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膜分离技术与海水淡化和水再用——参考资料PPT

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  • 更新时间:2017-12-26
  • 素材类别:科学课件PPT
  • 素材格式:.ppt
  • 关键提要:膜分离技术与海水淡化和水再用——参考资料PPT,蒸馏法海水淡化
  • 素材版本:PowerPoint2003及以上版本(.ppt)
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膜分离技术与海水淡化和水再用——参考资料PPT

PPT内容


摘要  (Abstract)
简述了海水淡化和水再用在扩大水资源和水资源保护中的重要性。对目前成熟的海水淡化过程,如多级闪蒸和低温多效进行了简介,对反渗透进行了重点介绍。
膜分离技术已成为纯水和软化水制备的通用技术。
水再用包括工业废水处理和回用以及城市污水资源化等。在国內外,膜分离技术在许多领域的中的应用已广为普及,有些过程已成为标准的单元操作,产生明显的环境和经济效益。
随着膜分离技术的不断进步,它在海水淡化和水再用中的作用会越来越大,在扩大和保护水资源方面的贡献会越来越突出,也会对节能、降耗和减排工作有所促进。
1膜分离技术与海水淡化
1.1 海水淡化简要发展过程
海水淡化是自古以来人们的梦想之一。
19世纪出现了浸没式蒸发器;
第二次世界大战促进了脱盐技术的发展,但仍限于多效和压汽蒸馏;
20世纪50年代,美国意识到水资源的重要战略意义,专设盐水局,30年内拨专款14亿美元研发新的脱盐技术。
1954年电渗析(ED)实用化,1957年多级闪蒸(MSF)问世,1960年反渗透(RO)获突破性进展。1975年低温多效(LT-ME)商品化;
1990年后,随着RO膜性能的提高,价格的下降,高压泵和能量回收效率的提高,反渗透法成为投资最省,成本最低的海水淡化制备饮用水的过程。
2006年脱盐水产量在4.75×107m3/d以上,其迅猛增长的趋势是少见的;多级闪蒸技术占世界海水淡化装机容量的42%,反渗透技术占淡化装机容量的45%。
1.2热法海水淡化
热法海水淡化主要有MSF,LT-ME和压气蒸馏(VC)等。
1.2.1 .多级闪蒸(MSF)
就MSF技术本身近年来有所进展,但无重大突破。主要进展有单机容量进一步扩大,最高可达7.9万m3/d;多级闪蒸与水电一体化;过程集成---热膜耦合;採用新的管及蒸發室材料,试用高级奥氏不锈钢代替镍基合金;工藝改进有采用新型聚羧酸酯防垢剂,该剂兼抑垢和分散作用,可使MSF在95-110℃下运行,且用量少,对环境影响小;提高最高盐水溫度,增加级数和比熱交換面積及盐水循環流量;改进热回收和排热段以提高蒸发量;提高快速除霧功能和排放冷卻器功能等;运行管理方面开发了DROPS软件,可协调运行参数,使系统最佳化,并降低运行费用;延长服务期限,提高运行可靠性,减少停车维修,降低成本等等。目前MSF的能耗在10kWh/m3淡水以上。
1.2.2.低温多效(LT-MED)
MED为上世纪30年代的淡化方法,由于结垢和腐蚀等问题,更由于上世纪50年代MSF的出现,使之停滞不前。尽管美、日等国家投入大量资金改进提高,但自1975商品化以来,至今市场占有份额仍不足10%。
LT-MED操作温度在60-70℃,使结垢和腐蚀有所减缓,可使用较廉价的材料,以降低成本。一些改进工作有:装置规模大型化,使用较廉价的新材料和新设备,强化传热管等,提高最高盐水溫度和增加效数,使用高效的热泵等可有效提高造水比和利用末效热, 水电联产和热膜耦合联产有效降低海水淡化的成本;塔式设计,混凝土外壳等。通常能耗在6-8 kWh/m3淡水,该技术在利用低品位热能造水方面有一定的市场。
1.3反渗透法(SWRO )
 图1-1  反渗透(SWRO)过程
1.3.1反渗透膜和组器技术的进步
RO海水淡化所以具有竞争力,膜性能的提高是很关键的。
20世纪70年代海水淡化用的主要是Dupont公司的B-10芳香族聚酰胺中空纤维组件;
上世纪80年代日本东洋纺的三醋酸纤维素中空纤维组件也加入海水淡化阵列;
而目前最具发展潜力的是复合反渗透膜,自上世纪80年代商品化以来,性能不断改进提高,价格越来越便宜,使反渗透海水淡化成本不断下降,成为海水淡化的主要用膜。如φ203mm×1016mm的复合膜卷式元件,对35000mg/L海水,5.5MPa下,25℃,8-10%回收率,产水量达23m3/d,脱盐率99.8%左右。16~18英寸直径的海水淡化反渗透膜元件已开始进入商业化应用。
