低能耗小型苦咸水淡化系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

我國一些地區(qū)飲水存在水質(zhì)嚴(yán)重不達標(biāo)、供水保證率低、水性地方病等問題，尤其是高氟、高砷、苦咸、污染等水質(zhì)問題，嚴(yán)重影響著人民群眾的身體健康。據(jù)衛(wèi)生部門和水利部門的初步調(diào)查及聯(lián)合國評估，我國還有7000多萬人飲水不安全，主要是高氟水、高砷水和苦咸水問題?？嘞趟饕植荚谖覈狈教貏e是西部和東部沿海地區(qū)。通常將含鹽量高于1000mg/L并在15000mg/L以下的天然水、地面水和自流井水稱為苦咸水。據(jù)統(tǒng)計，我國農(nóng)村飲用苦咸水的人口近4000萬，苦咸水很難直接飲用，長期飲用苦咸水會引發(fā)高血壓、心血管等方面的疾病，促進泌尿系統(tǒng)結(jié)石的形成。在農(nóng)業(yè)方面，高濃度苦咸水不能直接用于農(nóng)業(yè)灌溉，否則會使土壤的顆粒結(jié)構(gòu)變壞，造成土壤鹽堿化，抑制作物生長[1]。對苦咸水進行淡化，是緩解我國淡水資源的重要手段之一，苦咸水淡化技術(shù)也得到了長足發(fā)展[2]。

苦咸水淡化技術(shù)主要可分為膜法和熱法兩種。膜法包括納濾、反滲透、電滲析和去離子處理技術(shù)等；熱法包括多級閃蒸、普通多效蒸發(fā)、熱力壓縮耦合多效蒸發(fā)和機械蒸汽壓縮蒸發(fā)技術(shù)等。膜法中的反滲透法具有出水水質(zhì)高和運行穩(wěn)定的優(yōu)點[3]，是適合我國農(nóng)村地區(qū)的苦咸水淡化技術(shù)，但能耗高問題一直是制約其發(fā)展的主要因素[4]。本文設(shè)計了一種帶有壓力能量回收裝置的反滲透小型苦咸水淡化裝置，以期為我國苦咸水淡化技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供參考。

1 系統(tǒng)工程原理與參數(shù)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)工作原理與組成

反滲透小型苦咸水淡化裝置由預(yù)處理系統(tǒng)、反滲透和能量回收系統(tǒng)以及后處理系統(tǒng)組成?？嘞趟?jīng)取水泵加壓后進入預(yù)處理系統(tǒng)，預(yù)處理后的濃苦咸水進一步加壓進入反滲透膜組件，在特定的進水壓力下透過反滲透膜產(chǎn)出淡水，未過膜的高壓濃水則進入能量回收裝置，進行能量回收再利用后，從排水口排出；反滲透膜產(chǎn)出的淡水再經(jīng)過后處理系統(tǒng)進行處理以保證產(chǎn)水水質(zhì)。

系統(tǒng)工藝流程路線如圖1所示。

圖1 小型反滲透海水淡化裝置工藝流程

1.2 預(yù)處理系統(tǒng)選型

預(yù)處理系統(tǒng)[5]由機械過濾器（HN-MF3-1）和保安過濾器（SZB-RO300-0164）組成。

1.3 反滲透膜組件的選型與設(shè)計

小型苦咸水淡化裝置設(shè)計產(chǎn)水量為100L/h，按每天工作20小時計算，日產(chǎn)淡水2t。

1.3.1 膜組件選型

選用時代沃頓科技有限公司SW4021膜組件，平均透水量2.8m3/d，有效膜面積3.1m3，最高給水壓力8.1MPa。

1.3.2膜組件數(shù)量

膜組件數(shù)量由產(chǎn)水?dāng)?shù)量、膜通量以及有效膜面積來確定。預(yù)處理后的進水在標(biāo)準(zhǔn)條件下（25℃）膜通量為J0=19L/（m2h），膜通量與溫度密切相關(guān)。

膜組件數(shù)量的計算公式為[6]：

式中：NE為理論膜組件數(shù)；QP為設(shè)計產(chǎn)水量，取為100L/h；J為膜通量，取工作溫度為20℃，J=0.826J0；SE為所選膜組件的有效面積，3.1m2；f為污染系數(shù)，取0.75。

由式（1）可以計算出日產(chǎn)2t淡水的苦咸水淡化裝置需要3組膜組件。

1.3.3 膜組件排列方式

小型系統(tǒng)需要提高回收率，可以采用多段反滲透膜排列方式，幫采用一級多段式膜組件排列方式，即將第n段的濃水作為第n+1段的給水，每一段滲透出水匯合成系統(tǒng)的產(chǎn)水，膜組件的排列方式如圖2所示。

