淡水资源短缺和土壤盐渍化已严重威胁到全球农业的可持续发展
[1],且随气候变暖、工业化和人口增长而持续加剧
[2]。在干旱以及滨海盐渍化地区土壤改良过程中,农民通常采用大水漫灌以及配套暗管、竖井等工程措施淋洗土壤中的盐分,此过程会伴随产生大量的盐碱排水
[3]。目前农田盐碱排水尚未实现资源化的开发利用,已然导致灌区生态环境面临次生盐渍化的危害
[4]。淡化技术作为替代传统水源与增加淡水储量的战略举措,不仅可以避免无序排放,还可在盐渍化地区形成淡水淋洗-盐碱水淡化-淡化水回用的循环除盐模式,对缓解水资源危机、改善盐渍化土壤环境具有双重战略意义
[5]。
膜分离技术和热法脱盐是当前主流的海水淡化技术
[6],随着膜分离技术的飞速发展如今反渗透淡化技术约占全球淡化份额的60%以上
[7]。但与其他淡化技术相比,反渗透淡化系统对进水水质要求极为严苛
[8],须进行充分的预处理以保障系统稳定运行
[9]。有研究表明海水淡化技术经工艺改良后可用于废水回用、工业废水处理及超纯水制备等领域
[10]。然而,农田盐碱排水因污染源复杂(盐分积累、农化残留以及藻华频发等)
[11],采用传统预处理工艺时导致淡化过程中存在混凝剂投加量大、过滤效果有限、抗水质波动能力差等技术瓶颈,控制不当极易引发反渗透系统污染及堵塞的风险
[12]。截至目前,已有众多研究尝试非常规水资源的开发利用技术,Zhao等
[13]研究发现,微絮凝-超滤技术可有效缓解微污染河水中有机物引起的膜污染。彭帝等
[14]、孙丽华等
[15]研究表明,集成技术可有效避免传统单一技术对复合污染物去除的局限性,形成互补优势。胡志栋等
[16]、马静等
[17]研究发现,合理、高效的预处理系统可以有效提高系统过滤性能,在提高产水质量的同时对缓解膜系统污染具有积极作用。然而,以往研究主要集中在海水或地下苦咸水淡化,针对农田盐碱排水的淡化处理仍局限于实验室阶段
[18],这导致开发利用此类水源目前仍缺乏清晰的技术路径。为构建干旱、半干旱以及滨海地区新型农业水资源循环利用模式,进一步推动反渗透淡化技术在农田盐碱排水领域的工程化应用,亟需开发适配淡化此类特殊水源高效、低耗的技术体系。
目前海水淡化规模化应用的核心挑战已从技术可行性转向经济成本问题,其中能耗是淡化工程中需着重解决的核心挑战
[5]。由于反渗透技术需要配备充分预处理系统及高压脱盐装置导致系统运行过程中表现出较高的比能耗
[19],若完全依赖电网供电则会造成系统运行费用较高昂,进而制约淡化技术的推广应用。太阳能资源作为一种广泛可获得的清洁能源已在诸多领域实现规模化应用。近年来,光伏发电系统转换效率不断提高而建设成本逐渐下降,使其在新疆光热资源以及土地资源禀赋丰富的新疆得到了广泛应用。将其引入反渗透淡化系统中可大大降低系统运行成本、减少环境污染,并可有效增加淡水储量。为降低淡化系统能耗及运行成本,亟需明确光伏-反渗透集成系统在农田盐碱排水淡化领域的经济适配性。
农田盐碱排水与传统海水或地下苦咸水淡化技术相比水质受季节变化、农业用水及土壤条件等因素的影响,呈现出较大的波动性。此类复杂水质环境下,常规淡化技术通常面临膜污染、运行成本高和能耗大等技术瓶颈。为此,本研究以南疆地区农田盐碱排水为研究对象,通过系统分析其水质的污染特征,探索预处理工艺及其运行参数对过滤性能的影响,从过滤性能、膜污染控制等多维度评估反渗透淡化技术的可行性,并通过将光伏技术与淡化系统进行耦合,减少对外部电力的依赖,显著降低系统能耗,进一步明确南疆地区盐碱水淡化的技术路径,通过提出中低压反渗透淡化系统低能耗运行的解决方案,以期为反渗透技术在非常规水源淡化领域提供新的见解与应用范式。
