高分子膜
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2023年3月19日发(作者：复印机维修培训)反渗透海水淡化技术
——以色列Ashkelon海水淡化项目
摘要：简要概述了反渗透原理及反渗透膜的种类，结合以色列的Ashkelon海水淡化厂，重点介绍
反渗透膜主要是卷式膜在海水淡化中的应用，主要从其处理流程、主要设备和系统调试与试运行情
况等方面进行介绍，并对该项目的社会和环境效益进行了简要分析，以期将膜法海水淡化技术在国
外的成功建造和运营经验与同行进行交流。
关键词：反渗透卷式膜海水淡化
Abstract:Thisarticlebrieflytalksaboutthetypeofreverseosmosis(RO)membrane,andthetheoryof
reverseosmosis(RO)detailedofAshkelonintroduction
totatmentprocessmain
equipmentsandcommissioningoftheplantareintroduce,andthesocialandenvironmentalbenefitsare
analyzed,aimingatexchangingthesuccessfulexperiencesofoverseasprojectcaseswithChinese
colleagues.
Keywords:RO,Spiral-woundROcartridge,Seawaterdesalination
引言
在全球总储水量中，淡水仅占0.5%，而海水占97%，随着世界各国经济高速发展
和人口的迅速增长与集中，对淡水的需求也日益增加，海水淡化作为未来沿海淡水资源
开发的首选，将成为沿海地区解决供水不足的重要途径之一。膜法与其他海水淡化方法
相比，具有投资少、能耗低、淡化成本低、建设周期短等优点，可用于各种浓度的海水
淡化和建造不同规模的海水淡化工程。随着膜技术的不断发展，采用膜法进行海水淡化
的投资和运行成本将不断下降。
反渗透海水淡化(SWRO)技术自20世纪70年代进入海水淡化市场后，发展十分迅
速。经过40多年的不懈努力，反渗透技术己经取得了令人瞩目的进展。目前反渗透膜
(RO膜)与组件的生产己经相当成熟，膜的脱盐率达到99.8%，脱硼率达到95%，水通
量大大增加，抗污染和抗氧化能力也不断提高[1]。
1反渗透膜的研究进展
反渗透膜的发展经历了均质对称膜、不对称膜和复合膜3个阶段，不对称膜和复合
膜是发展的两个重要里程碑。1953年Reid首次用6um厚的均质醋酸纤维素制得均质对
称反渗透膜，标志反渗透膜科学研究的开始。Loeb和Sourirajan于1960年制得了世界
上第一代不对称醋酸纤维素反渗透膜，膜由致密皮层与疏松支撑层构成，其创新在于，
以往的膜均为均相致密膜(约0.1mm厚)，传质速度极低，而不对称膜仅表皮层是致密的
(约0.2um厚)，这使传质速度提高了近3个数量级。20世纪70年代优异的第三代复合
膜研制成功，水通量是Reid均质渗透膜的10倍。目前第一代均质膜己在实际应用中被
淘汰，第二代非对称膜仍在一定范围内应用，第三代复合型反渗透膜则广泛应用在各个
领域[2]。
我国反渗透膜技术的研究始于20世纪80年代后期。经过几十年的发展，在反渗透
膜技术领域也取得了巨大成就，特别是通过改性等方法在膜材料、膜组件制备及应用方
而取得了很好的成就，2008年国产反渗透膜脱盐率己达到99.7%，属于国际尖端水平。
管式、卷式、中空纤维式，其中又以卷式和中空纤维式使用最为广泛。中空纤维式RO
膜目前市场上主要为三醋酸纤维素中空纤维膜和芳香族聚酞胺中空纤维膜，由于显著的
耐高压、耐氯气特性主要应用于温度较高、具有封闭性且微生物繁殖明显的海域如西亚
的海湾地区，其在中东的市场占有率逐渐超过卷式膜。在中空纤维膜和卷式膜的多年较
量中，卷式膜一直处于优势，卷式膜组件装填密度大，使用操作简便，行业标准较统一，
成本相对较低，是目前世界上使用最广泛的反渗透膜应用形式[3]。
2反渗透法淡化海水的原理
如图2所示：用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液
隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象
