反滲透海水淡化技術(shù)在北方海島的應用實例

唐 維，王立軍

（1.煙臺市城市排水服務中心，山東 煙臺 264000；2.香山紅葉集團有限公司，山東 日照 276825）

長島，又稱廟島群島，位于膠東、遼東半島之間，南距蓬萊7 km，北距旅順42 km。主要的有人居住海島包括南北長山島、砣磯島、大黑山島、小黑山島、大欽島、南隍城島、北隍城島等。南北長山島的供水主要依靠海底輸水管線從蓬萊輸水；其余各島因距離大陸較遠，主要依靠船運淡水、天然雨水和苦咸水淡化等供水。近年來，隨著進入海島旅游的游客數(shù)量不斷增加，南北長山島淡水供需矛盾日益突出；因天氣原因?qū)е峦：?、船運淡水費用過高〔1〕、降雨量偏小、當?shù)乜嘞趟闯鏊恐鹉隃p小等原因，遠離大陸的海島也面臨著巨大的供水壓力。而長島的小欽島已建成的100 t/d海水淡化項目基本解決了該島的淡水資源供需矛盾〔2〕。為了緩解旅游高峰季節(jié)淡水需求量與供應量的矛盾，并滿足長島海洋生態(tài)文明綜合試驗區(qū)的發(fā)展要求，當?shù)卣疀Q定在上述海島上建設(shè)海水淡化項目。

經(jīng)綜合研究海島上電力、熱源等公共條件，該項目決定采用以反滲透（RO）技術(shù)為核心的海水淡化工藝，出水指標達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749—2006）要求。該項目2019年7月開工建設(shè)，同年12月竣工，2020年6月份通過驗收并投入使用。

1 規(guī)模及水質(zhì)

長島用水高峰出現(xiàn)在旅游旺季的夏季，而在旅游淡季的冬春季節(jié)，用水量較少。海水淡化水站的建設(shè)規(guī)模以滿足旅游旺季的用水需求為目標。項目包括海水取水部分、海水淡化處理系統(tǒng)、與現(xiàn)有供水系統(tǒng)的連接部分等。項目總淡水產(chǎn)量為5 200 t/d，各海島的建設(shè)規(guī)模見表1。其中，南、北長山島和砣磯島北村海水淡化站采用2條500 t/d的海水淡化產(chǎn)水線，建設(shè)規(guī)模為1 000 t/d；其他海水淡化站均為單條產(chǎn)水線。

表1 各島海水淡化項目的建設(shè)規(guī)模Table 1 Construction scale of seawater desalination projects on each island

長島海域海水的鹽質(zhì)量濃度約為36 000 mg/L，濁度一般不高于5 NTU，水溫為10～25℃，其他指標見表2。水質(zhì)符合《海水水質(zhì)標準》（GB 3097—1997）中二類水質(zhì)標準〔3〕。

表2 長島海域海水水質(zhì)Table 2 Water quality of Changdao sea area

2 工藝流程

海水淡化工藝流程見圖1。

圖1 海水淡化工藝流程Fig.1 Seawater desalination process flow

根據(jù)取水點位置的海灘類型、地形地質(zhì)等特點，取水分為岸邊滲井取水、岸邊滲井+滲渠取水以及自吸泵取水等方式。前2種取水方式的水質(zhì)較好，不設(shè)斜管沉淀池，原水直接進入原水池；采用自吸泵取水的項目，設(shè)置斜管沉淀池，上清液進入原水池。原水進入原水池或斜管沉淀池前需投加0.2 mg/L（以有效氯計）左右的次氯酸鈉以殺滅海水中微生物；冬季風暴潮時，海水濁度較大，采用自吸泵取水的項目還需在斜管沉淀池加藥。經(jīng)原水泵提升，海水進入兩級砂濾罐，去除海水中的膠體、懸浮物等，降低海水濁度。經(jīng)保安過濾器處理后，出水經(jīng)高壓泵加壓進入一級反滲透系統(tǒng)，反滲透系統(tǒng)帶壓濃水進入能量回收裝置進行能量回收，低壓濃水排出。一級反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水進入二級反滲透脫鹽系統(tǒng)，二級反滲透濃水返回原水池進行循環(huán)，產(chǎn)水通過礦化水泵進入礦化后處理系統(tǒng)。礦化系統(tǒng)出水加次氯酸鈉消毒后進入產(chǎn)品水池，通過供水泵送入用戶管網(wǎng)或者高位水池。