圖2 一級多段式膜組件排列方式

1.3.4 儀器儀表的選擇

反滲透系統(tǒng)中需添加壓力、流量、電導(dǎo)率等監(jiān)測儀表，以及自動閥門等配件。

低壓壓力傳感器置于泵或能量回收裝置的前面，用于監(jiān)控過濾器后進水的壓力值，該值不可低于預(yù)定值1bar，否則會造成高壓泵抽空，同時通過該值也可判斷過濾器堵塞情況。高壓壓力傳感器置于反滲透膜進水口，用于監(jiān)控反滲透膜組件的進水壓力，膜的的進水壓力一般不可超過80bar，否則會對膜組件造成損害[7]。

流量計用于實時監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)水量，可判斷反滲透膜是否污染結(jié)垢，以及時進行清洗。

電導(dǎo)率傳感器用于監(jiān)測系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)，判斷產(chǎn)水質(zhì)量是否滿足生活用水標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)出淡水電導(dǎo)率高于標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率時為不合格產(chǎn)水，由自動閥門排放。

1.4 壓力能量回收裝置設(shè)計

1.4.1 能量回收裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

選用CLARK泵式能量回收裝置（圖3）回收系統(tǒng)中未過膜苦咸水濃水壓力，該裝置效率較高，穩(wěn)定性好，常用于小流量反滲透系統(tǒng)的能量回收[8]。

圖3 CLARK泵式能量回收裝置

如圖4所示，CLARK泵式能量回收裝置主要由液壓缸、活塞、二位四通換向閥、單向閥及先導(dǎo)閥構(gòu)成。兩個活塞共用一根單桿將兩個液壓缸分為4個腔室。

圖4 CLARK泵式能量回收裝置三維模型

如圖5所示，兩側(cè)的兩個腔室（1#、4#腔）為原水腔，中間的兩個腔室（2#、3#腔）為高壓濃水腔。當(dāng)高壓濃水從反滲透膜組件中排出時經(jīng)二位四通換向閥進入液壓缸一側(cè)的高壓（5.5～6.5MPa）濃水腔，推動活塞對相鄰原水腔中的低壓原水加壓，完成能量交換，增壓后的高壓原水經(jīng)單向閥進入膜組件。先導(dǎo)閥用于控制換向閥換向以實現(xiàn)活塞的連續(xù)往復(fù)運動[9]。

圖5 CLARK泵式能量回收裝置工作原理

1.4.2 能量回收裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)計算

忽略沿程壓力損失和局部壓力損失，流入壓力交換缸的高壓濃苦咸水的流量為1.3L/s，壓力為49bar，能量回收裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 能量回收裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

經(jīng)初步測試，設(shè)計的CLARK泵式能量回收裝置容積效率較高，在流量0.1L/s至0.2L/s、輸入壓力40bar至60bar范圍內(nèi)，裝置的容積效率都可達到92%以上，總效率大于72%。

1.5 后處理系統(tǒng)設(shè)計

為了使反滲透產(chǎn)水滿足生活飲用水的要求，需要對反滲透產(chǎn)水進行后處理，主要的后處理方式后礦化、pH值調(diào)節(jié)和殺毒消毒等。

后礦化選用為的石灰石溶解法。添加無機酸或CO2降低淡化水的pH值，然后再將酸化的淡化水通過填滿CaCO3礦石，最后將礦化之后的水與淡化水成比例混合[10]。

反滲透產(chǎn)水的pH值約為5.5，對酸性產(chǎn)水中加入氫氧化鈉或石灰等，調(diào)節(jié)產(chǎn)水的鈣硬度和pH值，以解決反滲透海水淡化出水pH值低、硬度低等的問題，并且可以增加口感，消除黃水[11]。

采用殺菌波長為254nm的紫外線進行殺菌，該方法不引入藥劑，只需在產(chǎn)水箱中安裝紫外線殺菌器即可。

2 結(jié)論

針對小型苦咸水淡化系統(tǒng)的低能耗要求，設(shè)計了一種帶有壓力能量回收裝置的小型苦咸水淡化系統(tǒng)，通過將回收的濃水壓力轉(zhuǎn)化為苦咸水進膜壓力，降低苦咸水壓力提升所需的電機功率，能量回收效率在70%以上，可為小型苦咸水淡化系統(tǒng)的設(shè)計和選用提供參考。