摘要：海水淡化是當今最具有潛在發展能力和市場的水處理工藝，在中東地區巴林五星級酒店所運用的海水淡化處理核心工藝為反滲透，預處理方面則包括多介質過濾、活性炭過濾、連續超濾等。這次海水反滲透淡化裝置的走出國門，為今后反滲透技術在我國的發展和普及奠定更加堅實的基礎。
　　關鍵詞：海水淡化、反滲透、超濾、多級閃蒸、電滲析、消毒、巴林Zallaq五星級酒店
　　1、概述
　　無論何時，無論何地，“水都是地球是最寶貴的資源之一”。這句話形容地處西亞波斯灣內，高溫且少雨熱帶沙漠氣候的島國巴林，是最恰當不過的了。巴林地區年平均溫度30攝氏度，年降雨量小于50mm，整個巴林島無河流和湖泊，用水主要是通過海水淡化及抽取深層地下水，水資源極度缺乏，由于酒店用水量較大，日供水量需要660立方，巴林已有的市政管網無法滿足用水要求，整個酒店的用水無法使用常規（城市管網、水庫供水）的供水方式。于是，“海水淡化”便成為了酒店供水水處理的最佳方案。本文在比較不同海水淡化工藝的基礎上，將對反滲透淡化及其預處理工藝在巴林Zallaq五星級酒店的應用進行詳細介紹。
　　
　　2、海水淡化不同工藝的簡介
　　不可否認，海水淡化技術在國內外都存在一些尚待解決的問題，成本也較高。可當今越來越多國家開始重視發展海洋經濟、利用海洋優勢，寧愿以較高的成本從海洋取水，以換取發展經濟的寶貴時間和機會。所以水的價值遠不是傳統、靜止的價值觀所能衡量的。這也是海水淡化具有的潛在發展市場和美好前景的重要原因。
　　以下就反滲透及一些工業上常用的海水淡化技術簡略進行介紹和比較：
　　（1） 蒸餾法：
　　蒸餾法原理顯而易見，即加熱→蒸發→冷凝。設備主要分為：多效蒸發（ME）、多級閃蒸（MSF）、壓氣蒸餾（VC）。蒸餾法大量使用于海水淡化的生產。尤其MSF工藝，目前全球淡化水總產量中仍居第一，其技術最成熟，運行安全性最高，適用于大型和超大型淡化裝置，總是與火力電站聯合運行，主要在海灣國家使用，產水量占整個淡化水量的42.4%；而VC法屬于最省能的淡化方法之一，但規模一般不大。
　　（2） 膜法：
　　膜法包括3種，反滲透（ReverseOsmosis，后文簡稱RO，將對其進行詳細介紹）、膜蒸餾(MD)、納濾（NF），其中RO法無論在海水、苦咸水，無論大型、中型、小型都能適應，是海水淡化技術中近20年來技術發展最快，且淡化成本也降得最快的淡化技術。1998年InternationalDesalinationAssociation（國際脫鹽協會）公布的淡化產水量統計結果中，RO占整個淡化水量的39.5%，兩年之后上升為41.1%，大有趕超MSF法之勢，可以預見，RO法將會成為未來全球海水淡化應用最為普遍的技術。
　　（3） 電滲析法（ED）：
　　電滲析法以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性而脫除水中離子的淡化過程。但為了防止因濃差極化而引起的膜面結垢，采用頻繁自動倒換電極極性的電滲析，被稱為頻繁倒極電滲析（EDR）。ED與EDR主要用于淡化苦咸水。
　　在實際使用中，究竟是用哪種淡化方法，也不是絕對的，要根據實際條件而定。包括規模大小、能源費用、原水水質、氣候條件以及技術與安全性要求等。根據統計，從全球各地區采取的淡化方法比較可以看出：中東國家的首選仍是MSF法，其次便是反滲透；而其他地區都基本上選用反滲透。
