小型反滲透海水淡化簡(jiǎn)易預(yù)處理方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃立維，馮賓春，張金接，符 平

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

1 研究背景

反滲透海水淡化技術(shù)是目前得到廣泛工業(yè)化應(yīng)用的海水淡化技術(shù)之一，在近年世界范圍內(nèi)的新增裝機(jī)中，反滲透技術(shù)在眾多海水淡化技術(shù)中占有明顯的優(yōu)勢(shì)。

由于反滲透膜對(duì)進(jìn)水水質(zhì)有著嚴(yán)格的要求，工藝設(shè)計(jì)中海水預(yù)處理設(shè)計(jì)非常重要，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗[1]。近岸海域，尤其是表層海水，因受人類活動(dòng)和陸上地表水的影響，成分較為復(fù)雜，通常含有較多的膠體、懸浮顆粒、微生物、細(xì)菌、有機(jī)物等，增加了海水的預(yù)處理難度。若預(yù)處理工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)，將會(huì)嚴(yán)重威脅膜組件的使用安全和壽命，如膜結(jié)垢、生物淤堵等，從而影響產(chǎn)水水質(zhì)和系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1-2]。

小型海水淡化系統(tǒng)因規(guī)模的限制，預(yù)處理工藝的投資和成本是設(shè)計(jì)中的重要考量因素，因此，在預(yù)處理方法方面有其自身的特點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行專門的研究。本文結(jié)合獨(dú)立新能源海水淡化系統(tǒng)示范工程，研究了多種海水淡化預(yù)處理工藝，對(duì)類似小型海水淡化工程具有一定的指導(dǎo)意義。

2 取水方式設(shè)計(jì)

常用的海水淡化取水方式有多種，大致可分為沙灘井取水、淺海取水、深海取水三大類[3]，各自的特點(diǎn)和適用規(guī)模見表1。

對(duì)于海島小型海水淡化系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)沙灘井方案受到海島地形、地質(zhì)條件、管路鋪設(shè)等方面因素的限制，不宜采用；同時(shí)，由于工程規(guī)模小，采用深海取水方式不經(jīng)濟(jì)。綜合比較分析，推薦優(yōu)先采用淺海表層取水方式。

表1 預(yù)處理取水方式對(duì)比

對(duì)于表層取水，本文結(jié)合東門嶼工程近岸固定潛水泵取水方案的基礎(chǔ)上，提出了離岸一定距離“懸泵+土工布袋”的取水方式，即將潛水泵與浮子連接，使?jié)撍酶∮诤Ｋ砻?，以保證不同潮位潛水泵與海底保持有合適的安全距離，從而避免潮位變化對(duì)進(jìn)水水質(zhì)和進(jìn)水口流態(tài)的明顯影響，示意圖如圖1所示。在潛水泵外部可以制作支架對(duì)潛水泵進(jìn)行保護(hù)，并在支架外部包裹土工布袋，對(duì)水中較大懸浮物、魚蝦等生物起到攔截作用，同時(shí)還可避免海中貝類生物在潛水泵上的附著繁殖，一定程度上降低了潛水泵的腐蝕速度。

圖1 懸泵取水

3 預(yù)處理方案設(shè)計(jì)

本文根據(jù)海島小型海水淡化系統(tǒng)的具體情況，提出并研究了3種適合小型海水淡化系統(tǒng)的預(yù)處理方案。方案1和方案2的表層取水采用“懸泵+土工布袋”的方式，方案3采用改進(jìn)的沙灘井取水方案。

（1）方案1。表層取水+自然沉淀+濾袋+多介質(zhì)過濾器。首先通過蓄水池自然沉淀，去除較大懸浮顆粒物，然后再經(jīng)濾袋和多介質(zhì)過濾器分級(jí)過濾，進(jìn)一步去除海水中的懸浮或膠態(tài)雜質(zhì)。經(jīng)預(yù)處理的海水最后再經(jīng)過兩級(jí)保安過濾器進(jìn)入膜殼，膜前進(jìn)水水質(zhì)可滿足反滲透膜的要求。方案設(shè)計(jì)流程示意圖如圖2所示。

圖2 方案1設(shè)計(jì)流程

（2）方案2。表層取水+自然沉淀+超濾設(shè)備。隨著膜過濾技術(shù)的不斷發(fā)展，許多新的預(yù)處理技術(shù)不斷地應(yīng)用到反滲透海水淡化技術(shù)當(dāng)中，膜法預(yù)處理技術(shù)已成為反滲透預(yù)處理技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。常用的膜法預(yù)處理技術(shù)有微濾（MF）技術(shù)、超濾（UF）技術(shù)、納濾（NF）技術(shù)、陶瓷膜過濾技術(shù)等[1-2]。綜合分析系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和預(yù)處理產(chǎn)水水質(zhì)要求，本文推薦采用超濾預(yù)處理技術(shù)。該技術(shù)對(duì)超濾前進(jìn)水水質(zhì)要求不高，海水經(jīng)自然沉淀即可。本方案流程示意圖如圖3所示。

