海水淡化工藝設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析

呼永鋒　丁曉玨（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京　100048）

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海水淡化工藝設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析

呼永鋒丁曉玨
（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100048）

摘要：以珠海市十字門(mén)水道的海水淡化處理為例，介紹了該區(qū)域的原水水質(zhì)情況及出水水質(zhì)要求，從海水取水、預(yù)處理、系統(tǒng)控制等方面，闡述了反滲透海水淡化工程的工藝設(shè)計(jì)流程，并對(duì)其運(yùn)行成本及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析，指出采用反滲透膜處理淡化法可滿足該區(qū)域中水給水的使用要求。

關(guān)鍵詞：海水，反滲透海水淡化，工藝流程，經(jīng)濟(jì)效益

1　概述

海洋具有巨大的寶庫(kù)，蘊(yùn)藏著淡水、能源等多種可再生資源。海水利用具有不移民、不淹地、不爭(zhēng)水、環(huán)境問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn)。

目前世界生活海水淡化的主要方式是熱法和膜法。當(dāng)前海水綜合利用產(chǎn)業(yè)化方興未艾，主要以海水淡化為主，海水淡化市場(chǎng)的最大用戶是市政用水。膜法是主流淡化技術(shù)，根據(jù)珠海市十字門(mén)水道的海水水質(zhì)，本工程擬采用反滲透膜處理淡化法。

2　水量與水質(zhì)

2.1水量

區(qū)域平均日中水給水用水量為3 581 m3/d。在區(qū)域設(shè)置一座海水淡化廠，日產(chǎn)水量3 600 m3，滿足本區(qū)域中水給水系統(tǒng)的使用要求。

2.2原水水質(zhì)

新建海水淡化廠，則海水水源為十字門(mén)水道的海水。

十字門(mén)水道基本水質(zhì)如下：無(wú)機(jī)氮含量、非離子氨、COD質(zhì)量濃度均屬于Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；磷酸鹽含量則屬于Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；全年各月份水體的富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)E＞1，全年平均高達(dá)184.86，是嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化水體。這是因?yàn)槭珠T(mén)水道位于珠江口，兩岸分別為珠海的橫琴島和澳門(mén)的路環(huán)島和凼仔島，城市排污以及河流入海帶來(lái)的污染物必然會(huì)增加其水體的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷。

由于暫時(shí)無(wú)法取得該水處理工程準(zhǔn)備使用的原海水水質(zhì)情況，暫時(shí)按照世界平均海水含鹽量（TDS）約35 000 mg/L作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.3出水水質(zhì)要求

海水淡化后出廠水質(zhì)達(dá)到國(guó)家GB/T 18920—2002城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水質(zhì)要求最嚴(yán)格的車(chē)輛沖洗水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本區(qū)域的中水給水系統(tǒng)供水，其中脫鹽率不小于98%，礦化度不大于500 mg/L。

3　工藝流程

3.1工藝設(shè)計(jì)

反滲透膜處理淡化法是一種先進(jìn)的膜分離技術(shù)。這種技術(shù)使欲分離溶液的某些成分在壓力作用下，透過(guò)具有選擇性半透膜——反滲透膜，在膜低壓側(cè)和常溫下收集透過(guò)物，在膜高壓側(cè)是被阻留的其他成分濃溶液。

反滲透海水淡化工程的工藝流程分為海水取水、海水預(yù)處理、反滲透海水淡化、產(chǎn)品水后處理和系統(tǒng)控制五個(gè)部分，具體流程見(jiàn)圖1。

圖1　工藝流程圖

3.2處理單元介紹

3.2.1海水取水

取水口設(shè)在離岸100 m遠(yuǎn)的海中，用管道接至取水泵房。通過(guò)真空泵抽出引水管中的空氣，然后啟動(dòng)取水泵將海水通過(guò)地下管路送到廠區(qū)。

用海水泵將30 m深的海水提升輸送到泥漿池中（供水量為300 m3/h，壓力在0.4 MPa以內(nèi)），通過(guò)原水泵加壓后輸送預(yù)處理水處理裝置。