　　3、巴林Zallaq五星級酒店海水淡化工藝
　　考慮到酒店規模、當地生活條件、天氣變化情況等因素，巴林Zallaq五星級酒店海水淡化設備水量設計為30m3/h，從規模上看這套設備屬于小型生產規模。其工藝主要流程為：
　　原水（海水）預處理（加藥、多介質過濾等）→連續超濾→反滲透
　　以下就巴林Zallaq五星級酒店海水淡化系統依此順序逐一進行流程分析。
　　（1）原水預處理
　　眾所周知，要使SeaWaterReverseOsmosis（簡稱SWRO）系統長期安全有效的運行，對海水正確處理是非常重要的，這關系到反滲透膜組原件的壽命。因為反滲透膜組件是十分嬌貴的，它雖然能夠截流水中絕大部分溶解于不溶解的物質，包括離子、大分子有機物、膠體、病毒、細菌和懸浮固體顆粒，概括起來作用便是用于脫鹽，如果截流其他物質，容易造成膜污染，損害膜元件。如果原水處理不當，膜元件在幾天內就會損壞，相反如果給水預處理得當，膜元件的壽命可以超過5年，甚至更長。
　　巴林Zallaq五星級酒店SWRO系統的原水預處理包括消毒、混凝、沉淀、過濾等流程。
　　1）消毒
　　消毒是常規水處理中必不可少的步驟之一，它對減少水中致病微生物的致病作用起了至關重要的作用。
　　同樣，在SWRO系統中采取消毒工藝，這也是必不可少的，原因是海水中的微生物含量大于淡水中的含量，系統中微生物的繁殖速度與規模十分驚人，如果處理不當，隨時會對系統中的膜組件和一些管路器件造成不同程度的損傷。通常的消毒都采取氯消毒。
　　與酒店比鄰的波斯灣巴林海灣，其本身生物污染較嚴重，故氯化法采用的是次氯酸鈉發生器，這樣不僅可以起到消毒作用，還能將Fe2+氧化為Fe3+，使之絮凝沉淀并在過濾過程中去除。次氯酸鈉發生器的原理如下：
　　發生器的鈦陽極電解海水（富含食鹽）制得次氯酸鈉，反應是為：
　　NaCl+H2O→NaOCl+H2↑
　　次氯酸鈉消毒作用依靠次氯酸HOCl，反應式為：
　　NaOCl+H2O→HOCl+NaOH
　　顯而易見，SWRO系統使用次氯酸鈉發生器從經濟角度來講，也是最合適不過的。因為次氯酸最終還是由NaCl反應生成，使用次氯酸鈉發生器將無需購買反應原材料。
　　2）絮凝
　　絮凝過程的目的是使水中的膠體、細菌、顏色等微粒集聚沉淀，從而降低反滲透過程前給水的濁度和淤塞密度指數（SDI），保證反滲透膜安全運行。絮凝是通過消除膠體顆粒間的排斥力或破壞膠體微粒的親水性，從而使得顆粒易于相互接觸而吸附在一起的。簡單的說，絮凝是使凝聚的膠體進一步形成較大絮狀顆粒的過程，這一過程靠一定外力攪動下使膠體顆粒相互碰撞而聚集，或者靠絮凝劑的橋架作用與其他雜質和懸浮物互相吸附在一起。
　　波斯灣巴林海域原水的濁度并不高，所以在巴林Zallaq五星級酒店的SWRO系統并沒有采取澄清、沉淀的工藝，添加絮凝劑的水直接進入過濾系統。絮凝劑采用的是FeCl3，它具有不受水溫變化影響、礬花大而結實，沉降速度快、價格便宜等眾多優點。
　　3）過濾
　　過濾的作用是把給水中的懸浮物質和經過絮凝的膠體物質截流，從而達到降低給水的濁度和淤塞密度指數SDI等的目的，滿足反滲透進水的水質要求。