1 材料及方法
1.1 地表水特征及现场条件
本试验淡化水源为南疆地区农田盐碱排水,取自阿拉尔灌区标志性排碱渠(地理位置:40°32'17″N, 81°31'57″E),农田盐碱排水原水特性如
表1所示。与地下盐碱水相比,该水源因受污染源复杂性导致电导率显著偏高(7~14 mS/cm)且波动范围较大;同时化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、总有机碳(total organic carbon,TOC)含量较高,存在有机污染物超标的风险。相比之下其他水质指标波动范围相对稳定。中试工厂位于新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市十三团二十三连(
图1),试验于2025年4—9月进行。
1.2 工艺设计
根据该地区长期水质监测数据,针对农田盐碱排水存在的高盐度以及污染源复杂等特性,借鉴海水淡化的技术路径构建了分级过滤-耦合膜法预处理技术体系。通过小试试验对比不同前置预处理单元的过滤性能,最终确定适宜处理此类水源的高效、预处理技术。此外通过美国Hydranautics公司开发的专业膜系统设计软件IMSDesign模拟和优化膜系统的性能,选取纳滤膜(nanofiltration,NF)、盐碱水反渗透膜(brackish water reverse osmosis,BWRO)和海水反渗透膜(seawater reverse osmosis,SWRO)三种类型的膜元件全面评估其脱盐效率、能耗表现及运行可靠性,为反渗透膜选型及淡化系统设计提供科学依据。中试装置采用微絮凝-介质过滤-超滤-反渗透的耦合工艺(
图2);在此基础上研发了一套低耗、高效的淡化装置。设计淡化能力为日产淡水200 m
3,系统产水电导率≤300 μS/cm。
1.3 系统建设、调试及运行
超滤膜系统由天津膜天膜科技股份有限公司开发和提供,反渗透膜(PROC10)由美国Hydranautics公司提供,保安过滤器采用孔径为5 μm大通量滤芯,关键泵组(供水泵、高压泵、化学清洗泵以及段间增压泵)均采用双相钢2205材质。该中试工厂于2024年10月完成整体建设,2025年4月进入调试阶段,并于同年5月正式开始投入运行,运行期间经历了高温、高盐度藻类爆发等极端进水现象。
1.4 数据获取与分析
本套系统配备电磁流量计、压力表、电导率仪和pH计等监测装置,可实时监测进水和产水的压力、流量、电导率和pH等重要参数。采用Microsoft Excel 2019进行数据处理,使用Origin 2021和Microsoft PowerPoint 2019绘图。
2 结果与分析
2.1 集成预处理系统过滤性能及设备稳定性
2.1.1 前置预处理单元过滤性能分析
如
图3所示,在不同混凝剂投加量条件下,混凝沉淀介质过滤单元和微絮凝介质过滤单元产水浊度整体呈现先逐渐降低后趋于稳定的变化趋势,且在各混凝剂投加量条件下,系统产水浊度均小于3 NTU,满足设计要求。其中,2.5~15 mg/L混凝剂投加量条件下的浊度去除率较对照组(0 mg/L)提高了4.41%~13.24%。总体来看,混凝沉淀介质过滤单元和微絮凝介质过滤单元的浊度控制趋势基本一致,在相同混凝剂投加量条件下,虽然混凝沉淀-介质过滤单元出水浊度整体略低且波动较小,但综合考量系统建设投资、占地面积以及后期运行维护成本等因素,在合理控制混凝剂使用量的前提下,微絮凝-介质过滤工艺有望成为处理此类微污染水源更具竞争力的预处理策略。最终选用微絮凝-介质过滤耦合超滤工艺作为中试系统的预处理单元,以保证设备在兼顾技术可行性与经济性的前提下进一步提升系统整体产水水质与运行稳定性。