圖3 方案2設(shè)計(jì)流程

（3）方案3。改進(jìn)的沙灘井取水+砂濾。采用沙灘井取水，其水質(zhì)條件很好，但受小島內(nèi)施工條件的限制，常規(guī)沙灘井需要機(jī)械施工，施工成本高，對(duì)小型系統(tǒng)來說經(jīng)濟(jì)性較差。本文通過借鑒海水養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)的沙灘井取水方式進(jìn)行了一定的改進(jìn)，降低了施工難度和施工成本，同時(shí)保留了沙灘井特點(diǎn)，對(duì)于海島內(nèi)小型海水淡化系統(tǒng)比較適用。

本方案需選擇合適的沙灘作為取水點(diǎn)，然后將帶有通水孔的PVC管埋至低于最低潮位時(shí)的水位即可。PVC管外采用紗網(wǎng)包裹，為保證足夠的水量，可通過增加的PVC管管徑或通水孔部位長(zhǎng)度來保證足夠的取水量，同時(shí)也可增加帶有通水孔的PVC管個(gè)數(shù)，來保證取水量。本方案施工方便，低潮位在沙灘上通過開溝鋪設(shè)PVC管道，而后豎向?qū)⑷∷腜VC管道部位插入沙層內(nèi)，確保在最低潮位時(shí)，取水部分仍在海水水位以下，沙灘井取水方案示意圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的沙灘井取水方案

本方案在取水初期，海水中會(huì)夾帶一定數(shù)量的雜質(zhì)及砂礫，通過一段時(shí)間的抽水，細(xì)小顆粒逐漸消失，隨著PVC管外壁沙層的不斷密實(shí)，取水水質(zhì)趨于穩(wěn)定。

4 工程應(yīng)用與分析

4.1 工程概況本項(xiàng)目位于福建省東山縣東門嶼，島內(nèi)常住人口約40人，淡水資源缺乏。當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源和太陽能資源較為豐富，示范工程采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電提供動(dòng)力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量為20m3/d，由一臺(tái)產(chǎn)水8m3/d和一臺(tái)產(chǎn)水12 m3/d的海水淡化設(shè)備組成，設(shè)計(jì)產(chǎn)水率為30%，2臺(tái)海水淡化設(shè)備均設(shè)計(jì)有砂濾系統(tǒng)（帶有自動(dòng)反沖洗功能）。同時(shí)，海水淡化設(shè)備設(shè)計(jì)兩級(jí)保安過濾器，確保膜前進(jìn)水水質(zhì)及高壓泵運(yùn)行安全。整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)額定流量為3.6m3/h的潛水泵取水。

4.2 取水方式結(jié)果分析根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，土工布袋除對(duì)水中較大懸浮物、魚蝦等生物起到攔截作用外，還可以有效截留粒徑100μm以上的物質(zhì)。表層直接取水與“懸泵+土工布袋”取水方案水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 表層取水海水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

從以上水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果和運(yùn)行情況來看，“懸泵+土工布袋”方式取水水質(zhì)較好，且能保證水質(zhì)的基本穩(wěn)定，雜質(zhì)含量較少，對(duì)小型系統(tǒng)來說，是一種比較經(jīng)濟(jì)可行的取水方案。

4.3 預(yù)處理水質(zhì)對(duì)比分析本文根據(jù)以上3種預(yù)處理方案，分別對(duì)膜前進(jìn)水的水質(zhì)情況進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果如表3所示。

由以上水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果可知，參照《火力發(fā)電廠海水淡化設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/TDL98-2010）[4]對(duì)膜前進(jìn)水水質(zhì)條件的要求，以上3種方案進(jìn)行預(yù)處理的水質(zhì)條件均滿足反滲透膜進(jìn)水水質(zhì)的要求。

4.4 適用性對(duì)比分析本文以東門嶼20m3/d的海水淡化項(xiàng)目為例，對(duì)以上3種預(yù)處理方案的適用性進(jìn)行比較分析。

表3 三種方案膜前進(jìn)水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

（1）方案1。“表層取水+自然沉淀+濾袋+多介質(zhì)過濾器”預(yù)處理方案簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，其主要設(shè)備設(shè)施投入為袋式過濾器和蓄水池建設(shè)，在整套海水淡化系統(tǒng)中所占比重較小，僅占總投資的5%左右。該預(yù)處理方案取水水質(zhì)相對(duì)較穩(wěn)定，又經(jīng)蓄水池沉淀后，其水質(zhì)條件有了進(jìn)一步的改善，而后通過濾袋、多介質(zhì)過濾器的凈化，預(yù)處理水質(zhì)滿足反滲透膜的進(jìn)水要求。

該方案具有設(shè)備配置簡(jiǎn)單、投資小、維護(hù)方便，適用性較強(qiáng)等特點(diǎn)，其預(yù)處理水質(zhì)情況較為穩(wěn)定，在本項(xiàng)目中采用該方案已運(yùn)行8個(gè)月，運(yùn)行情況良好。

