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赵河立:正在起草反渗透膜法海水淡化产品水质

来源:环保在线时间:2021-03-29阅读:

  【中国环保在线 名家论谈】海水淡化水质要求标准,2018年8月公布,10月1日开始实施,涉及到了哪些数据和项目,又起到了什么作用,有什么样的影响呢?沧州工业园区海水淡化技术现场交流会邀请了国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所赵河立教授详细解答。

  主持人:我们请国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所赵河立教授,他的报告题目是《“海水淡化水水质要求”标准解读》,大家欢迎。

  赵河立:大家好。非常感谢有这个机会给大家介绍一下关于标准的事,其实标准从某种意义上讲不是大事。咱们国家海水淡化的标准相关的数有100多项,放在上相比,中国是能出海水淡化标准的国家于任何一个国家。因为中国是把海水淡化当成了一个行业,咱们有行业组织、有专门的管理机构,所以这标准咱们得把拢的更细一点,其他的国家或边缘化组织没有把它当成单独的一个选项。海水淡化水水质要求的标准不是大标准只是行业标准,这个标准是今年(2018年)8月份公布,10月1日开始实施,目前还是海洋行业推荐的标准(HY/T-247-2018)。从标准的级别上讲,不是国标也不是强制标准,从行业来讲却是开了个好头。海水淡化的水从上讲大家都清楚,大概60%以上是作为市政(用)的,在咱们国家非常有限。按照工程来讲,可能某些项目(咱们市政的工程)大概每天淡化水进入市政管网的水量不足10万吨(勉强10%的样子),有些工程,比如北京炼厂20万吨是市政的,但进入市政的水远远没有达到这产能的能力。

  对于海水淡化水质要求,今天主要讲市政方面的问题跟大家做个探讨。海水淡化水质的特点,不管是什么淡化工业,都是把水中的离子大部分给脱除,剩的离子非常有限,而且这种脱除没有太多的选择性,不管是二价的钙镁硫酸根,还是一价的铝钠离子都要脱除,其实对于这种膜法可能二价离子脱除更彻底些,甚至讲到钠铝、钠滤可能针对脱除二价,一价反倒脱除率会低些。因为淡化水水中离子脱除的比较多,而且是没有太多的二价离子,所以造成水有一定的腐蚀性,也可以跟自来水相比,尤其是碳酸氢根、钙离子、硫酸根、镁离子浓度比较低,这水进入市政管道会引起市政管道里(尤其是钢管)的腐蚀,比较直观的就是水会变红。尤其是淡化水进入管网之后就会发现早上自来水龙头打开水是红色的,流一会儿之后水才是正常的颜色。如果它进入一个老的管网,咱市政老的管网其实管道里都附着尘垢层,其实对水管是一种保护。自来水不是跟管道的金属直接接触,它在管道内壁上有一层尘垢层,这层尘垢层其实是保护了水不受腐蚀,因为自来水里边天然的存在着碳酸根和钙离子,还有天然的平衡,在输送过程中有轻微的结垢趋势,保证垢层会稳定的存在,而且不会腐蚀到管道。这是海水淡化水的主要特点。我们也是从一些测量和调研找出典型的数据,不管是对于热法、膜法、闪蒸,它的水里面不管含氧量,还有硬度、浓度都比较低,尤其是热法,热法几乎没什么离子;膜法多少残留些;一级反渗透一般会有两三百毫克升的含氧量,但硬度也非常低,它的含氧量其实主要是氯离子和钠离子。这种水如果进入管道之后就会造成明显的腐蚀,让管道中已有的垢层被溶解掉,另外就是管道中的金属会被腐蚀到水里面,水里面除了铁离子的融入之外,还有铅、锌、铜这些离子都有可能进入管道,比较直观的问题是管道水质会有影响,比较严重的问题是管道会穿孔,甚至破坏,影响管道的安全性。

  自来水水质稳定性不是海水淡化特有的问题。咱们国家对不同的城市、不同的水源,自来水稳定性一直是行业的重要问题,不同季节不同城市这种差异很大,比如说在北方(北京、天津)南水北调过来之后,它的水进入市政管网之后,南水北调中的水跟之前的水有明显的差异,这里边其实就要有解决稳定性的问题。海水淡化处理稳定性问题其实跟现有自来水稳定性问题本质上一样的,可能措施略有差异。这是我们找到不同城市自来水LSI值(取样),其实一个城市不同季节不同年份,LSI值差的是很多的,LSI值在缺水、干旱地区相对要高点,因为水结尘垢的倾向更严重些,更不容易腐蚀管道。对于南方多雨的地区,包括东南地区,甚至包括东北地区,水中侵蚀性相对强些。大家可以看出LSI值是衡量水质稳定性的一个重要指标,对于不同的城市它有一个天然的范围,对于这些城市,虽然有一些波动,这些城市都没有出现管道稳定性问题,水质问题。这些市政管道对于水的水质它有天然的承受能力,其实淡化后处理只要满足市政管道需求就可以了,所以为什么这个标准特别难以编制出来,作为一个国家,不同气候带、不同地方这种水质差异性,管网的承受能力差异是很大的。