2.1.2 微絮凝介质过滤-超滤单元中试装置
中试系统(
图4)中微絮凝单元通过蠕动泵将混凝剂溶液注入设备进水管道,经过管道混合后进入絮凝池,并采用机械搅拌进一步混合,确保充分反应,絮凝总时间控制在25~30 min;介质过滤器内径为1.2 m,高度为2.4 m,第一级介质过滤器采用石英砂滤料(粒径范围:2~4 mm),第二级介质过滤器采用AFM(activated filter media)活性玻璃滤料(粒径范围:0.4~1 mm),过滤器滤层厚度均为1.0~1.2 m,具有设计参数如
表2所示。设计产水量为15 m
3/h,产水浊度要求≤3 NTU。超滤单元采用外压式超滤组件,共8支,单支膜面积为40 m
2。采用错流方式,回收率≥90%,设计产水量为13 m
3/h,系统设计进水浊度≤3 NTU,产水浊度≤0.2 NTU。
2.1.3 微絮凝介质过滤-超滤单元对浊度的去除效果
南疆地区农田盐碱排水浊度波动幅度较大(9~14 NTU),且污染源复杂。为有效缓解颗粒以及藻类等污染物对膜系统造成的污染与堵塞等风险,采用微絮凝-介质过滤耦合超滤的预处理工艺。运行过程中,根据原水以及介质过滤产水浊度变化情况不断优化并调整混凝剂投加量以保证介质过滤器达到最佳过滤性能,在整个运行期内该中试装置均表现出较好的除浊性能(
图5)。该预处理系统中多介质过滤器平均产水浊度为1.44 NTU,去除率达到86.39%,然而,其产水浊度仍无法满足反渗透系统严格的进水要求(浊度<1 NTU,最好<0.3 NTU);耦合超滤系统后平均产水浊度降低至0.15 NTU,总浊度去除率达到98.59%,UF单元出水浊度稳定,并且完全可满足后续RO单元的进水浊度值要求。
2.1.4 微絮凝介质过滤-超滤单元产水SDI15
原水以及多介质过滤器产水均因淤泥密度指数(SDI
15)超出测定量程而溢出,无法满足反渗透系统进水要求(SDI
15<5)。为保障反渗透系统稳定运行,该中试研究中采用微絮凝介质过滤-超滤工艺以提高预处理系统产水质量。试验期间,每日待系统运行稳定后,定时检测超滤系统产水SDI
15,结果如
图6所示。试验结果表明,在整个运行周期内超滤系统产水SDI
15维持在2.19~2.61,完全可以满足后续反渗透单元的进水水质要求(SDI
15<5)。
2.1.5 运行期间超滤设备跨膜压差(TMP)变化
超滤设备跨膜压差(TMP)变化趋势如
图7所示,运行期间TMP维持在0.011 9~0.037 8 MPa范围以内波动,试验过程中超滤装置经过1个月的运行后,TMP上升至0.034 8~0.037 8 MPa,通过常规反洗-化学清洗TMP难以得到有效恢复,此时通过维护性化学清洗后超滤装置的产水通量以及TMP可以基本恢复至初始水平。
2.1.6 预处理系统运行策略
中试装置采用定时反冲洗的措施以恢复其过滤性能,系统运行过程中具体参数如
表3所示。介质过滤器每运行12 h进行一次反洗(反洗流量45 m
3/h,反洗时间60 s);超滤单元系统每运行30 min进行一次常规气水混合擦洗(进气压力0.27 MPa,进气时间10 s,反洗流量18 m
3/h,反洗时间30 s)。完成30次常规反冲洗后进行一次酸碱化学清洗(500×10