　　本系統中的過濾共分為4個階段：雙層濾料池過濾→活性炭濾池過濾→自清洗過濾器過濾→超濾過濾（超濾將在下一節介紹）。
　　值得指出的是，在設備的最初工藝設計時并沒有雙層濾料池和活性炭濾池，經過一段試運行后，發現波斯灣巴林海灣的生物污染比較嚴重，為了使海水淡化設備能夠正常運行，我們建議在工藝上進行調整，增加這兩道工藝。
　　 雙層濾料池過濾：作為常規水處理工藝的過濾方法，雙層濾料池具有截流效果明顯（較單層濾料）、過濾周期長（相同濾速下）、適應范圍廣等優點。其濾料組成的布局大致為，上層采用密度較小、粒徑較大的輕質濾料------無煙煤；下層采用密度較大、粒徑較小的重質濾料------石英砂。
　　就如前文所說的，由于波斯灣巴林灣海域的海水濁度并不高（低于50度），所以此系統采用的是直接過濾，即原水經過加藥后直接進濾池，過濾前不設任何絮凝設備（也叫做“接觸過濾”）。在過濾時，通過脫穩顆粒或微絮粒與濾料的充分碰撞接觸粘附，被濾層截留下來，濾料除了具有過濾功能外，同時還成為了接觸凝聚介質。
　　 活性炭濾池過濾：在雙層濾料池后設置活性炭濾池，其主要目的還是在于利用活性炭的對有機物具有明顯的吸附能力，在生物污染比較嚴重的環境下去除給水中的各種有機物（藻類等），同時由于原水經過氯消毒，此濾池還可起到脫氯作用。
　　但在過濾過程中，一定要注意活性炭的失效時間，及時更換濾料。因為在采用次氯酸鈉消毒后的水還要考慮可能發生以下的化學反應：
　　HOCl+C→CO+HCl，
　　如果不注意及時更換，會產生顆粒狀的碳粉脫落下來從而造成再次污染的結果。
　　 自清洗過濾器過濾：在經過前面的雙重過濾后，給水中大部分大顆粒物質、懸浮物、微生物都已經去除，為了增加反滲透膜的使用壽命，提高整個系統的穩定性，從而在系統中設置了2臺自清洗過濾器，起到了雙保險的作用。
　　過濾器采用的是柱體結構，其中又具有粗濾網和細濾網，當水由入口進入過濾器進行過濾時，細濾網逐漸累計水中的雜質，形成過濾雜志層，因此濾網內外形成了壓力差。當此壓力差達到一定數值時，過濾器就會自動啟動自清洗過程。從設備過濾原理來看，具有占地面積小，容易操控等優點。
　　（2）連續超濾
　　值得一提的是，巴林Zallaq五星級酒店的整個SWRO系統中不但使用了上述的常規預處理方法（包括消毒、絮凝、過濾等），還應用了新的預處理技術------超濾（UF）。
　　超濾的形式按照其外形可分為板框式、管式、卷式和中空纖維式等，巴林Zallaq五星級酒店SWRO系統的UF采用的是中空纖維式。從原理上比較，超濾膜的平均孔徑介于反滲透膜和微濾膜之間，所以工作壓力（推動力）小于反滲透膜而大于微濾膜。雖然超濾膜不具有脫鹽能力，但由于其對水中的細菌、病毒、膠體、大分子等微粒具有十分有效的過濾能力，與反滲透膜相比，它具有操作壓力低（操作方便）、設備簡單的優點。
　　作為當今SWRO系統中的預處理新技術，UF在給水處理中示例不多，規模也不大，但是效果十分明顯。在阿聯酋新建的3800m3/d的SWRO廠里，采用的就是UF中空纖維膜作為給水預處理。對于常規預處理和超濾等于處理的效果進行比較，參數如下表：