  标准核心还是饮水标准,饮水标准目前全国只有一个,标准是12年前发布的《GB-5749-2006》,饮水标准里面大部分指标可能都是上限的要求,没有下限,PH值是个特例,是个区间。就是说你的水可以很纯,但对某些溶解的物质,你可以没有,但不能太多,这是当时定标准的原则。对于海水淡化的水可以轻易达到生活饮水的标准,但这种水对于自来水管道,客观的讲确实是不安全的,合格的水,对于管道还需要额外的处理,目前发布的标准其实是针对这个问题。

  对于后处理其实一般来讲大家公认的要考虑以下几个问题:一个方面就是感官的问题,它有合适的盐度(就是水不能太咸),饮水标准有要求,含盐不能超过1000;还有合适的一价/二价离子的比例,饮水标准是没有要求;还有有害物质的浓度低,饮水标准106项主要是针对有害物质(重金属、农药残留等)。还有腐蚀的状况,饮水标准没提。还有卫生的状况,饮水标准是有的,对于微生物的含量、比对样都是有要求的。对于这种腐蚀特性就是往里面添加适当的钙离子、碳酸氢根、硫酸根一些相关的离子,另外把PH值调到合适的范围。

  对于后处理的要求,不同的组织还有国家也都提出了一些可以参考的数值(社会组织在2007年一份报告中提出来的)碱度大于40,CCPP要在4—10之间,拉森(Larson)指数小于5,LSI是0.5—1.0,硬度要大于50,这块也是很有参考价值的。另外就是美国的军方、沙特这些组织或国家都提出了相应的标准和要求,这些要求其实我们感觉略有差异,但是大同小异。另外还有一个特点,这些数值都喜欢凑个5、10、100的数,什么意思?大家定的标准也是先这么用着,到底什么是优的,其实都没有一个的答案。

  以色列在2007年也给出了相关的建议值:碱度大于80,钙区间80—120,CCPP在3—10,PH值小于8.5,它给的范围是比较窄的,可能跟以色列对淡化水的依赖性也是有很大的关系。另外一些国家(抽样值)对水质情况也是参考的数据,对于一些主要指标,比如说TDS目前是在100左右的范围,硬度、碱度、钙镁都有一个范围,也就是说在市政范围内,根据这些国家的实际运行认为淡化水可能是安全的。

  这是沙特案例的具体工程要求,对各种指标提的要求,这里面主要是对钙硬度、总碱度范围会有很窄的区间;对于某些溶解物质,比如氯离子、铁、铜会有大值要求;总固溶物有建议的范围;LSI值是0.1—0.3,这也是一个比较窄的区间。

  今天要说的标准是我们所组织起草的,其实在座的很多专家也都参与了,在起草阶段还有征求意见阶段大家也贡献了很多意见。这个标准是2018年7月9日发布,并于2018年10月1日开始实施。这里核心的就是三条要求:钙离子的浓度50—450mg/L(以碳酸钙计);总碱度大于50mg/L(以碳酸钙计);LSI在±0.5。前提是饮水同时满足GB-5749的要求,额外再加了这么几个指标,其他的指标还是要按饮用水来执行。

  具体的理由大致给大家介绍下,里面还有附带的对不同淡化工艺的出水给出的低值,对于非市政用途的单级和两级反渗透淡化,单级反渗透法小于500,两级反渗透法小于50,蒸馏法小于50,蒸馏和单级反渗透混合要小于500,蒸馏和两级反渗透混合要小于50,之所以定这个指标,觉得这个指标大家非常的轻松达到,也是为商业合同做个参考。比如说要求你满足两级反渗透水没有特指的话小于50就可以,单级反渗透水没有特指的话就小于500,如果商业上有额外的要求,这个标准作为参考可以定具体的要求,这只是低的一个值,根据很多项目(就是一些合同数的要求,一些用户的要求)到底你的水低是个什么值,给出一个参考。

  另外对市政刚有提到的指标,我后面把这个指标特别的给大家介绍下,关于TDS,给出的值(行业内可以达到的参照值),对于硬度这块,几个组织还有国家的参考值,有要求是在40的,有要求50 的,也有其他要求的,我们也参考了一些大家通用的一些实验结果,大概认为这个值要求在50,应该相对是一个平均值,而且我们实验的结论也只是个指标。另外我们国家在1992年有个军用的标准中提到,钙的硬度要定在50,终标准确定在50。另外对于50这个标准,对于咱后处理相对也是比较容易实现的。在碱度方面,在不同的标准化组织对于碱度的意见其实不是很统一,比如社会组织可能不小于40作为初级指标是不是合适的,可能也不是特别肯定,另外其他国家或者组织比如加拿大还有中东都有相关的要求,大多都还是在40—50之间,咱们1992年的军用标准提出重碳酸盐的浓度是50,换算成碱度大约是40。美国军方也提出参考值,建议是不要小于50,好是在50—100之间。其他国家大概也支持这样的结论,所以终结合其他国家和组织的经验以及我们的测试结果大概定在50这个指标。