3 主要構(gòu)筑物及參數(shù)

3.1 取水構(gòu)筑物

3.1.1 取水位置

取水位置應考慮臺風、冬季寒風大潮、洋流等對取水構(gòu)筑物、取水水質(zhì)的影響，同時還要兼顧投資及運行成本。在確保取水量、取水水質(zhì)的前提下，取水點盡量選擇在冬季寒風大潮的背側(cè)，還應盡量遠離海港、碼頭等登陸點，避免水質(zhì)污染。此外，還要考慮取水點的地質(zhì)情況、海灘情況及取水構(gòu)筑物類型等。

3.1.2 取水方式

根據(jù)取水點的地質(zhì)情況及現(xiàn)場位置，取水方式主要分為岸邊取水井取水、自吸泵取水。

（1）岸邊取水井取水。

海灘平緩且為卵石灘的海島，采用岸邊滲井的取水方式。取水采用非完整井，井壁和井底同時進水，井底低于低潮位2 m。此方案共設(shè)計2處：大欽島、北隍城島山前村，各1座，內(nèi)徑分別為3 m和2 m。

海灘平緩、卵石灘層較淺的海島，采用完整井，且沿海灘朝向海水的方向開挖滲渠，滲渠內(nèi)回填當?shù)芈咽?，井底及滲渠的渠底均低于低潮位2 m，滲渠內(nèi)敷設(shè)穿孔花管。此方案共設(shè)計4處：南長山島、北長山島、大黑山島、北隍城島山后村。其中，南、北長山島各設(shè)2個取水井，內(nèi)徑3 m；大黑山島和北隍城島山后村各設(shè)1個取水井，內(nèi)徑分別為3 m和2 m。花管材質(zhì)為鋼筋混凝土，直徑均為0.5 m。

取水井內(nèi)均采用潛水泵取水，材質(zhì)為雙相不銹鋼。每個取水井安裝2臺潛水泵，1用1備。

（2）自吸泵取水。

海灘陡峭且為不透水的石英巖的海島，采用自吸泵取水。自吸泵帶有自動抽真空裝置，吸程較大，取水管道采用316L不銹鋼材質(zhì)〔4〕。取水頭設(shè)置90°向上彎頭，盡量減少吸取水中的砂礫。取水頭設(shè)置超聲波除菌器，利用特定超聲波段產(chǎn)生的空化、剪切作用以及微射流、自由基的氧化作用預防取水頭滋長海草、牡蠣等雜質(zhì)。砣磯島、小黑山島和南隍城島均采用此方式。

系統(tǒng)的總產(chǎn)水率按30%計，淡化站自用水率按5%計，取水構(gòu)筑物的設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 各島海水淡化項目取水點設(shè)計Table 3 Design of water intake points of seawater desalination projects on each island

3.2 斜管沉淀池

砣磯島、小黑山島及南隍城島均設(shè)置1座斜管沉淀池，斜管傾角60°，斜管直徑35 mm，表面負荷3.0 m3/（m2·h），采用多斗式排泥砂系統(tǒng)，設(shè)置氣動排泥閥。絮凝劑投加系統(tǒng)包括制備和儲存系統(tǒng)，投加量為2～5 mg/L。當取水中含有較多海藻時，投加現(xiàn)場制備的次氯酸鈉，有效氯投加量為0.2 mg/L左右。

