人類在21世紀(jì)面臨嚴(yán)重的淡水緊缺問題，水資源缺乏已成為關(guān)系到貧窮、可持續(xù)發(fā)展乃至世界和平與安全的重大問題。因此海水淡化越來越受到重視，利用海水淡化技術(shù)從海水中制取飲用水，已成為人們?nèi)〉玫囊环N重要手段。
目前世界上采用的主要的海水淡化方法(包括多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(fā)(MED)、反滲透(RO))中，RO技術(shù)因其具有投資少、操作方便、建設(shè)期短、占地面積小等優(yōu)點而得到較為廣泛的應(yīng)用，按現(xiàn)有的統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)RO法在海水淡化技術(shù)中占有的比例有逐年增加的趨勢，21世紀(jì)的海水淡化市場中海水反滲透(SWRO)將是主要的海水淡化方法。然而，要保證反滲透裝置能夠長期穩(wěn)定地運行，給水預(yù)處理是至關(guān)重要的。
1.海水預(yù)處理的目的
海水中懸浮物、膠體物質(zhì)和可溶性有機(jī)高分子聚集在膜表面會使膜受到污染；微生物和細(xì)菌會使膜受到侵襲；微生物和細(xì)菌的殘體還會以固體形式析出，使膜性能變壞；水的溫度、pH值、余氯含量、壓力等參數(shù)的劣化會引起膜水解、氯化；由溶質(zhì)引起的膜結(jié)構(gòu)變化還會導(dǎo)致膜的透水率下降。通過預(yù)處理去除海水中懸浮物、有機(jī)物、膠體物質(zhì)、微生物、細(xì)菌及某些有害物質(zhì)(如鐵、錳、鈣等)，可以減緩膜污染，延長膜的壽命，保證反滲透系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。
2.SWRO中傳統(tǒng)預(yù)處理方法存在的問題
海水中不僅硬度偏高，而且有著各種微生物，特別是水溫較高的表層海水。微生物污染不僅給引水設(shè)施，而且給淡化系統(tǒng)造成各種麻煩和事故。反滲透膜表面的污染，造成了產(chǎn)水量和脫鹽率的下降、組件壓差的增大等問題，所以SWRO淡化運行能否順利，給水的預(yù)處理十分關(guān)鍵。在SWRO傳統(tǒng)的海水預(yù)處理中一般包括:滅菌、沉降、過濾、軟化、脫氣等，研究發(fā)現(xiàn)這些傳統(tǒng)處理方法在預(yù)防結(jié)垢和污染方面均能力有限[2]，主要表現(xiàn)為以下幾個方面:
(1)為去除海水中存在各種細(xì)菌和海藻類物質(zhì)，SWRO系統(tǒng)常規(guī)預(yù)處理工藝為石英砂過濾(或無煙煤、錳砂等多個介質(zhì)過濾)、活性炭過濾、3 μm～10 μm精密過濾，有時還有軟化器。去除細(xì)菌的效果不理想，不能確保RO給水無菌[3]。有時被活性炭吸附的有機(jī)物還含有細(xì)菌繁殖的溫床。
(2)為了控制海水中各種微生物的繁殖，常增設(shè)NaClO發(fā)生器，有時還加CuSO4控制海藻。但是聚酰胺(PA)RO膜對氯敏感，易被氯氧化而降解。醋酸纖維素(CA)RO膜耐氯雖好些，但在某些金屬離子存在時，也易被氯氧化而降解。而且CA膜還易被細(xì)菌污染，并成為細(xì)菌的培養(yǎng)源和繁殖地。因此，這兩類膜組件的給水均需除氯處理，通常采用NaHSO3去氯，但這種方法并不能解決海洋微生物的污染問題，當(dāng)海水溫度高于25℃時，產(chǎn)生所謂“后繁殖”現(xiàn)象，會加速細(xì)菌的污染。PA膜需用大量的NaHSO3去除氯和溶解氧，創(chuàng)造保護(hù)膜的還原氣氛，增加了運行成本。
(3)常規(guī)預(yù)處理方法的工藝冗長，先是對給水間歇式加氯，再加絮凝劑和凝聚劑，然后經(jīng)二級壓力多介質(zhì)過濾器去除已絮凝的液體物質(zhì)，接著添加阻垢劑和NaHSO3，再經(jīng)過保安過濾器，這樣就造成處理工藝冗長和處理成本增加。從上面可以看出:一是操作煩瑣；二是費用高(估計占設(shè)備總投資的30%～40%，占運行費用的20%～30%)；三是需經(jīng)相當(dāng)長的一段時間才能生產(chǎn)出合格的濾水。
鑒于傳統(tǒng)預(yù)處理方法有工藝繁雜、費用高、且所得過濾水產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定等許多不足之處。因此，國內(nèi)外逐漸采用微濾、超濾、納濾、集成技術(shù)等新型工藝補(bǔ)充和取代傳統(tǒng)的海水反滲透的預(yù)處理。
