李洪德^[1]_，洪新华^[2]，谢峰^[1]

(¹.江苏利港电力有限公司, 江苏 无锡  214444；^2.中电华创电力技术研究有限公司，江苏 苏州  215523)

摘 要：回收率是反渗透系统设计中一个非常关键的参数，决定着进水处理系统(取水、预处理系统和高压泵)的尺 寸和占地面积。但系统回收率的提高会导致浓水侧离子浓度的增加，由此带来较快的膜污染和频繁的膜元件清洗与更换。在不加剧膜污染的条件下进一步提高苦咸水反渗透系统回收率的方法已成为该领域研究热点。本文详细综述了国内外高回收率苦咸水反渗透工艺的应用研究进展和防垢策略，重点介绍了倒向反渗透和脉冲反渗透两种新出现的高回收率反渗透技术，并针对目前的研究方向提出了建议。

关键词：反渗透;高回收率;多段反渗透，浓水反渗透， 倒向反渗透; 脉冲反渗透
      中图分类号：TM621

0  引言

通常设计的苦咸水反渗透系统将产生25%-40%左右的反渗透浓水，长期以来，国内外对于反渗透浓水的处置和处理主要集中在排入地表水或海水、排入市政污水、蒸发浓缩以及资源化利用处理。随着反渗透应用规模的不断扩大，反渗透浓水量越来越多，更多的反渗透浓水需要增加额外的设备、设施进行处理^[1]，且随着环境管理政策和污水回用标准日益严格，反渗透浓水处理成本越来越高。

反渗透的产水回收率决定着进水处理系统(取水、预处理系统和高压泵)的尺寸和排向环境的浓水量。提高系统产水回收率意味着能够降低系统进水水量、耗电量和化学药品的用量，最终降低成本；减少浓盐水排放量，降低对环境的污染。但是，系统产水回收率的提高会导致浓水侧离子浓度的增加，由此带来较快的膜面无机结垢和频繁的膜元件清洗与更换。因此，研究在不加剧膜污染条件下进一步提高苦咸水淡化系统产水回收率的方法，对降低产水成本具有重要意义。本文对国内外高产水回收率膜法苦咸水淡化工艺的研究进展和面临的问题进行了评述，并对此提出了建议。

1 多段反渗透工艺

1.1 多段反渗透工艺介绍

含6支膜元件的一段组件的一级反渗透系统回收率一般为40%-60%，通常设计为50%。如想进一步提高系统回收率，需采用二段或三段来实现。随着回收率的提高，浓水中无机物质、有机物、生物物质浓度提高，造成膜面的无机污染、有机污染、生物污染。无机污染即无机垢的形成；有机污染即有机物在膜面上的附着；生物污染主要是细菌在膜表面的孳生。有机污染物和生物污染物相对容易预防，可以通过进水絮凝预处理和加杀菌剂等方式实现。回收率提高的关键制约因素是无机污染，即各种无机难溶物的浓度超过溶解度后沉淀析出形成水垢。通常需要采用预处理工艺降低进水难溶盐离子含量和添加阻垢剂阻垢的方法来实现。

1.2 降低进水难溶盐离子的研究

1.2.1 离子交换预处理工艺

离子交换预处理技术能够去除进水中的二价成垢离子 Ca2+和 Mg2+；Venkatesan 等[2]采用离子交换-RO工艺进行苦咸水淡化研究，苦咸水TDS含量为12000 mg/L。预处理不使用离子交换和添加阻垢剂时，RO淡化系统的产水回收率仅为36%；而离子交换-RO工艺的系统产水回收率高达90%且无结垢风险，同时分别降低了75%的制水成本和20%的浓盐水处理费用。

1.2.2 纳滤预处理工艺

李亚娟等^[3]采用纳滤工艺对火电厂循环水排污水进行处理。结果表明:纳滤对二价离子的去除率≥85%,纳滤产水作为锅炉补给水处理系统的水源,可确保反渗透系统的安全稳定运行。

1.2.3 化学法去除无机盐的预处理工艺

周旋等^[4]采用不同处理方法，分析对比了浓水中 Ca2+、Mg2+和 SO42-的去除情况。结果表明，化学沉淀法对 Ca2+和 Mg2+的去除率高达85%以上；钙矾石法对SO42-的去除去除率可达到88%。因此，可将化学沉淀法和钙矾石法作为反渗透浓水的有效处理方法。

2 浓水反渗透处理系统

浓水反渗透系统通常在一级反渗透系统后单独增加一套单段的浓水反渗透处理系统。

徐西娥[5]等使用高硅高铁阻垢剂和加酸来防止浓水反渗透系统结垢，对以黄陵沮河水为水源的反渗透浓水进行处理，浓水反渗透回收率可达到50%-58%。系统总回收率达到87.5%-89.5%。杨军[6]等在对水质硬度高达1200mg/L( 以CaCO3计)的某氯碱公司厂区浓水的回收的过程中,投加生石灰和纯碱，降低反渗透进水硬度和碱度后再投加阻垢剂，反渗透膜能够保证稳定运行5个月以上，膜面结垢现象得到了极大的改善。

3 倒向反渗透系统

倒向反渗透是在“结垢诱导时间”[7]达到之前，对反渗透膜系统进行倒向，利用离子饱和度低的进水对结垢倾向大的浓水进行冲洗，延缓反渗透系统浓水结垢甚至对已经形成的无机物垢进行溶解。

典型的工艺流程如图1，其中Vf为反渗透进水，Vr为反渗透浓水，Vp为反渗透产水，反渗透运行时开启正向进水阀S1，浓水排放阀S2以及产水阀制水，末端最后一支膜由于浓度最高，浓水流量最低，最易发生结垢，系统对末端最后一支膜的进行监测，当监测到浓水系统有结垢情况的发生的时候，系统倒向运行，关闭S1,S2，开启S3，S4。