3.3 原水池

各設(shè)1座，鋼混結(jié)構(gòu)，采用“界面劑+無毒防腐涂料”為防腐層，水力停留時間為1.2 h，有效容積不小于100 m3。原水池吸水管設(shè)置在水池一半高度的位置，可以沉降一部分砂礫。原水池內(nèi)配套原水泵，南、北長山島及砣磯島項目3臺，2用1備；其余項目2臺，1用1備。

3.4 砂濾罐

砂濾罐可以去除原水中的藻類、細微砂礫等，保護膜組件，延長保安過濾器的使用時間。每個站點的每個系統(tǒng)均設(shè)置兩級砂濾罐，采用無煙煤石英砂雙層濾料，濾速為10 m/h，采用氣水反沖洗。各個站點砂濾罐的配置情況見表4。

表4 各島砂濾罐配置表Table 4 Configuration table of sand filter tank on each island

3.5 保安過濾器

兩級砂濾罐出水進入反滲透主機前均需經(jīng)過濾精度為10 μm和5 μm的保安過濾器過濾，配置情況見表5。保安過濾器集成在膜架上，外殼材質(zhì)為纖維增強復合塑料（FRP）。

表5 保安過濾器配置表Table 5 Configuration table of security filter

3.6 一級反滲透膜組

一級反滲透膜組主要包括一級反滲透供水泵、高壓泵、能量回收裝置、膜組件和一級反滲透產(chǎn)水池。一級反滲透供水泵出口壓力為350 kPa，過流部件材質(zhì)為2205雙相不銹鋼。高壓泵采用柱塞泵，過流部件材質(zhì)為2507超級雙相不銹鋼，額定出口壓力6 MPa，進出口設(shè)置低壓和超壓保護開關(guān)。為降低系統(tǒng)能耗，采用等壓正位移式的能量回收裝置iSave系列產(chǎn)品，過流部件材質(zhì)為2507超級雙相不銹鋼，能量回收總效率可達95%，與不設(shè)能量回收的系統(tǒng)相比可節(jié)能60%以上；該裝置具有自適應能力，運行時無需人工額外調(diào)解和操作；該裝置可將回收的能量用于提升低壓海水的壓力，但提升后海水壓力仍低于高壓泵的出口壓力，iSave集成的增壓泵可將這部分海水的壓力提升至一級反滲透所需壓力，增壓泵揚程為50 m。

一級反滲透膜設(shè)計產(chǎn)水率35%，采用TM820V-400的8040高通量高脫鹽節(jié)能型海水淡化反滲透膜元件，單支膜有效面積為37.16 m2，流道寬度0.863 6 mm，材質(zhì)為架橋芳香族聚酰胺復合膜。膜殼材質(zhì)為玻璃鋼，承壓能力為6 895 kPa，6芯裝。采用一級一段排列。一級反滲透膜組件主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表6。

表6 一級反滲透膜組件主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)Table 6 Main equipment technical parameters of primary reverse osmosis membrane module

3.7 二級反滲透膜組

二級反滲透膜組主要包括二級反滲透增壓泵、高壓泵、膜組件和產(chǎn)品水池。增壓泵過流部件材質(zhì)為304不銹鋼，出口壓力為300 kPa。高壓泵過流部件材質(zhì)為304不銹鋼，出口壓力為980～1 150 kPa，進出口設(shè)置低壓和超壓保護開關(guān)。

二級反滲透的設(shè)計產(chǎn)水率為85%，采用TM720D-400的8040架橋芳香族聚酰胺復合膜，單支膜有效膜面積為37.16 m2，流道寬度0.863 6 mm，具有高脫鹽率、高產(chǎn)水量、高化學耐久性、抗污染的性能。膜殼材質(zhì)為玻璃鋼，承壓能力為2 068 kPa，6芯裝。采用一級一段排列，濃水回流入原水池。二級反滲透膜組主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表7。

表7 二級反滲透膜組件主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)Table 7 Main equipment technical parameters of secondary reverse osmosis membrane module

