用水要求。浓水回流量对产水流量和TDS影响很小。当进水温度在15℃~25℃时，一级反渗透出水的硼含量为0.6~0.9 mg/L，达不到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定的0.5 mg/L的限值；二级反渗透出水的硼含量在0.2~0.4 mg/L，满足饮用要求。

关键词 :操作压力，浓水回流，脱硼效果

Copyright © 2019 by author and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 前言

反渗透膜基于其良好的物理性质和分离效果，广泛地应用于化工、医药、海水淡化、环保等领域。目前在船舶上获取饮用水一般都采用反渗透法和蒸馏法 [1] ，而反渗透技术在海水淡化处理中表现出优异的性能。2000年开始，反渗透海水淡化技术逐步在船舶上获得应用，主要采用一级反渗透获取淡水，由于产水水质无法达到饮用标准，主要作为洗涤水使用。随着各国对海水淡化装置要求的提高，研究也有了很大的进展。在材料性能方面，使用了新材料和新技术。芬兰和瑞典的两家公司提出了可用于膜法和蒸馏法的海水淡化装置中新型的不锈钢材料，这种双相不锈已经成功地运用在世界各地的海水淡化装置中 [2] 。T Humplikt [3] 研究了能够直接参与海水脱盐分离的纳米结构材料，减少海水腐蚀的影响问题，并开创了新的局面。通过改善膜材料的使用性能，可以降低海水淡化的生产成本及相关的操作费用 [4] 。随着控制方法的逐渐成熟，模糊控制和神经网络在海水淡化控制系统中得到应用，近年我国船用海水淡化装置控制系统也逐渐智能化 [5] 。虽然反渗透能去除海水中大部分的细菌、无机盐、有机物等，但反渗透对海水中各组分离子不是等比例地脱除，对二价离子如Ca²⁺、Mg²⁺、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 等的截留率较一价离子高。此外，由于反渗透无法截留海水中的CO₂气体，这些CO₂透过膜组件到达产水侧后会重返水中转化为 ${\text{HCO}}^{\text{3}-}$ ，这将使得反渗透淡化水pH较低，因此具有更强的腐蚀性。相比于天然饮用水，反渗透淡化水水质存在以下特征：1) TDS偏高；2) pH及总碱度较低，水质呈弱酸性；3) 总硬度较低，水中Ca²⁺、Mg²⁺、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 等含量偏低；4) 一级反渗透海水淡化装置对脱硼的效果不佳。因此，必须进行进一步调质处理，主要采用加药调质、石灰石溶解调质等措施，从而存在成本高、工艺复杂、水质不易控制等难题。此外由于国内外舰船以反渗透海水淡化方法制备的饮用水还没有专门的水质标准，我国舰船反渗透淡化水作为饮用水应符合GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》。由于反渗透淡化水的硬度、碱度过低，不适合长期饮用，需要对其进行水质调节后处理，为防止调质后淡化水TDS过高，一般要求舰船反渗透出水TDS在150 mg/L以下 [6] 。本研究对一级反渗透海水淡化装置的出水进行了水质检测，部分水质指标的结果见表1，运行参数：进水TDS为35000 mg/L，海水温度15℃，操作压力5.0 MPa。

表1. 一级反渗透产水水质分析

通过表1可以看出，一级反渗透出水的硼含量是0.939 mg/L，超过了《生活饮用水卫生标准》规定的0.5 mg/L限值；TDS的含量为417 mg/L，超过了舰船反渗透出水TDS ≤ 150 mg/L的建议要求 [6] ，此外钠离子的含量为120 mg/L，氯化钠是人体内重要物质，人体内新陈代谢、血液渗透压和酸碱平衡、神经肌肉兴奋性都与该物质息息相关 [7] ，钠超量摄入会增加患高血压的风险 [8] ，GJB1335-92《低矿化度饮用水矿化卫生标准》规定饮用水中的钠含量在20~100 mg/L，因此需要对一级反渗透的出水进行二级反渗透深度处理。