-6盐酸或500×10
-6氢氧化钠与350×10
-6次氯酸钠交替使用,加药时间30 s,浸泡时间2 min)。此外,定期通过维护性化学清洗恢复超滤装置的产水通量以及TMP,在运行周期内每月进行一次维护性化学清洗,采用500×10
-6氢氧化钠与350×10
-6次氯酸钠混合溶液对超滤膜进行6 h以上浸泡处理。此外,由于原水中钙、镁、铁、锰、硼、硫酸根和氯离子等显著超标,导致存在水质硬度偏高的问题,在进入反渗透处理前需添加阻垢剂以防止结垢倾向。
2.2 反渗透脱盐系统过滤性能及设备稳定性
2.2.1 反渗透单元膜系统设计及中试装置
为了评估不同盐度条件下盐碱进水处理的性能与适应性,对高盐度、低盐度及极限盐度工况进行了系统模拟。在此过程中,选取NF、BWRO和SWRO三种类型的膜元件,以覆盖从低盐度盐碱水到高盐度海水等多种场景。考察NF、SWRO及BWRO在脱盐处理中的关键性能参数如
表4所示,重点关注操作压力与产水水质(即脱盐效率的直接体现),旨在为特定应用场景筛选最适宜的技术路线。
数值模拟分析的系统评估表明,纳滤膜操作压力为7.0×10
5 Pa,在能耗方面具有潜在优势,其操作压力显著低于反渗透膜技术。但其产水含盐量较高(>2 000 mg/L),远超常规灌溉用水标准限值,导致系统产水水质无法满足农业灌溉基本需求。相比之下,海水反渗透膜虽展现出优异的脱盐性能,但其操作压力高达37.2×10
5 Pa。这不仅增加了系统运行的能耗,同时,长期极高压力运行还可能对膜元件及系统管路造成应力损伤,进而影响系统的长期运行稳定性。苦咸水反渗透膜则呈现出更均衡的特性:其操作压力为26.7×10
5 Pa相对适中,能耗控制优于海水反渗透系统;且其产水含盐量仅有196 mg/L,完全满足并显著优于严格的灌溉水质标准,确保了水质可靠性与经济适用性。综合模拟结果对各膜技术关键指标的量化对比,苦咸水反渗透膜在操作压力(影响能耗与设备成本)、脱盐效率(决定水质)与最终产水水质(满足应用标准)三者间实现了最优平衡。因此,苦咸水反渗透膜被确定为适用于目标场景的最优方案。反渗透单元设计参数如
表5所示,中试装置如
图8所示。产水量8.4 m
3/h,配置15支反渗透膜元件;系统回收率65%,采用两段式设计(排列:10∶5);平均水通量18.6 L/(m
2·h)。
2.2.2 反渗透装置进水及产水电导率
设备运行周期内(2025年5—8月)原水以及反渗透系统产水电导率波动情况如
图9所示,原水电导率整体呈抛物线趋势。在运行初期(2025年5月中上旬)受当地春灌压盐作业的影响,农田盐碱排水电导率维持在12~14 mS/cm的较高水平;在2025年6—7月因作物需水量激增、灌溉定额扩大,土壤中积累的盐分经强淋洗作用转移至排碱渠中逐渐降低了原水电导率;2025年8月中下旬伴随着大部分作物结束灌水,淋洗作用减弱导致原水含盐量再度逐渐升高。反渗透装置在运行期间产水水质稳定,产水电导率在150~350 μS/cm范围内波动,整体脱盐率达到97.04%~99.37%,可以满足农业灌溉的需求。
2.2.3 反渗透装置运行压力
中试研究中采用的苦咸水反渗透膜运行期间的压力变化情况(
图10),研究发现反渗透装置的运行压力与温度和原水电导率之间存在一定关联。具体而言,运行初期(2025年5月1日—5月20日)受当地低温气候以及高盐等因素的影响,导致反渗透装置运行压力较高。随气温回升在2025年5月20日—7月19日反渗透装置的运行压力稍有下降并趋于稳定,进膜压力维持在14.07~15.43×10