3.新型海水預(yù)處理技術(shù)
3.1微濾(MF)技術(shù)
微濾(MF)技術(shù)是一種新型膜處理技術(shù)，以連續(xù)微濾(Continuous Microfiltration)CMFPRO為代表，采用0.2 μm孔徑的中空纖維膜，材質(zhì)為聚丙烯、磺化聚醚砜或醋酸纖維，由內(nèi)向外死端過濾。該膜可使膠體顆粒和細(xì)菌數(shù)量減少幾個數(shù)量級，提高凈化水的水質(zhì)，并可在很低的橫流速下運行。CMFPRO技術(shù)采用空氣反沖洗，以自動頻繁脈沖方式和短時間的沖洗來保持穩(wěn)定的產(chǎn)水通量，與常規(guī)過濾器因反沖洗而出現(xiàn)的停運相比，這種脈沖清洗的時間特別短，因此非常適于過濾固體含量高的液體。
采用連續(xù)微濾CMF代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單介質(zhì)或多介質(zhì)過濾器、活性炭過濾器等進(jìn)水的預(yù)處理方法，不需加入絮凝劑、殺菌劑和余氯脫除劑等化學(xué)藥品，不但免除了介質(zhì)和活性炭的頻繁更換，而且也省去了保安過濾器，并且連續(xù)膜過濾的出水的SDI值小于3，濁度小于0.2 NTU，TSS小于1 mgPL，大腸桿菌小于3個PL，顆粒粒徑<0.2 μm，能夠達(dá)到反滲透系統(tǒng)對進(jìn)水水質(zhì)的要求。與傳統(tǒng)預(yù)處理方法相比，采用連續(xù)微濾技術(shù)改進(jìn)了反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)，延長了反滲透膜的使用壽命，提高了系統(tǒng)的回收率，大大減少設(shè)備占地面積，減少操作費用，降低勞動強(qiáng)度，并可以有效的實現(xiàn)微濾過程的自動化控制。
3.2超濾(UF)技術(shù)
超濾技術(shù)是一種以機(jī)械篩分原理為基礎(chǔ)，以膜兩側(cè)壓差為驅(qū)動力的膜分離技術(shù)。它的篩分孔徑小，可截留水中的細(xì)菌、病毒、膠體、大有機(jī)分子、油脂、蛋白質(zhì)、懸浮物等。
超濾技術(shù)有中空、卷式、平板、管式等幾種組件類型，其中中空纖維膜是超濾技術(shù)中最為成熟與先進(jìn)的一種形式，這種新型的毛細(xì)管型UF膜(中空纖維膜)可以處理高度污染的表層海水。該型UF膜器的特點是具有頻繁、短時、自動清洗毛細(xì)管膜的功能，且具有在較低的錯流流速下運行的能力。該UF膜截留分子質(zhì)量為(150～200)×103u，可確保RO在高通量和高截留率下操作，低壓過濾和反洗，反洗水更容易處理，水回收率為65%，產(chǎn)水量提高10%，過濾水質(zhì)顯著提高，減少運行費用，減少了化學(xué)藥劑投加量，該預(yù)處理能耗低[11]。Brehant等用中空纖維UF膜預(yù)處理表層海水，其UF出水SDI<1，且出水水質(zhì)非常穩(wěn)定，而傳統(tǒng)的雙重介質(zhì)過濾僅能降到2.5左右，且水質(zhì)不穩(wěn)定。
3.3納濾(NF)技術(shù)
納濾(NF)技術(shù)是一種新型分子級膜分離技術(shù)。其膜材料可采用多種材料，如醋酸纖維素、醋酸—三醋酸纖維素、磺化聚砜、磺化聚醚砜、芳香聚酰胺復(fù)合材料和無機(jī)材料等，孔徑在1 nm以上，一般在1 nm～2 nm；截留相對分子量200～1000；對NaCl的截留率小于90%，截留二價的Ca2+、Mg2+和SO42-離子，大幅度降低了進(jìn)料水的濁度、硬度和TDS的含量，解決了傳統(tǒng)海水淡化過程中存在結(jié)垢污染等許多問題，保證膜組件的安全穩(wěn)定運行，并大幅度提高水的回收率。NF膜的最大特點是膜本體帶有電荷，因而對有機(jī)物具有良好的去除效果。其對有機(jī)物的去除可用優(yōu)先吸附—毛細(xì)管流原理解釋。膜本體帶有電荷，這也使它在很低操作壓力下(僅0.5 MPa[14])仍具有較高的脫鹽率。另外，NF膜還對無機(jī)離子進(jìn)行選擇性分離，使得它特別適合于海水的脫鹽處理。有研究表明，NF膜對細(xì)菌和病毒等也具有好的去除性能；且不需添加劑；對色度的去除也非常有效。
Hassan等報道了NF在海水淡化預(yù)處理方面的一系列研究和應(yīng)用工作，其NF透過液(NFP)的SDI<1，且NFP中硬度離子的濃度大大降低，在118 MPa的操作下SO42-離子的去除率達(dá)到93.13%，Ca2+、Mg2+離子的去除率超過80%，NaCl濃度也較大幅度的降低，總?cè)芙庑怨腆wTDS的截留率為37.13%～54.11%，水的回收率為40%～45%。