（2）方案2。采用膜法預(yù)處理方案，預(yù)處理的水質(zhì)條件最好，但是對(duì)于小型海水淡化系統(tǒng)其成本最高，經(jīng)濟(jì)性較差。以本項(xiàng)目為例，采用一套處理水量為4m3/h的超濾系統(tǒng)，可滿足20m3/d海水淡化設(shè)備的供水量要求，但設(shè)備投入在整套海水淡化系統(tǒng)中所占比重較大，約占總投資的20%，遠(yuǎn)大于方案1。

方案2在運(yùn)行過程中需定期對(duì)超濾膜進(jìn)行清洗，并且為保證預(yù)處理系統(tǒng)供水的連續(xù)性，應(yīng)設(shè)計(jì)中間水箱，同時(shí)其運(yùn)行維護(hù)相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)成本也相對(duì)較高，對(duì)于小型海水淡化系統(tǒng)采用該方案其適用性相對(duì)較差。

（3）方案3。設(shè)備投入最少，主要成本為施工費(fèi)用，相對(duì)經(jīng)濟(jì)，并且沙灘井取水水質(zhì)穩(wěn)定，預(yù)處理配置簡(jiǎn)單，預(yù)處理水質(zhì)滿足反滲透膜進(jìn)水要求。

但該方案受工程自然條件及現(xiàn)場(chǎng)施工條件等影響較大，需根據(jù)項(xiàng)目具體情況而定，其影響因素主要有幾個(gè)方面：①工程選址應(yīng)距沙灘較近，從而能夠保證沙灘井管道鋪設(shè)費(fèi)用低，突出該方案的經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)；②沙灘組成影響該方案的實(shí)施。以東門嶼項(xiàng)目為例，本項(xiàng)目海水淡化系統(tǒng)附近沙灘在低水位處含泥量較多，取水過程中會(huì)影響取水水質(zhì)，同時(shí)大量的淤泥堵塞砂層過水通道，也會(huì)對(duì)取水量產(chǎn)生影響；③由于潮流等自然條件的影響，沙灘組成會(huì)有一定的變化，如東門嶼部分沙灘受海浪侵蝕嚴(yán)重，隨季節(jié)變化沙灘中含泥量會(huì)有所增多，為保證取水水質(zhì)需定期對(duì)沙灘井的鋪設(shè)位置等進(jìn)行調(diào)整，清理取水管道，從而增加了該方案的維護(hù)費(fèi)用（本項(xiàng)目對(duì)改進(jìn)沙灘井取水方式進(jìn)行了試驗(yàn)，但因現(xiàn)場(chǎng)條件限制，未進(jìn)行示范運(yùn)行）。

綜合以上適用性分析，對(duì)于小型海水淡化系統(tǒng)，在現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)、沙灘組成等因素和施工條件允許的情況下，采用方案3是最佳的預(yù)處理方案選擇；若沙灘井方案無法實(shí)施，采用方案1的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性較好，推薦在小型系統(tǒng)中采用。

5 結(jié)論及建議

本文在分析海島小型海水淡化預(yù)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合東門嶼20m3/d海水淡化項(xiàng)目的水質(zhì)及工程條件等因素，對(duì)預(yù)處理方案進(jìn)行比選和優(yōu)化，在項(xiàng)目的試運(yùn)行過程中得到以下結(jié)論及建議。

（1）根據(jù)經(jīng)濟(jì)性分析，表層取水和改進(jìn)沙灘井取水方式較為適合小型海水淡化系統(tǒng)。其中方案1在經(jīng)濟(jì)性、適用性、易維護(hù)等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。方案3雖對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)自然條件及施工條件等要求較高，但具有設(shè)備設(shè)施投入少、施工費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)性佳、預(yù)處理水質(zhì)條件好等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有較好的發(fā)展前景，需在今后的工程應(yīng)用中展開深入的研究。

（2）對(duì)于施工條件有限的小島，表層取水方式實(shí)用性最強(qiáng)，其中“懸泵+土工布袋”取水水質(zhì)明顯優(yōu)于近岸表層直接取水。

（3）在東門嶼海水淡化項(xiàng)目中采用“表層取水+自然沉淀+濾袋+多介質(zhì)過濾器+保安過濾器”預(yù)處理方案已運(yùn)行8個(gè)月，運(yùn)行情況良好。

[1]張海春，陸阿定.反滲透海水淡化預(yù)處理技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].能源環(huán)境保護(hù)，2010（6）：1-4.

[2]馬穎穎，衣守志，曲達(dá).反滲透海水淡化的預(yù)處理方法研究進(jìn)展[J].杭州化工，2007，37（4）：21-23.

[3]王生輝，潘獻(xiàn)輝，趙河立，等.海水淡化的取水工程及設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].中國(guó)給水排水，2009（3）：98-101.

[4]GB/TDL98-2010，火力發(fā)電廠海水淡化設(shè)計(jì)規(guī)范[J].