净水技术|三种主流的海水淡化工艺
海水淡化是解决淡水资源短缺的重要途径。来自北京工业大学的副教授郑晓英详细介绍了目前商业用最为广泛的海水淡化工艺：低温多效蒸馏、多级闪蒸、反渗透，分析了其工艺原理、工艺特点、发展趋势以及我国海水淡化产业发展现状。原文发表在《净水技术》2016年第六期“经验交流”栏目。本文略有删减和修改。
三效低温多效蒸馏海水淡化
工艺原理图
01
低温多效蒸馏工艺（LT-MED）在一系列压力递减的蒸发室中进行，蒸发室的个数称为效数，典型的LT-MED淡化厂的效数一般有7效以上。如图1所示，每个蒸发室内安装有一系列蒸发管束，蒸发管束具有优良的传热性能和一定的机械强度。系统中,往第一效蒸发管中通入来自外部热源的蒸汽；海水从蒸馏系统的右边进入，被最后一效中生成的蒸汽预热后一部分作为蒸馏系统的补充水。进入系统的海水从每一效的顶部喷洒到内部的蒸发管束上，在重力的作用下沿蒸发管的表面从上而下流动并不断从蒸发管表面吸收热量而部分蒸发生成蒸汽，同时蒸发管内部的蒸汽放热冷凝生成淡水被收集。在系统上一效中生成的二次蒸汽经除雾器去除盐类物质后进入到下一效的蒸发管中，直接作为下一效蒸发管的加热蒸汽。沿蒸汽传输方向，效室内的压力和温度逐渐下降，这样，蒸发、冷凝在各效就会重复进行，只有在第一效蒸发管中冷凝的淡水回流至蒸汽发生器，其余各效即成为产品水。
技术特点
LT-MED通过控制蒸发室内的压力，实现了海水在较低温度（<70 ℃）条件下的蒸发和冷凝循环, 大大减弱了设备的结垢和腐蚀问题，运行寿命长、维护量少，而且使得应用廉价传热材料的可能性大大增加。由于LT-MED的冷凝过程完全发生在蒸发管内部，系统受海水水质的影响非常小。在较低的温度条件下，海水中的杂质几乎不发生相变，产品水的TDS可达5 mg/L以下。LT-MED主要利用低压蒸汽或者是发电厂的余热，这也使得其能够利用多种低位热能而具备节能的特色。根据系统规模、蒸发室个数以及蒸发管的传热效率的不同，造水比（生产淡水和消耗蒸汽的质量比）为8~15，其运行负荷可以是设计负荷的40%~110%而保持造水比不变，这种操作弹性是一个重要优势，如果因某种原因蒸汽量减少或者增大，对LT-MED的运行影响并不大。但由于LT-MED的操作温度超过 70 ℃，这也成为该工艺技术进一步提高热效率的制约因素。
当前发展趋势
由于在较低的温度下，海水的结垢和腐蚀现象会很大程度减轻，根据这个原理，20世纪70年代末以色列IDE公司开发出了LT-MED 。从热能利用和转化的角度来讲，LT-MED的效率要比MSF高，这使得LT-MED的市场优势明显，在新建的热法工艺中被广泛采用。就全球市场而言，尽管LT-MED淡化厂的数量相对MSF来说还较少，但由于LT-MED的开发使多效蒸馏具有了诸多的优越性，并且其在利用低温余热的蒸汽后，制水成本较反渗透工艺亦具有相当高的竞争力，建成数量正在不断增加。未来低温多效蒸馏工艺研究的重点是新型廉价材料的应用、装置规模的扩大等技术, 旨在进一步降低设备造价和运行成本, 提高竞争力。
多级闪蒸海水淡化
工艺原理图
02
多级闪蒸工艺（MSF）的原理是将海水在一系列压力逐渐减低的闪蒸室内进行闪蒸，闪蒸室的个数称为级数，超大型的MSF淡化厂可达50级。如图2所示，海水首先通过闪蒸室顶部的冷凝管束，在冷凝管束中被各级闪蒸室内生成的逐渐升温的蒸汽预热，最后到达盐水加热器。盐水加热器的加热蒸汽来自火力发电厂，海水在加热器内被加热到最高温度（90~115 ℃）后送入第一级闪蒸室。闪蒸室内的压力低于海水所对应的饱和蒸汽压，即海水被送入闪蒸室的温度高于在闪蒸室内压力条件下的沸点温度，因此海水迅速沸腾，一直到温度降到沸点，一部分海水汽化，生成的蒸汽通过除雾器去除溶解的盐类物质，最后在顶部的进水冷凝管束表面冷凝后生成淡水被收集。没有汽化的海水温度降低，流入到下一个压力较低的闪蒸室继续闪蒸的过程，这样重复蒸发和冷凝的过程持续生成淡化水。
技术特点
MSF更传统一些，技术成熟、可靠，运行安全、稳定，其装置具有大型化和超大型化的特点。由于多级闪蒸工艺将海水的加热和蒸发分开进行，相对于早期的多效蒸馏工艺，MSF设备的结垢现象较轻且容易去除。大型的MSF通常设计成浓水循环式系统，回收部分浓水作为系统补充进水，循环一定比例的浓水可以减少蒸汽和海水的需求量，同时还可以减少阻垢剂和消泡剂的使用量。MSF的级数和造水比受到多种因素的影响，通常，在其他因素均相同的情况下，垂直的冷凝管束MSF系统，造水比大约是级数的1/2到1/3，而平行的冷凝管束MSF系统，造水比大约是级数的1/4 。脱气处理是循环式MSF系统中是重要的预处理环节，脱气处理可以去除进水中的氧气、氮气和二氧化碳等溶解性气体。如果对进水不进行脱气处理，这些溶解性气体将会在闪蒸的过程中被释放出来，这些气体的导热性比较差，会降低冷凝管束的传热速率，同时二氧化碳和氧气还会加速设备的腐蚀。MSF的动力消耗大；设备的操作弹性小，不适用于造水量变化大的场合。