3.4納濾集成技術(shù)
近年來，國外成功開發(fā)了將NF作為RO及M SF的預(yù)處理，組成了NF-RO，NF-MSF及NF-SWRO-MSF集成淡化技術(shù)。海水經(jīng)N F技術(shù)處理后，去除了80%以上的硬度，TDS下降了40%左右，且去除了所有的有機(jī)污染物，從而提高了SWRO的操作壓力和整個系統(tǒng)的回收率(回收率可達(dá)60%左右)，且能保證SWRO膜組件的安全，長期穩(wěn)定運行。
沙特阿拉伯鹽水轉(zhuǎn)化公司(Saline Water Conver2sion Corporation，SWCC)，進(jìn)行的NF-SWRO集成海水淡化實驗，采用4″×40″的NF膜元件，與無NF預(yù)處理的SWRO相比，集成過程的SWRO水回收率，在4.0 MPa壓力下為48%，為相同壓力下前者的3倍，在516 MPa壓力下為50%左右，為相同壓力下前者的2倍，且經(jīng)過NF處理過的SWRO進(jìn)料中TDS濃度已經(jīng)很低。表明采用納濾預(yù)處理操作壓力可有較大幅度的降低，水回收率可有較大幅度的提高。
SWCC用NF透過液(NFP)作為MSF的進(jìn)料補(bǔ)充水進(jìn)行了NF-MSF集成淡化實驗，在20m3Pd的小試裝置上連續(xù)運行了1200h，MSF最高操作溫度為120℃，實驗過程不加入任何防垢劑、酸或防泡劑。沒有觀察到結(jié)垢現(xiàn)象，在相同的操作條件下，與傳統(tǒng)的MSF相比，采用N F預(yù)處理后，化學(xué)品的消耗量大大降低，減少了對環(huán)境的污染，且NF-MSF系統(tǒng)循環(huán)鹽水中的Ca2+和SO42-離子的濃度大幅度降低，結(jié)垢的可能性大大降低。
SWCC將NF-SWRO的排放濃鹽水作為MSF的補(bǔ)充水進(jìn)料，構(gòu)成NF-SWRO-MSF集成系統(tǒng)，循環(huán)鹽水中Ca2+和SO42-離子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)MFS裝置循環(huán)鹽水中的濃度，甚至遠(yuǎn)低于其在天然海水中的濃度，故結(jié)垢的可能性很小，所需的加酸量也很少，僅為使用天然水的18%或更低。另外，利用MSF排熱段預(yù)熱的海水經(jīng)過NF預(yù)處理并作為RO淡化過程的進(jìn)料，可以減少季節(jié)水溫變化對過程的影響，產(chǎn)水成本可進(jìn)一步降低。
4.結(jié)語與建議
綜上所述，傳統(tǒng)的海水淡化預(yù)處理方法正在逐漸被淘汰，而采用微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和納濾集成技術(shù)作為海水淡化預(yù)處理，可以大幅度降低進(jìn)料水的濁度、硬度和TDS的含量，顯著減少過程化學(xué)品的添加量和膜器本身的清洗次數(shù)，使過程環(huán)境更好，解決傳統(tǒng)海水淡化工程中存在結(jié)垢污染等許多問題，從而大幅度提高水回收率，降低成本。
采用將微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和RO組合起來的集成膜(Integrated Membrane System，IMS)技術(shù)是海水淡化預(yù)處理發(fā)展的趨勢，據(jù)預(yù)測采用UF-NF-RO，NF-SW-RO-MSF集成技術(shù)，NF膜對海水中SO42-的截留率可達(dá)到98%，大幅度降低了后續(xù)RO和MSF的結(jié)垢可能性，而且TDS也有一定程度的減少，可提高整個系統(tǒng)的回收率，非常有利于改善蒸餾法和膜法海水淡化。
我國的海水淡化預(yù)處理技術(shù)研究和應(yīng)用還處于初始階段，所以我們要吸收和借鑒國外海水淡化集成系統(tǒng)的先進(jìn)經(jīng)驗，向開發(fā)智能型、處理效率高、能量綜合利用、符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求的集成性工藝努力。在高起點上加大力度開發(fā)海水淡化預(yù)處理技術(shù)，加快我國海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，勢在必行。