　　再回到巴林Zallaq五星級酒店SWRO系統中的UF預處理，由于它也是屬于膜處理范疇，與常規預處理一樣，加入絮凝劑（FeCl3），過濾效果將更好。但同時由于其良好的過濾效果，過濾時的懸浮物和膠體等污染物質沉淀在膜面上，水通量將會有所下降，所以必須要注意其沖洗時間，可能會比較頻繁。
　　（3） 滲透
　　作為巴林Zallaq五星級酒店SWRO系統的核心工藝，反滲透技術的研究是從1953年初開始的。1960年，第一張具有高脫鹽率和高透水量的非對稱醋酸纖維素(CA)反滲透膜研制成功。1970年美國杜邦推出用芳香聚酰胺中空纖維制成的反滲透器。90年代，超低壓高脫鹽率全芳香族聚酰胺復合膜開發進入市場。經過近半個世紀的研究開發，目前反滲透已經發展成為一種成熟的膜分離技術，被廣泛應用在海水淡化、及其他水處理、環保等領域。
　　30年來反滲透技術取得了長足的進步，與傳統的蒸餾法比，反滲透海水淡化過程不發生相的變化。根據熱力學計算，常溫下用反滲透法淡化海水的最低能耗僅為0.7Kw•h/m3左右。所以，理論上講，它是最節能的海水淡化方法。而到目前為止，海水反滲透淡化的總能耗已經下降到3kW•h/m3左右，淡化水的成本已到達了0.55美元/噸以下，目前的市場占有率已經超過了45%。
　　了解了反滲透技術的發展及現狀后，再來簡單介紹一下反滲透的基本原理：
　　能夠讓溶液中的一種或幾種組分通過，而其他組分不通過的這種選擇性膜稱為半透膜。當用半透膜隔開純溶劑和溶液的時候，純溶劑通過膜向溶液相有一個自發的流動，這一現象為滲透。
　　
　　
　　當滲透達到動平衡狀態時，半透膜兩側存在著一定的水位差或壓力差，此即為在指定溫度下的溶液滲透壓π。滲透壓是溶液的一個性質，與膜無關。
　　
　　
　　若在濃溶液側進一步增加壓力，則滲透平衡被破壞，出現了溶劑的反向滲透流動，這一現象就稱為反滲透（RO）。
　　
　　
　　反滲透膜的透過機理目前尚未有一致公認的解釋，其中以選擇性吸著——毛細管流機理常被引用。該機理認為膜表面由于親水性的原因，能選擇吸附水分子而排斥鹽分子，因而在固-液界面上形成厚度為兩個水分子（1nm）的純水層。在施加壓力作用下，純水層中的水分子便不斷通過毛細管流過反滲透膜。膜表皮層具有大小不同極細空隙，當其中的空隙為純水層厚度的一倍（2nm）時，稱為膜的臨界孔徑，可達到理想的脫鹽效果。
　　反滲透膜的種類，常用的主要有醋酸纖維膜（CA）和芳香族聚酰胺膜兩種；膜裝置的種類可以分為板框式、管式、卷式和中空纖維式。巴林Zallaq五星級酒店SWRO系統所采用的卷式芳香聚酰胺膜。芳香聚酰胺膜是一種含氮的直鏈形芳香族的有機高分子的膜材料，新一代的芳香聚酰胺膜高脫水率和高脫鹽率的優點，其脫鹽率可以高達99.7%。此外此膜還具有較好的柔韌性和足夠的機械強度，而且使用壽命長，使用PH范圍廣。
　　4、結束語
　　對于海水淡化技術的研究，我國相對起步較晚。而反滲透技術較西方國家相比，起步則更晚，直到1997年于舟山建成了日產500m3的海水反滲透淡化裝置，因此對反滲透工藝及反滲透膜的研究還要經過更多實踐。反滲透海水淡化裝置這次走出國門無疑將成為我國反滲透海水淡化的一個新的里程碑，將為今后反滲透技術在我國的發展和普及奠定更加堅實的基礎。
　　參考文獻：
　　1. 王世昌，《海水淡化工程》，北京：化學工業出版社，2003。
　　2. 嚴煦世、范謹初，《給水工程》第4版，北京：中國建筑工業出版社，1999。