3.2.2海水預(yù)處理

反滲透水處理系統(tǒng)進(jìn)水要求見(jiàn)表1。

表1　進(jìn)水水質(zhì)

反滲透海水淡化過(guò)程中，由于水中懸浮物和成垢組分對(duì)膜造成污染，導(dǎo)致膜性能下降或損壞，必需預(yù)先除去這些有害組分。預(yù)處理主要解決問(wèn)題有：沉淀結(jié)垢、有機(jī)物污染、膠體附著、生物污染。

具體可分為：

海水殺菌：多采用液氯、次氯酸鈉和硫酸銅等試劑。

混凝過(guò)濾：旨在去除海水膠體、懸浮雜質(zhì)，降低濁度。混凝劑選FeCl3。

防止結(jié)垢沉淀：在淡化過(guò)程中濃縮會(huì)產(chǎn)生難溶無(wú)機(jī)鹽沉淀，影響反滲透膜使用效果和壽命，必須添加阻垢劑。常用的有六偏磷酸鈉或復(fù)合阻垢劑。

過(guò)濾器過(guò)濾：為了提高進(jìn)水水質(zhì)，降低進(jìn)水濁度，常在混凝過(guò)濾之后加砂濾過(guò)濾器，使水中的微小懸浮物和顆粒物進(jìn)一步去除。

3.2.3反滲透海水淡化

反滲透海水淡化系統(tǒng)是工程的核心部位，主要由膜元件、壓力膜殼、高壓泵、能量回收裝置等設(shè)備組成。

反滲透海水淡化工藝主要包括海水預(yù)熱系統(tǒng)和反滲透脫鹽系統(tǒng)兩部分。海水預(yù)熱系統(tǒng)在低溫時(shí)使用，以滿足系統(tǒng)的最低溫度要求。由于十字門(mén)水道水溫7月最高，28.4℃；3月最低，17.6℃；全年平均為23.4℃。接近反滲透膜工作的理想溫度，25℃，所以本工程取消海水預(yù)熱系統(tǒng)，盡管運(yùn)行溫度不是最理想的，但是也不會(huì)因?yàn)樯郎禺a(chǎn)生高溫濃海水對(duì)海域造成不良影響。

反滲透脫鹽系統(tǒng)主要包括高壓泵、增壓泵、壓力式能量回收裝置、滲透膜組等。

3.2.4產(chǎn)水后處理

反滲透產(chǎn)水經(jīng)空塔濾器過(guò)濾后，通過(guò)計(jì)量泵在產(chǎn)水管路中投加NaOH溶液，以提高產(chǎn)水pH值，產(chǎn)水輸送過(guò)程中投加ClO2殺菌劑，以保持供水的衛(wèi)生要求。

3.2.5變頻給水機(jī)組

供水采用變頻供水，水量滿足中水最大小時(shí)流量，給水壓力同市政自來(lái)水一致，為0.30 MPa，增壓給水泵組參數(shù)為：Q = 180 m3/h；H =30 m；N =7.5 kW。

3.2.6系統(tǒng)控制

控制系統(tǒng)對(duì)各工藝單元進(jìn)行協(xié)調(diào)、管理、控制，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、記錄以及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，保證系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的運(yùn)行。

3.3主要設(shè)備與運(yùn)行

本文提供3 600 m3/d反滲透海水淡化水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，兩套75 m3/h海水淡化水處理設(shè)備系統(tǒng)采用國(guó)際最先進(jìn)的反滲透技術(shù)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)而成，能將海水直接淡化成市政用水。單套設(shè)備配電：200 kW，380 V×50 Hz，占地面積12 m×8 m。

該海水淡化水處理設(shè)備能夠有效地去除海水中的無(wú)機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物細(xì)菌及病菌等有害成分，可將含鹽量為185 000 ppm（含鹽量最高不超過(guò)25 000 ppm）的海水淡化處理為700 ppm以下，將海水淡化成滿足GB/T 18920—2002城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)市政中水回用水。