2. 试验装置及试验流程

本试验装置为二级反渗透深度处理装置，设计产水量为15 m³/d，设计产水TDS ≤ 150 mg/L，以一级反渗透淡化水作为进水，试验装置的工艺流程见图1。其部分参数指标如下：

1) 进水TDS：≤500 mg/L；

2) 进水温度：0℃~40℃；

3) 产水量：15 m³/d；

4) 产水TDS：≤150 mg/L；

5) 脱盐率：≥98%；

6) 回收率：74%~89%；

7) 膜类型：陶氏BW30-4040膜；

图1. 二级反渗透装置试验流程

通过二级反渗透深度处理试验，研究了不同操作压力下的产水流量及产水TDS的变化；不同浓水回流量下产水流量及产水TDS的变化；不同温度条件下试验装置的脱硼效果。

3. 试验结果与分析

3.1. 操作压力对二级产水量及TDS的影响

为研究反渗透装置的进水压力与产水流量和TDS之间的关系，试验保证进水流量、进水TDS、进水温度和浓水回流量为定值，试验结果见图2。其中，进水流量为14 L/min，进水TDS为233~235 mg/L，进水温度为24.7℃~24.9℃，浓水回流量为6 L/min，表观回收率是指产水流量与进水流量的比值。

图2. 二级产水流量和表观回收率随操作压力的变化关系

由图2可以看出：当操作压力为0.89~1.05 MPa时，产水流量能达到10.8~12.2 L/min，而且操作压力与产水流量之间是正相关，产水的表观回收率在74%~89%，说明通过控制操作压力，可以使装置达到80%的回收率要求 [9] [10] 。

由于二级反渗透装置存在浓水回流工艺，进入反渗透膜的流量是进水流量和浓水回流量之和，这是反渗透装置进膜的实际流量，所以反渗透装置的实际回收率会低于表观回收率。实际回收率就是产水流量与进水流量和浓水回流量之和的比值。二级产水流量和实际回收率随操作压力的变化关系见图3。由图3可以看出：操作压力与产水流量之间也是正相关，但二级反渗透的实际回收率在52%~62%之间。由于装置是3支膜串联，因此单支膜的实际平均回收率为17%~21%，低于陶氏设计导则中规定的30%的最大回收率 [11] 。

图3. 二级产水流量和实际回收率随操作压力的变化关系

由图4可以看出：当操作压力为0.89~1.05 MPa时，产水TDS在6~10.5 mg/L之间，低于GB 5749-2006的标准，钠离子的含量低于50 mg/L，作为饮用水不会有味道，同时操作压力的变化对产水TDS浓度基本没影响。产水TDS的表观脱盐率在95.5%~97.5%之间，说明二级反渗透的整体脱盐率还是较高的。

图4. 二级产水TDS和表观脱盐率随操作压力的变化关系

二级反渗透装置因为存在浓水回流工艺，因此进入反渗透膜的混合水TDS是进水TDS和浓水回流TDS的混合。根据进出水TDS总量守恒，在已知进水流量、进水TDS、产水流量、产水TDS、浓水回流量等数据的基础上可以求出进入反渗透膜的实际TDS，计算后得到的结果见图5。由图5可以看出：二级反渗透的实际进水TDS在430~785 mg/L，实际脱盐率在98.5%~98.8%之间，略高于表观脱盐率。

图5. 二级产水TDS和实际脱盐率随操作压力的变化关系

由于现实应用中更加注重反渗透装置的表观数据，因此以后的讨论中不再考虑反渗透装置的实际回收率和脱盐率，只讨论表观回收率和脱盐率。

3.2. 浓水回流量对二级产水量及TDS的影响

试验保证进水流量、进水TDS、进水温度和操作压力为定值，研究了反渗透装置的浓水回流量对产水流量和TDS的变化关系，试验结果见图6。其中，进水流量为14 L/min，进水TDS为239 mg/L，进水温度为25.4℃，操作压力为1.0 MPa。