称渗透（图2-a）。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化
学位之差，表现为水的渗透压；随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增
大。当液面升高至H时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图2-b）。渗透
过程达到平衡后，渗透通量为零；如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与
低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水
溶液侧，这一过程就称为反渗透（图2-c）。
卷式反渗透膜中，界而聚合聚酞胺反渗透膜是目
前卷式反渗透膜的主流。卷式海水淡化膜脱盐率最高
可达99.8%，脱硼率可达95%，耐压最高可达10MPa，
功耗最低小于3kWh/m3，水通量最高可达38m3/d，
图1为目前卷式反渗透膜组件构造。
图1卷式膜
图2反渗透原理
反渗透技术(RO，ReverseOsmosis)是利用压力差为动力的膜分离过滤技术，其孔径
小至纳米级，在一定的压力下，H
2
O分子可以通过RO膜，而源水中的无机盐、重金属
离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法透过RO膜，从而使可以透过的纯水和无
法透过的浓缩水严格区分来。
卷式膜元件是将半透膜、导流层、隔网按一定顺序排列粘合，并卷制于有排孔的中
心管上，而形成元件。经过加压的原水从元件一端进入隔网层，一部分水及小量盐类通
过半透膜渗透到导流层内，现顺导流网的通道经中心管壁上的也流入中心管排出，而形
成淡水。剩余水及大部分溶质、菌类等物质经隔网层从膜元件另一端排出形成浓水。反
渗透膜的过滤形式是横流过滤，其原理图如图3所示：
图3卷式膜淡化海水原理
3以色列Ashkelon海水淡化项目
Ashkelon海水反渗透厂建于2005年，是当时世界最大的采用膜技术进行海水淡化
的工厂，目前该厂可提供饮用水量为33×104m3/d。该项目作为以色列2000年启动的海
水淡化规划的一部分，旨在解决该国长期存在的供水问题。Ashkelon海水淡化厂造价
212亿，每年为南部城市提供1×108m3的饮用水，相当于以色列生活用水总量的15％。
海水淡化厂包括膜海水淡化单元和海水提升、浓盐水排放、原水预处理和产水后处
理等设施，此外还建有一个专门的联合循环燃气轮机(联合发电)发电厂,提供80MW
的电力，其中56MW供海水淡化处理使用。
先进的反渗透技术和一流的能量回收系统的应用,降低了Ashkelon海水淡化厂的
运营成本,其吨水处理成本为0.50美元/m3,为同类工艺吨水成本最低[4]。
Ashkelon海水淡化厂由两个独立的部分组成，每部分提供165000m3/d的饮用水。
这两部分共用海水取水系统、海水提升泵站和最终的后处理(再矿化和消毒)设施，这些
设施和泵站都具备足够的能力以确保各部分独立运行。该厂的处理工艺包括5个主要部
分，工艺流程如图5所示：
图5Ashkelon工艺流程
3.1海岸取水设施
考虑到工厂选址的限制和处理量的规模效应，选用了敞开、浸没式的取水装置，包
括3条平行的高密度聚乙烯管道(管径为DN1600，长度为1km)，以及为了保证安全
取水的特殊构造。聚乙烯管道便于清洁，对海洋生物的生长具有一定的抑制作用。
3.2海水取水与预处理
进水泵站配有5台流量为35000m3/h的立式泵，通过两根管线将海水送到预处理
设施，每根管线对应着20个双层滤料重力滤池。过滤前添加化学药剂，并通过静态混
合器混合。在预处理阶段采用硫酸亚铁作为混凝剂、硫酸作为田调节剂，以便在预处理
阶段有效地降低SDI值。此外，还安装有其他化学药剂投加设备(冲击加氯、聚合物)以
便在海水水质恶化时使用。
化学处理系统可以根据流速进行实时调节，并有适当冗余以确保系统的有效性。重
力滤池通过石英砂和无烟煤介质实现过滤，滤速为8m/h这种慢滤速、长停留时间以及
避免形成短流的配水和集水系统保证了过滤的高效率。即使在暴雨的浊度情况下，用这
种方式过滤的海水也满足后续处理的要求。这些滤池每两天自动反冲洗一次。