1.3.2 高效的能量回收技术
20世纪80年代,SWRO初期是用与高压泵电机主轴联动的涡轮机来回收高压浓海水的能量;
上世纪80年代后期改进为水力涡轮换能器,其优点是不必与电机主轴相联,可因地置宜,但涡轮机的效率多在60%-83%左右;
上世纪90年代中期推出了功交换器和压力交换器,效率提高到90%以上,使海水淡化的RO本体能耗在3kWh/m3以下,总能耗在4kWh/m3左右。
1.3.2  高效的能量回收技术 high efficiency of energy recovery
1.3.3 淡化工艺的不断改进
(1)MF和UF用于海水预处理  通过现场试验,用MF和UF对海水预处理不仅技术可行,而且也相当经济,用MF或UF可替代凝聚和过滤,由于供水水质好,RO比常规法可多产水20%,这样用膜面积少,压力容器少,管路省,占地面积小,从而投资费用低;同时RO膜清洗周期长,用试剂少,省劳力、运行时间长,其运行费用也低。
(2)提高回收率的新工艺  对海水淡化经济性分析表明,压力从5.5MPa提高到8.0MPa,使回收率从35%提高到50%以上是经济的。高回收率下,取海水量减少,预处理的设施和各种药剂用量相应减少,泵和高压泵所用电力也省,操作和维修劳力也省等。当然,要求的操作压力要相应提高,这就需要耐高压的膜元件,另外相应的工艺也应进一步改进。
(3)集成工艺  以纳滤作为预处理,实际为部分脱盐(主要是去硬度),通常可除去海水中Ca2+、Mg2+和HCO3—在70%以上,除SO42—在90%以上,与SWRO和MSF(LT-ME)结合,NF产水的60%经RO转化为产品水,RO浓水的80%由MSF转化为淡水,同时MSF的余热可加热NF和RO的进水。
其他集成工艺,水电联产中的和热膜耦合等,可有效降低海水淡化的成本。
(4)生态产业链   将发电、海水淡化与盐、碱联产等综合开发,是值得提倡和推广的新概念。
最新报道(New  report)
         美国加州Hueneme 港的海军海水脱盐试验场用FILMTEC的SW30XLE-400i膜元件,PX压力交换器试验海水脱盐,回收率43%,膜通量6gfd,能耗为6.0kWh/kgal (1.58kWh/m3)。对50MGD的工厂,设计地回收率50%,膜通量9gfd,能耗为6.93kWh/kgal(1.83kWh/m3).$0.63/m3,该试验由Affordable Desalination Collaboration(ADC) 进行。
表1.1 海水和苦咸水淡化产量
1.4 海水淡化的未来
膜法和热法两者,目前中东地区以热法为主,美、日、欧等以SWRO为主。近五年来SWRO由于投资能耗、淡化水成本等都最低,建设周期也短,在国际指标中屡屡中标,很有竞争力。在水热电联产场合(含核能),RO、MED、集成膜法、热膜耦合海水淡化系统都可考虑;预期近几年内,大型反渗透膜元件将规范和标准化,以标准尺寸16或18英寸广泛地应用于大规模反渗透装置中;其他的方法依靠技术的创新和突破,如研究中的新海水淡化技术:膜蒸馏、正渗透和喷雾淡化等。
目前全球的海水淡化产量约4.75×107 m3/d ,占世界饮用水的1%,预计下20年的产量将增加一倍,有700亿$ 的市场,近5年已有约100亿$ 的订货,产淡水5.3×106m3/d。随着水资源的匮乏,水源的污染,需求的增加…...海水淡化技术的应用(包括物料的预浓缩)会越来越广。
Seawater Desalination Plants in China            国内的海水淡化厂
2 膜分离技术与饮用水净化和纯水制备
2.1饮用水净化
环境的污染影响到饮用水的质量,而人们生活水平的提高,对饮用水水质要求越来越高,世界各国都在不断改进饮用水的制备技术,对微滤、超滤和纳滤在除菌、去浊、去大分子胶体、农药、异味、激素及部分SO42-、NO3-、F-和As等方面的作用进行了肯定。
膜技术作为饮用水的预处理和深度处理随着城市化进程的加快,其作用也越来越显著,已成为保障饮用水安全的主要技术之一。家用MF、UF、NF及RO净水器已很普遍,不少自来水厂也开始采用膜技术来保证供水质量。
膜技术与饮用水净化
  (purification of drinking water)
2.2 纯水的生产(pure water production)
超纯水、纯水、过程用水和软化水……这些都是工业生产中每时每刻都离不开的,现在大多都用最经济的膜法来制备。