3.8 礦化、消毒和供水

采用填充方解石填料的礦化罐對二級反滲透出水進行礦化，礦化罐設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表8。采用現(xiàn)場制備的次氯酸鈉進行消毒，有效氯投加量為2～4 mg/L?？紤]到海島對化學品運輸存在一定限制，同時設(shè)置管式紫外消毒設(shè)備。各海水淡化站的供水方式不同，南、北長山島直接由供水泵與供水管網(wǎng)連接，其他各島均由供水泵將淡水輸送到原有的高位水池。

表8 礦化罐設(shè)備技術(shù)參數(shù)Table 8 Technical parameters of mineralization tank

4 運行效果

自正式運行以來，系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)良好，一級反滲透出水電導率在300～600 μS/cm，二級反滲透出水電導率不超過20 μS/cm；經(jīng)礦化系統(tǒng)后，出水pH在7左右。系統(tǒng)正式供水2個月后對各站點礦化罐出水進行現(xiàn)場例行取樣，主要檢測數(shù)據(jù)見表9。出水各項指標檢測數(shù)據(jù)均優(yōu)于設(shè)計標準（GB 5749—2006）。本項目在1.5 a的運行時間內(nèi)，出水效果穩(wěn)定。

表9 各站點的礦化罐主要水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)Table 9 Main water quality data of mineralization tank of each station

因冬夏季海水水溫差異較大，夏季運行時運行壓力相對較小，產(chǎn)水量較設(shè)計規(guī)模偏大；冬季水溫較低，運行壓力較大，產(chǎn)水量較設(shè)計規(guī)模偏小，但冬季用水量較小，系統(tǒng)間斷運行。

5 技術(shù)經(jīng)濟分析

本項目總投資4 890萬元，其中設(shè)計費85萬元，工程費4 805萬元。運營成本包括電費、藥劑費、膜更換費及人工費。其中產(chǎn)水耗電量為4.60 kW·h/t（含海水取水泵和淡水供水泵），山東省發(fā)展和改革委員會《關(guān)于煙臺市海水淡化用電價格有關(guān)事項的通知》規(guī)定海水淡化優(yōu)惠電價為0.555元/（kW·h），電費為2.55元/t；化學藥劑費（含阻垢劑、消毒劑和化學清洗劑）為0.42元/t；材料更換費（反滲透膜每3 a更換1次，濾芯每3月更換1次）為0.85元/t；人工費（每個站點按3人計）為0.865元/t；設(shè)備維護費（按投資額的3%計）為0.76元/t，管理費（含日常檢測、第三方檢測等）為0.63元/t，總計產(chǎn)水成本為6.075元/t。

總體來說，我國海水淡化成本普遍在5～8元/t〔5〕，其中，最大單項成本為電力能源費用，約占總成本的41.49%〔5〕。當有光伏或風力發(fā)電等可再生能源時，總運行成本可大大降低〔6〕。另外，化學藥劑費以及材料更換費也是主要的直接費用。本工程與類似項目的直接運行費用對比見表10。與較大規(guī)模（產(chǎn)水10 000 t/d）的海水淡化項目相比，本項目費用略高〔6-7〕。

表10 類似項目的直接運行費用對比Table 10 Comparison of the direct operating costs of similar projects

6 結(jié)論

本項目采用主處理工藝為二級砂濾+一級反滲透+二級反滲透+礦化的組合工藝進行海水淡化，年總制水量可達1.56×106t（年滿負荷運轉(zhuǎn)時間按300 d計），出水指標均優(yōu)于設(shè)計標準（GB 5749—2006），解決了長島有人居住島嶼用水高峰期用水供需矛盾問題。采用高效的iSave能量回收裝置，電耗降低，產(chǎn)水電耗控制在4.60 kW·h/t左右，總計產(chǎn)水成本為6.075元/t，明顯降低了反滲透海水淡化裝置的制水成本。在1.5 a多的運行時間里，出水效果穩(wěn)定，為長島的經(jīng)濟發(fā)展做出了貢獻。