当前发展趋势
MSF自20世纪60年代开始迅速占领中东地区市场，这也是海水淡化技术大规模应用的开始。目前仍是全球市场总产能第二的海水淡化工艺，其发展和应用主要以中东海湾地区为主。该技术与LT-MED相比，能耗偏高，在我国等新兴海水淡化市场的应用较少，近些年来，几乎没有大型的MSF新建项目，取而代之的热法工艺是LT-MED。随着全球海水淡化产业的兴起和新技术的开发应用，MSF未来的市场份额预计会进一步缩减。
渗透和反渗透原理图
03
反渗透即是渗透的逆过程。渗透是一种自然现象，稀溶液中的水分子会以较快的速度透过半透膜向浓溶液一侧扩散，如图3所示，淡水侧的液面会不断下降，从而产生一个静水压力差，当这一静水压力差的存在使两侧的水分子扩散速度相等时，渗透达到平衡，此时的静水压力差值称为渗透压（海水和淡水界面之间的渗透压大约为2.4MPa）。反渗透过程则刚好相反，在SWRO中，在海水一侧施加一个大于海水渗透压的压力将导致海水中的水分子透过膜而盐分被截留下来，理论上，这种外加压力越大，海水中的水分子反渗透的速度越快。
实现反渗透过程最核心的部件是人工合成的反渗透半透膜，它几乎只能让水分子透过。反渗透膜的平膜膜片需要制成一定的构型才能用于水处理工程，如今，在海水淡化中，最主要采用的是芳香聚酰胺类卷式膜元件。在两两平膜膜片之间夹入产水隔网，并分别沿膜层的三条边将膜层胶结在一起，然后和进水隔网组合成一起后卷绕在多孔中心管上，最后在两端装上穿孔端盖并封装后即制成卷式膜元件。商业化的反渗透膜元件有多种规格，海水淡化中使用最多的膜元件直径为200 mm，标准长度为1 000 mm。在SWRO系统中，将1个或几个卷式膜元件连接起来，装入圆柱形的压力容器中，多个压力容器连接组合后构成反渗透单元。通常，一个压力容器中可以包含6~8个膜元件，一个中型的SWRO系统要由上千个压力容器组成。
如图4所示，SWRO由高压泵、压力容器和能量回收装置组成。海水经预处理后，由高压泵加压送入反渗透单元的压力容器后，海水首先通过第一个膜元件并在该膜元件螺旋卷绕的进水隔网通道内流动，在较高的压力下，一部分水分子不断渗透过膜，经产水隔网流道进入到卷式膜元件的中心管，生成产品水，其余进水沿着水流方向继续流动至下一个膜元件。这一过程依次进行，当进水每通过下一个膜元件时，进水浓度增大，流过最后一个膜元件时，进水成为浓水，浓水流出压力容器后经能量回收装置回收剩余压能后排除。
技术特点
与热法不同的是SWRO并没有蒸发和冷凝的相变过程，其最主要的能耗是实现反渗透过程的高压泵送电能，这使得反渗透的制水成本相对热法而言要低。另外，相对热法其设备还具有模块化的结构特点，工艺灵活性较高，其局部设施的暂停维护可以不影响整个系统其余部分的运行。但是，SWRO需要复杂而精细的预处理过程，不同商业膜厂商对其聚酰胺类反渗透膜的进水SDI、pH、温度、余氯等指标均具有严格限制要求。在预处理不达标时，膜表面的污染、结垢会加速，运行中，膜组件的使用寿命、能耗和产品水水质均会受到影响，进而提高制水成本。SWRO的预处理工序根据取水方式和海水水质而不尽相同，对于开放式的取水方式而言，现在比较流行的是在反渗透前上溶气气浮+超滤+5 μm保安过滤器来保证反渗透的进水水质要求。对平均进水TDS=35 000 mg/L的SWRO系统，进水压力在5.0 MPa以上，运行回收率（产水和进水的体积比）在40%~60%。 能量回收装置是另一关键设备，SWRO的快速发展，除了膜材料和膜组件的不断优化，效率不断提升的能量回收装置在反渗透系统中的使用功不可没。如今，高效率的PX型压力回收装置能够回收浓水中95%以上的能量用以加压进料海水，这使反渗透过程的能耗下降了近乎一半。一级反渗透出水TDS大约为300~500 mg/L，这已经满足世界卫生组织对饮用水TDS指标的限定要求（500 mg/L），SWRO在缺水区域已经大规模用以饮用水供给。
当前发展趋势
20世纪80年代SWRO开始成为与传统热法工艺相竞争的工艺[12]，由于设备投资省、建造周期短、能耗较低等诸多优点，发展速度很快，当前已成为全球海水淡化市场最主要的工艺。目前，一级SWRO基本上都是用于市政行业，这也是反渗透工艺的产能迅速增长的原因。未来反渗透工艺的研究将会集中在开发更加节能和耐用的新型反渗透膜和膜组件，减少运行能耗和维护费用，降低制水成本。