图6. 产水流量和TDS随浓水回流量的变化关系

由图6可以看出：在进水条件不变的情况下，浓水回流量的增加使产水流量略有增加，这是因为浓水回流量增加导致进入反渗透膜的进水流量增加，相同操作压力下导致产水流量增加，产水流量的范围在11.6~11.9 L/min。浓水回流量的增加使产水TDS也略有增加，这是因为浓水回流量的增加导致进入反渗透膜的混合水中的TDS增加，则产水TDS也随之增加，产水TDS浓度范围为8~10 mg/L。总体来说，浓水回流比对产水流量和产水TDS的影响很小，并且产水TDS一直满足舰船反渗透出水TDS ≤ 150 mg/L的限值。

3.3. 反渗透装置脱硼效果分析

人们每日会从食物及饮用水中摄入1~3 mg硼，硼也是植物生长所必需的微量元素，但是硼的过量摄取会引起恶心、头痛、腹泻、肝脏损害甚至会死亡。因此，从水源中除硼是极其必要的。我国GB 5749-2006规定硼含量的上限为0.5 mg/L。

由于硼在水中通常以硼酸分子的形式存在，分子直径小，而且不带电荷，使其很容易透过反渗透膜达到产水侧。温度对硼的脱除率影响很大 [12] 。试验测定了不同温度下一级和二级反渗透装置的脱硼效果，结果见表2。

表2. 反渗透产水中硼含量随进水温度的变化

由表2可以看出：随着温度的升高，反渗透装置的产水硼含量逐渐上升。当海水温度为15℃以下时，一级反渗透产水的硼含量低于0.5 mg/L，但是当海水温度为15℃以上时，一级反渗透产水的硼含量为0.6~0.9 mg/L，超过了GB 5749-2006规定的0.5 mg/L的限值。而温度在10.3℃~26.1℃时，二级反渗透深度处理后的产水硼含量是在0.2~0.4 mg/L的范围内，满足GB 5749-2006要求。所以在船舶海水淡化方面，必须对一级反渗透海水淡化产水进行二级反渗透深度处理，才能使饮用水安全得到保障。

4. 结论

通过上述试验研究，得到以下结论：

1) 二级反渗透深度处理装置的操作压力和产水流量呈正相关关系，当操作压力为0.89~1.05 MPa时，产水流量10.8~12.2 L/min (15.55~17.57 m³/d)；控制操作压力在0.96 MPa以上时，装置的回收率大于80%；当操作压力为0.89~1.05 MPa时，产水TDS在6~10.5 mg/L之间，钠离子的浓度低于50 mg/L。

2) 二级反渗透深度处理装置的浓水回流对产水流量和TDS的影响较小，浓水回流量在3~7 L/min的范围内，产水流量在11~13.5 L/min (15.84~19.44 m³/d)，产水TDS保持在8~9.5 mg/L，产水水量及水质满足设计要求。

3) 在除硼上，一级反渗透海水淡化装置得到的产水不能满足GB5749-2006的要求，且温度对硼的去除率影响很大，在温度为15℃以下时，一级反渗透产水硼含量低于0.5 mg/L，但当温度在15℃以上时，一级反渗透产水硼含量为0.6~0.9 mg/L，超过了《生活饮用水卫生标准》规定的0.5 mg/L限值。经过二级反渗透深度处理后的产水硼含量能满足《生活饮用水卫生标准》。

文章引用

唐小东. 船舶海水淡化二级反渗透深度处理试验研究
Experimental Study on Advanced Treatment of Ship Desalination by Secondary Reverse Osmosis[J]. 环境保护前沿, 2019, 09(01): 26-33. https://doi.org/10.12677/AEP.2019.91005

参考文献