图1：倒向反渗透典型的工艺流程图

判断结垢诱导时间的长短是实施倒向反渗透的关键技术。目前主要技术方法有临界pH法、电导率法、浊度法，直接结垢监测观察器法(EXSOD)。

晶体沉淀生成时，晶体析出产生的微小固体颗粒会引起水样浊度增大,溶液的电导率会降低，在以碳酸钙为主的晶体生成时，PH会有跳跃性变化。张龙明^[8]等依据浊度法原理提出一种用于测定反渗透进水结垢临界点的试验装置，利用该装置对某电厂反渗透处理回用循环水的排污水进行结垢风险评估。杨庆峰^[9]通过试验对结晶生成时pH的变化进行了验证。

直接结垢监测观察器法是把反渗透末端的浓水引入一个小的带有光学窗口观察镜的平板反渗透膜池。采用扫描电镜-能量色散谱对反渗透膜池中膜表面的无机晶体进行形貌的定性、定量分析，精确判断是否有膜面结垢出现^[10]。

4 脉冲反渗透系统

脉冲反渗透（PFRO）在正常运行时，系统全流死端过滤，在结垢诱导时间到达前，对反渗透进行大流量冲洗置换膜表面的浓水对结垢诱导时间 “置零”。其典型的工艺流程图如图2，其中Vf为反渗透进水，Vr为反渗透浓水，Vp为反渗透产水，反渗透运行开启正向进水阀S1，浓水排放阀S2以及产水阀制水，当监测到浓水系统有结垢情况的发生的时候，开启S3进行大流量短时冲洗。Liberman B等[11]研究表明冲洗排放阀快速关闭引起末段膜元件的压力波动，在膜支撑层空腔内形成微小水锤，微水锤脉动对膜面进行带有微振动反向冲洗，有效的避免了甚至消除膜面的污堵和结垢。

图2：脉冲反渗透典型的工艺流程图

闭路反渗透(CCRO)是脉冲反渗透的改进型，其典型工艺流程图如图3，其中Vf为反渗透进水，Vr为反渗透浓水，Vp为反渗透产水，反渗透运行时冲洗排放门关闭，浓水通过循环泵循环至反渗透进水，与脉冲反渗透不同之处在于膜系统此时为错流过滤而非死端过滤，这会有效的延长“结垢诱导时间”，当监测到浓水系统有结垢情况的发生的时候，开启冲洗门进行大流量冲洗以“置零”结垢诱导时间。

图3：闭路反渗透典型的工艺流程图

5  结论和展望

提高苦咸水反渗透回收率研究是降低脱盐产水成本的重要方法，具有巨大的应用潜力。多段反渗透和浓水反渗透可以把回收率提高到85%以上，为避免浓水侧离子浓度过高而结垢，通常需要对进水水质进行预处理以降低进水结垢离子浓度或加阻垢剂阻垢，倒向反渗透和脉冲反渗透这两项新型反渗透系统的反渗透在少使用甚至不使用阻垢剂和杀菌剂的情况下，反渗透系统回收率可以高达95%以上，且能有效减少膜面结垢和污堵，是值得推广应用的新技术。

对于高产水回收率膜法苦咸水淡化工艺的应着重如下几个方面。

1）通过结合科学分析手段和理论模拟方法，继续深入研究高产水回收率条件下无机结垢在膜分离过程中产生的临阈条件和生长途径，阐明结垢晶体在膜面的产生机制、主要影响因素及其作用机理；

2)对阻垢配方进行研究，最大限度延长“结垢诱导时间”。

3）膜系统设计应尽量保证每一只膜的通量平衡，减少膜的浓差极化，降低表观分离度与真实分离度差值。

参考文献

[1] 吴火强，袁国全，刘亚鹏等．IGCC 电厂水分级利用与零排放方案研究，[J]．中国电力，2019，52(2)：26-33．

[2] Venkatesan A , Wankat P C . Simulation of ion exchange water softening pretreatment for reverse osmosis desalination of brackish water[J]. Desalination, 2011, 271(1-3):122-131. 

[3] 李亚娟, 申建汛, 武忠全,等. 火电厂循环水排污水纳滤处理试验[J]. 热力发电, 2016, 45(12):6.

[4] 周旋, 武福平, 袁国文,等. 反渗透浓水中去除SO4^2-的实验研究[J]. 水处理技术, 2014, 40(8):4.

[5] 徐西娥。苏强．除盐水站浓水反渗透系统 优化改造[J]．山东化工，2014，43(5)：107—109．

[6] 杨军, 陈爱民. 反渗透浓水回用案例分析[A]. 2015中国水处理技术研讨会暨15届年会论文集[C], 2015:201-204

[7] N. Pomerantz, Y. Ladizhansky, E. Korin, M. Waisman, N. Daltrophe, and J. Gilron. Prevention of Scaling of Reverse Osmosis Membranes by "Zeroing" the Elapsed Nucleation Time. Part I. Calcium Sulfate[J]. 2006..

[8] 张龙明, 杨春艳, 赵晓林,等. 一种反渗透进水结垢临界点判别方法[J]. 热力发电, 2018, 47(8):6.

[9] 杨庆峰 阻垢剂存在下阻滞反渗透膜结垢的切换流向方法[P],CN 101053776A,2007

[10] Uchymiak M , Rahardianto A , Lyster E , et al. A novel RO ex situ scale observation detector (EXSOD) for mineral scale characterization and early detection[J]. Journal of Membrane Science, 2007, 291(1-2):86-9

[11] Liberman B . Pulse Flow RO achieves high recovery, low biofouling[J]. World Water: Water Reuse & Desalination, 2017, 8(4):31-32.