  另外LSI指数也是我们非常纠结的数,对于判断稳定性的指数,其实通用的就那么几个指标,LSI、RSI、碳酸钙沉淀势(CCPP)、侵蚀指数和Larson指数这几个指数。不同的文献不同的国家或组织采用的指数差异是比较大的,终我们确定用LSI这个值,其实业内大家对LSI的有效性是有争议的,但是对目前的阶段来讲,为了跟其他标准的吻合以及这个数值的容易测量性还是决定用这个值,这个数值是非常容易测量的,而且相对的参考值比较多。在以后是不是要换用其他的指数还有综合的指数,也希望各位专家在标准使用当中给出指导性的意见,暂时我们是按照这个值去界定。

  不同的组织对这个值认为的安全范围差异是很大的,社会组织认为的是偏保守0.5—1.0;咱们国家供水管网大概是在±0.5范围内;美国大概跟咱们观点差不多,±0.5可以了;西班牙的项目大致也在±0.5;以色列也差不多是这个范围,但是我们对它的一些数值做过调研,一些范围控制地更窄一些;新加坡公用事业局把这个值定在0.2—0.5,还有荷兰也有相关的一些数值,咱们国家也有相关的一些经验。另外我们也参考了一些河流LSI的现状,大概认为就是在±0.5这个数值内可能满足咱们国家的现状,咱们现在的原水、自来水大概在这个范围内,在±0.1可能是把咱们现状都给涵盖了,之所以把数值定的可能比现状更严格点也是给出一个结合目前后处理的工艺,在工艺内把它控制在±0.5这是容易而且可行的,而且这个水对于现有沿海地区大部分的自来水厂的水是偏安全的,所以这个值我们把它定到±0.5。

  当时标准公布的时候同时跟淡化相关的还有2个标准,一个是海水淡化装置能耗消耗测量方法,刚才也提到了,能耗消耗各说各的数,没有基准,这也是给出了一个测量的基准。但是因为测量偏差非常大,这只是给出建议的方式。如果在实施过程中大家有更好的方法,在修正的时候可以再完善。另外我们还受国标委的委托,我们正在编制国家推荐标准——《反渗透膜法海水淡化产品水质要求》。这个标准也是基于行标的颁布,我们希望在国标出来时标准通用性会强些,目前也是正在起草。另外是ISO的情况,ISO组织里有一个海洋与船舶委员会分支是专门针对海水淡化的。目前海水淡化在ISO里只有这一个标准立项——《反渗透海水淡化产品水》这个要求,其他的淡化标准都是空缺的。在ISO里淡化行业的声音其实不是很大,希望在ISO组织里面咱们在行业内能带头把事做起来。

  常用的后处理工艺简单做个介绍。后处理工艺主要核心就是矿化、脱气、调节、消毒。矿化里面可能对一些小的项目就是直接加药,加药里面可能常用的就是表里面左侧列的一些药剂(对于小项目可能加些药剂就可以了)。常规的方式可能是种加点氯化钙、碳酸氢钠,这里加完之后钙也有了,碳酸氢根也有了,问题是你的氯化钠也带进去了,会引起水里面的含氧量,也就是不需要离子的升高。优点是,有两个加油泵,这事就解决了,非常简便。另外是第二种先加二氧化碳再加一些石灰,这样也是可以的,不少的淡化工程也都是采用这种方式。还有直观的方式就是掺混,淡化水可能腐蚀性略强,稳定性不好,跟现有的自来水去混合,咱们国内目前大的市政工程的项目都是选择这种方案。通用的就是石灰石溶解法,水里面先融进二氧化碳,让融二氧化碳的水通过水质的颗粒,把石灰石里面的钙离子给腐蚀下来,对于大工程是通用的。这种方式简单容易的就是直接加药,它成本也低也方便,小型工程比较常用。对于大型工程目前可行的方式先充二氧化碳再把碳酸钙的颗粒,或者石灰石里面的离子给腐蚀下来。这种不同矿化方式它的效果其实是略有差异的,公认的可能优的就是石灰石溶解法,也是可靠的。从灵活性上讲,不同方式也有所差异,目前还没有一种能兼顾所有需求的方式,对于不同的项目要做灵活的选择。咱们国家某些淡化厂已经开始做后处理方面的工作了,某个10万吨淡化厂就是拿二氧化碳加石灰石,另外还有一个5万吨淡化厂也是用二氧化碳加石灰石,其实出产效果还都是不错的。

  谢谢大家。

  注:本文根据国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所赵河立教授在沧州工业园区海水淡化技术现场交流会题为《“海水淡化水水质要求”标准解读》的演讲整理而成。

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