反渗透可除去天然水中98%以上的盐和有机物,以及95%以上的可溶性SiO2,大大地改善了后续离子交换的工作条件,使再生用酸碱耗量减少95%左右,制水成本进一步下降,且纯水质量和稳定性有保障。近10多年来逐渐兴起RO+EDI的新工艺,EDI以电再生代替了离子交换树脂的酸碱再生,基本上实现了无酸碱化生产。
2.3  软化水
水的软化最常用的为离子交换法和化学法等,这不仅要消耗大量的盐或石灰、纯碱和烧碱等化学药剂,而且对环境造成严重污染,另外操作和控制也不简便。膜软化是近10多年来发展起来的新方法,优点是不要再生,无污泥产生,可完全除去悬浮物和大部分有机物,操作简便和占地省等。在相同出水水质下,投资费用和石灰软化相当,而操作费用低。
3 膜分离技术与水再用 (Membrane separation for water reuse)
3.1 循环回用
3.2 废水处理,水回用并回收副产物和清洁生产
3.3 市政污水和废水处理使水再用
3.1 水循环回用
作为循环回用,有专门的工艺控制结垢、粘泥、腐蚀等以及杀生,这在工业冷却水中普遍采用。
近些年来有用膜技术提高回用率的不少研究报道。
图3-1  美国某核电站海水直流和循环冷却 系统全景(各152200m3/h)
3.2 废水处理 
作为废水处理水回用并回收副产物和清洁生产的应用例子十分多,早在上世纪70年代就开始了,像超滤回收电泳漆,超滤和反渗透处理乳清,NF和RO处理电镀废水等……都是众所周知、广为普及的先进技术。下面是几个与钢铁厂有关的应用。
3.2.1电泳漆回收
涂装行业(特别是汽车工业)用的阳极或阴极电泳漆由于有超滤,实现了电泳漆浓度,电导的严格控制,并回收了电泳漆和淋洗水,使整个生产接近零排放。
图3-2    超滤回收电泳漆
3.2.2电镀废水 
电镀(镀镍、镀铬、镀镉、镀金等)产生大量漂洗水,用反渗透可实现漂洗水中贵重电镀药剂的回收,又可使漂洗水回用,基本可实现零排放的闭路循环。
3.2.3 含油污水处理与回用 
含油污水多种多样,用超滤处理,设备紧凑,占地少,不需加药剂,操作方便,能耗低,分离效果好,是值得大力推广的新工艺。钢铁厂乳化油的处理现都采用膜技术。
3.2.4 废酸、碱、废盐水的回收再生
钢铁生产中废酸和废碱是经常遇到的,用渗析法回收酸是很早就广泛应用的例子;利用双极膜可将废盐水转化为相应的酸、碱而回用。
图3-7  废酸回收再生示意图
3.3 污水回用(sewage reuse)
用膜技术可除去生活污水中的悬浮微粒、病原菌,各种有机、无机物等,不同等级的再生水可分别用于杂用水,灌溉用水,建筑用水,工业冷却水等,以至锅炉用水。用膜技术(集成技术)使污水再用,近十年来获得相当大的突破,不仅技术可行,而且经济上也有竞争力。
目前,水处理中的膜生物反应器多用于污水处理(少量用于表面水),与传统的活性污泥法(CASP)比,由于膜反应器取代了二级澄清池,这可使污泥停留时间(SRT)和水力停留时间(HRT)分别控制,由于SRT大,泥龄长,污泥浓度高,抗冲击负荷能力强,降解速率高,降解充分,对难降解物质也可使之降解,占地省,污泥量少…通常对COD和NH3—N的去除率在90%以上,处理后的水可直接作为市政用水或进一步处理作各种工业用水。
3.3.2 二级市政污水处理
3.3.2 二级市政污水深度处理
(1) 作电厂锅炉补给水和冷却用水  用二级污水作锅炉补给水和冷却用水,基本流程是,二级污水经曝气、混凝澄清、过滤后,即可用作工厂一般用水,(现在这一处理已用CMF来代替),之后再经第一级RO处理,产水可用于冷却水,浓水可用于冲灰,第一级RO的产水经第二级RO,其产水经脱气和离子交换,即达锅炉用水标准,浓水返回作为第一级RO的进水。国内用水紧张的北方城市,可考虑采用此工艺解决冷却水和锅炉补给水问题。
(2) 地下水回灌或贮水于地下,改进流域水质  国外已将深度处理的污水回灌地下,贮水于地下,防止海水入侵,改进流域水质,主要流程是,原废水先经初级沉淀,再经曝气、二级澄清和沙滤,后经MF和RO,即可回用。我国北方地区特别是沿海地区可考虑该工艺。
结语(conclusion)
膜分离技术产生和发展的历史是不断创新和实践的历史,每一种新的膜过程的成功都是若干创新的综合。膜分离技术的进步,推动了其他学科和技术的进步,同样,其他技术的发展,也促进了膜分离技术的进步。
随着水资源供需矛盾的增加,海水和苦咸水淡化及水再用已作为国策将迅速发展。膜分离技术在海水和咸水淡化与水再用中的应用越来越广;在高效节能降耗、改造传统产业、保护环境和推进清洁生产等各方面将发挥更大的作用。
随着膜分离技术的不断进步,其在该领域的作用会越来越大,在未来世界水资源开发和利用中将扮演越来越重要的角色。其前景是十分广阔。
 

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