5 Pa,出口以及浓排压力维持在11.44~15.99×10
5 Pa;在2025年7月19日之后,原水电导率持续下降至10.54 mS/cm以下,反渗透系统进膜压力同步降低至10.5~13.98×10
5 Pa。
2.3 系统能耗分析
2.3.1 供能组件
针对反渗透淡化系统运行过程中存在的高能耗问题,提出光伏发电与电网供电混合能源供应架构。该模式通过动态分配能源输入源实现运行能耗的阶梯式优化,具体而言,在光伏出力充足时段(超过负荷需求),优先使用光伏电力驱动淡化系统;当光伏发电出力低于负荷需求时,自动切换至光伏-电网协同供电模式,光伏组件承担基础负荷,差额功率由电网实时补充。这种协同调控策略可显著降低电网购电量,在消除单一光伏供电的间歇性风险的同时避免配置储能单元带来的额外建设成本与效率损耗。
2.3.2 能耗分析及运行成本
淡化系统的能耗是运行成本的决定性因素,该系统装机功率为68.37 kW,运行功率为23.31 kW。该淡化工程中采用微絮凝介质-超滤-反渗透耦合的淡化技术,其中能耗主要集中于反渗透脱盐装置。该装置自2025年5月安装调试完成后,2025年5—6月采用单一电网供电模式运行,在此期间运行电耗为2.88 kW·h/m3;2025年7月初光伏组件建设完成投入运行后,系统的电耗降至0.38 kW·h/m3,该供电模式有效降低了系统的运行成本。
系统运行费用主要有:①能源成本(设备电耗);②药剂成本(絮凝剂、杀菌剂、阻垢剂);③维护成本(滤芯更换、膜元件更新及设备维修)。根据120 d运行实证数据(2025年5—8月),能源成本0.15元/m3,药剂成本为0.32元/m3,维护成本0.15元/m3,经计算盐碱水淡化的总成本为0.62元/m3。
2.4 产水水质及环境影响
2.4.1 产水水质
项目调试完成后,系统已稳定运行超过120 d,累计产水量超过7 000 t,系统回收率维持在约71%,产水的电导率范围稳定在50~350 μS/cm,且经过相关检测,系统产水的各项指标(
表6)均符合国家及行业的相关标准。目前系统产水主要用于周边农田的灌溉及居民日常生活用水。此外,通过对水质的持续监测,进一步验证了该技术在农田盐碱排水淡化领域的适应性和可靠性。
2.4.2 环境评价
采用光伏-分级过滤耦合系统在实现水资源回收与利用的同时确保系统安全、高效、稳定运行,并显著降低了系统的运行能耗。该集成技术的落地可有效解决中国西北干旱地区的用水安全问题,发挥重要的民生保障作用的同时也为解决盐渍化地区普遍存在的“水资源短缺-土壤盐渍化”恶性循环提供了一条技术可靠、经济可行的新路径。此外,针对系统运行期间产生的高盐废水,为防止对环境造成潜在风险,在后端采用强化蒸发措施对浓盐水进行深度处理,进一步提升盐碱水淡化技术的绿色可持续发展。
3 结论
(1)该中试系统中采用的微絮凝介质过滤-超滤耦合技术在运行期间达到预期设计的预处理目标,超滤装置产水可以满足反渗透系统的进水水质要求。
(2)在120 d的运行过程中反渗透系统的进膜压力波动较小,维持在10.5~15.96×105 Pa,系统回收率维持在约71%,产水的电导率为50~250 μS/cm。
(3)通过光伏-电网协同供电模式有效降低了淡化系统运行电耗,总运行成本低至0.62元/m3,适宜新疆光热及土地资源丰富等地区,为干旱地区农业水资源循环利用提供了新的见解。
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