微孔过滤器构成第二级过滤，也是膜处理之前的最后一道安全屏障。
3.3高压泵和能量回收系统
反渗透系统所需的进水压力为7Mpa是最为耗能的一个部分，因此任何可以减少能
耗的措施都可以优化产水的成本。ERD（能量回收装置）的引入为降低能耗提供了可能。
在工厂设计初期，ERD装置就被引入处理系统，该装置对排放浓水中机械能的回收
率可达96%。ERD装置大大降低了吨水能耗，同传统工艺相比，吨水能耗可降低35%
左右。
3.4反渗透
过滤后的海水经过高压泵流向反渗透设备，这些设备与先进的双工作交换能量回收
(DWEER)设施联系在一起。高压泵和能量回收设备可以各自独立运行，这有助于提高系
统的灵活性和效率[5]。
海水淡化设施由四阶段系统组成，这种设计是在考虑到出水水质的情况下采用的
(氯化物<20mg/L，硼<0.4mg/L)。
①第一阶段是传统的海水反渗透系统，回收率约为45%。部分渗透水来自压力容器
的进水侧(前端透过水)。这部分水的盐浓度(尤其是硼的浓度)低于整个渗透水的浓度，
可以直接与其他阶段的渗透水混合。
②经过第一阶段处理后的渗透水进入第二阶段，采用高pH值，提高膜对硼的去除
率，此阶段的回收率为85%，在这个阶段处理的渗透水成为最终水的一部分。
③经过第二阶段处理后的浓盐水进入第三处理阶段，主要是对第二阶段处理的浓盐
水进行软化，在低pH值下回收率为85%。由于处于酸化环境，因此在高回收率和高浓
度时也不必担心膜表面上会结垢。但是由于田值低，硼去除率很低，部分硼会随渗透水
进入下一阶段。因此在这个阶段形成的渗透水还不能被视作成品水，而必须经过第四阶
段的处理。
④第四阶段的回收率达到90%。在这个阶段采用高pH值，以便去除浓水中的硼。
经过第四阶段处理后的水可以与成品水混合。
在“标准”的两阶段法海水处理中，第二阶段产生的浓水直接进入第一阶段的进水，
由于浓盐水的硼浓度太高，因此这种方法未被采纳。
在设计阶段还考虑过其他方案，其中有将浓盐水直接排放或使用硼选择性离子交换
剂等。制水成本是确定最佳工艺和设计的一个主要考虑因素。
海水淡化设施由第一阶段的犯个反渗透装置、第二阶段的8个装置、第三阶段的2
个装置和第四阶段的2个装置组成。该设施共采用25600支海水膜和15100支苦咸水膜。
最终采用了DOW(陶氏)公司的Filmtec的膜用于反渗透处理[4]。
3.5后处理
经过多个阶段反渗透系统的处理，从硼和氯化物含量的角度来看，出水水质已经符
合要求，而采用石灰进行的后处理主要用于在将出水送入国家供水系统之前使之矿化。
这个矿化过程以及碱度、硬度和pH值的调节过程对于满足饮用水质标准是必不可少的，
可以有效防止供水管网的腐蚀。
4主要创新技术和运营经验
传统的反渗透设备主要由高压泵、能量回收轮机和膜构成，并不适合大规模的反渗
透处理厂。改进的办法之一是从本地模式转换成中央模式，采用集中泵输送海水到高压
系统比传统方法更经济实惠，能量回收也同样如此。
海水的供应通过建造于海床的3条管线向海水淡化厂输送，经过双层滤料滤池的预
处理后，海水被送入32组反渗透单元，每个单元具有10000m3/d的生产能力。
除了去除总盐度，反渗透系统还去除了细菌、病毒和硼，可以获得良好的产水水质，
具体数据如表1所示。
表1
由于Ashkelon项目的规模效应，以及近年来反渗透膜价格的降低、ERD系统对能
量有效的回收和运营者对运营成本的合理控制，本项目的吨水成本被控制在较低的水
平，约为0.50美元/m3。
5结论
项目海水水质产水保证值产水水质
（经过后处理）
TDS/(mg.L-1)4~200
氯/(mg.L-1)225992010~15
钠/(mg.L-1)12200406~10
鹏/(mg.L-1)≤5.30.40.2~0.3
pH8.17.5~8.58~8.5
海水资源作为水资源的重要组成部分,其有效利用是解决世界沿海地区水资源短缺
的重要途径。随着水资源短缺、全球变暖以及更严格标准要求导致传统水处理成本不断
增加，可预期反渗透技术的应用将日益广泛，包括市政供水、废水处理、中水回用、海
水和苦咸水淡化等。反渗透技术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。
参考文献
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