整套系統(tǒng)為全自動(dòng)運(yùn)行，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控，人機(jī)界面控制。該套系統(tǒng)預(yù)處理中的砂濾水處理系統(tǒng)采用組合閥，實(shí)現(xiàn)大流量反沖洗以及正洗全過(guò)程。系統(tǒng)中處理單元（潛水泵、多介質(zhì)過(guò)濾器）啟動(dòng)后，反滲透裝置啟動(dòng)并調(diào)節(jié)至正常產(chǎn)水后設(shè)置為自動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)水箱液位高位信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)后，則反滲透裝置自動(dòng)停止，依次供水泵停止。當(dāng)儲(chǔ)水箱水位到中位時(shí)，并將液位信號(hào)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)后，潛水泵、反滲透裝置依次啟動(dòng)。膜系統(tǒng)的清洗通過(guò)清洗系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行（一般停機(jī)后有自動(dòng)清洗，定期采取藥劑半自動(dòng)清洗）。

該套水處理系統(tǒng)管路全部采用耐腐蝕材料，保證了全套水處理系統(tǒng)的經(jīng)久耐用。主機(jī)反滲透系統(tǒng)采用了最先進(jìn)的反滲透系統(tǒng)軟件和優(yōu)質(zhì)的膜元件，根據(jù)水處理設(shè)備的產(chǎn)水量結(jié)合高效獨(dú)特的技術(shù)設(shè)計(jì)而成，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的低能耗。整套水處理系統(tǒng)的管理中配備了先進(jìn)的流量、壓力等控制儀表和泄壓閥、排放管路，能夠保持整個(gè)水處理管路系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、安全，保證了系統(tǒng)維護(hù)安全，方便可靠。

4　經(jīng)濟(jì)分析

4.1成本分析

設(shè)備初期投資一次性1 497.4萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表2。

表2　分項(xiàng)運(yùn)行費(fèi)用表　元/m3

總計(jì)噸水運(yùn)行費(fèi)用：

2.863 + 0.438 + 0.415 + 0.304 + 0.046 + 0.570 + 1.035 = 5.672元/m3。

4.2經(jīng)濟(jì)效益分析

年運(yùn)行天數(shù)365 d，每天正常產(chǎn)水量3 600 m3，運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)約水費(fèi)與支出費(fèi)用如下：

1）年運(yùn)行費(fèi)：

5.672×3 600×365/10 000 = 745.236萬(wàn)元/年。

2）節(jié)約自來(lái)水費(fèi)：

2.43×3 600×365/10 000 =319.302萬(wàn)元/年。

3）每年實(shí)際支出費(fèi)用：

745.236 -319.302 =425.934萬(wàn)元/年。

5　結(jié)語(yǔ)

水資源短缺作為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要障礙，中水水源應(yīng)綜合考慮區(qū)域環(huán)境特點(diǎn)，還需與其他中水處理工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后，才可以實(shí)現(xiàn)水資源高效經(jīng)濟(jì)的利用，最終緩解沿海缺水地區(qū)的水資源緊缺的問(wèn)題。在本區(qū)域設(shè)置一座海水淡化廠站，以十字門(mén)水道的海水作為水源，可以滿足本區(qū)域中水給水的使用要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］馮逸仙，楊世純.反滲透水處理工程［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2000.

［2］阮國(guó)嶺.海水淡化工程設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2013.

A desalination process design and economic analysis

Hu Yongfeng Ding Xiaojue
（China IPPR International Engineering Limited Company，Beijing 100048，China）

Abstract：Taking the sea water desalination process of Zhuhai Shizimen waterway as an example，this paper introduced the raw water quality condition and water quality requirements in the region，from the sea water water getting，pre-treatment，system control and other aspects，elaborated the process design of reverse osmosis membrane desalination engineering，and analyzed its running cost and economic benefit，pointed out using reverse osmosis membrane desalination method could meet the use requirements of regional water supply.

Key words：sea water，reverse osmosis membrane desalination，process，economic benefit

中圖分類(lèi)號(hào)：TU991.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）06-0110-03

收稿日期：2015-12-11

作者簡(jiǎn)介：呼永鋒（1984-），男，碩士，工程師