海底隧道滲水海水淡化中試試驗(yàn)研究

邱冠華，汪程鵬，王生輝，周 沖，趙方曉，宋代旺，黃鵬飛，尹 菲

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

隨著我國經(jīng)濟(jì)騰飛，交通基礎(chǔ)設(shè)施飛躍發(fā)展，海底隧道數(shù)量逐漸增加，每天有大量海水滲入隧道內(nèi)[1-2]，以廈門翔安隧道為例，其滲水量最高時(shí)超過7 000 t/d。目前，這些滲入的海水都會(huì)由水泵抽出，通過專門的管道，把海水送到隧道進(jìn)出口附近地面，再順著溝渠流向大海[3]。如此大量的海水未經(jīng)過使用直接排入大海，造成資源浪費(fèi)。海水取水工程作為海水淡化廠的重要組成部分，其任務(wù)是確保在海水淡化廠的整個(gè)生命周期內(nèi)提供足夠的、持續(xù)的、適合的源水。如果將海底滲水直接送至海水淡化廠進(jìn)行淡化，可節(jié)省海水淡化過程中取水部分的資金投入。同時(shí)，從海水淡化源水水質(zhì)來看，海水通過巖層和沙層以滲入方式進(jìn)入隧道，相當(dāng)于進(jìn)行了“預(yù)處理”，其水質(zhì)將優(yōu)于直接從海洋中抽取的海水。采用滲入水進(jìn)行海水淡化可進(jìn)一步降低海水淡化預(yù)處理和處理費(fèi)用。廈門翔安隧道7 000 t/d滲入水，經(jīng)過海水淡化處理后每天約產(chǎn)生3 000 t淡水，可以用于隧道附近的生活生產(chǎn)用水。

因此，文章以廈門翔安隧道滲水作為試驗(yàn)水源，提出針對海底隧道滲水的海水淡化處理工藝及其試驗(yàn)裝置，用于研究該類水源的回收利用技術(shù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求

原水為海底隧道水附近海水，含鹽量31 000 mg/L，滲水電導(dǎo)率在23 000 μS/cm～38 000 μS/cm范圍間波動(dòng)，濁度在3 NTU～5 NTU左右，SDI顯示僅有夏季檢測結(jié)果高出平均值，為13.96 NTU，其余均為4.7 NTU～5 NTU之間，滲水中微量元素及重金屬鹽含量大部分結(jié)果顯示穩(wěn)定，即隨季節(jié)變化幅度很小。

海底隧道水海水淡化中試試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為50 m3/d，反滲透設(shè)計(jì)水回收率45%，產(chǎn)品水水質(zhì)TDS<500 mg/L，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)要求。

2 工藝設(shè)計(jì)

中試試驗(yàn)工藝流程為：海水——潛水泵——一級(jí)砂濾——二級(jí)砂濾——中間水箱——中間水泵——保安過濾器——高壓泵能量回收一體機(jī)——反滲透膜組——產(chǎn)品水——產(chǎn)品水箱——水質(zhì)調(diào)節(jié)——產(chǎn)品水泵。

文章主要對海底隧道水海水淡化中取水、預(yù)處理和反滲透裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與說明，其他工藝環(huán)節(jié)不做介紹。

2.1 取水

考慮到試驗(yàn)情況，采用沉箱取水方式，設(shè)置防浪坡對沉箱進(jìn)行保護(hù)，以防海浪對沉箱的破壞。取水經(jīng)潛水泵直接送至預(yù)處理系統(tǒng)，取水量為125 m3/d。

2.2 預(yù)處理

預(yù)處理采用非氧化性殺菌劑+兩級(jí)砂濾+還原劑+保安過濾器方式，投加殺菌劑，防止反滲透膜元件長期運(yùn)行中微生物、細(xì)菌等對反滲透膜造成污染。

通過電動(dòng)隔膜計(jì)量泵將加藥水箱當(dāng)中的殺菌劑投加向管路中的海水，殺菌劑采用10%次氯酸鈉溶液，加入量為原水量的3 mg/kg。經(jīng)過管道靜態(tài)混合器的充分混合，進(jìn)入兩級(jí)砂濾系統(tǒng)，去除原水中的懸浮物及粘膠質(zhì)顆粒，降低水濁度。原水經(jīng)過兩級(jí)砂濾后進(jìn)入中間水箱，中間水箱對系統(tǒng)起到緩沖作用。原水中的殘余氯對反滲透復(fù)合膜有氧化破壞作用，設(shè)置投加還原劑可除原水中的余氯，保護(hù)反滲透膜免受氧化劑的威脅和損壞，使預(yù)處理后的水達(dá)到反滲透的進(jìn)水要求，經(jīng)過砂濾的原水在經(jīng)高壓泵進(jìn)入反滲透膜之前，先進(jìn)入保安過濾器。保安過濾器可攔截粒徑低至幾微米的微粒，確保反滲透膜安全。

2.3 反滲透裝置

(1)反滲透膜組。采用大流量海水淡化反滲透膜元件，具體性能參數(shù)：產(chǎn)水量50 m3/d，脫鹽率最低99.7%，最大運(yùn)行壓力8.27 MPa，進(jìn)水pH值范圍3～10，最大進(jìn)水濁度1.0 NTU，最大進(jìn)水SDI 155.0，最大進(jìn)水流量125 m3/d，脫硼率92%。膜組件的排列采用兩組平行的兩段式排列方式，為兩支兩芯8040的反滲透膜并聯(lián)的方式。

(2)高壓泵與能量回收一體機(jī)。選用帶有能量回收裝置的海水高壓泵，額定流量2.5 m3/h，額定揚(yáng)程600 m，電機(jī)功率11 kW。一體機(jī)是由高壓泵、能量回收裝置和電機(jī)三個(gè)主要部分組成，其中高壓泵和能量回收裝置同軸連接。能量回收裝置是通過高壓濃水推動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，利用斜盤轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能，通過聯(lián)軸器傳遞到高壓泵側(cè)，與電機(jī)共同給低壓海水加壓，實(shí)現(xiàn)能量的回收轉(zhuǎn)化[4]。此種能量轉(zhuǎn)換方式使低壓海水直接加壓至海水淡化系統(tǒng)工作壓力，將與能量回收裝置匹配的增壓泵的壓力提升效果耦合到高壓泵中，在設(shè)備投資成本和管路連接方面，省去一個(gè)增壓泵裝置，設(shè)備投資成本上降低50%以上[5]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)原水來自于廈門翔安隧道滲水，裝置連續(xù)運(yùn)行了3個(gè)月，取10 d平均值為監(jiān)測數(shù)據(jù)點(diǎn)，并對運(yùn)行情況進(jìn)行分析和討論。

3.1 裝置運(yùn)行參數(shù)

(1)壓力。預(yù)處理和反滲透操作壓力如圖1，在試驗(yàn)過程中，預(yù)處理和反滲透的實(shí)際運(yùn)行壓力平均值分別為0.43 MPa和3.8 MPa，預(yù)處理進(jìn)出口壓力壓差最大不超過0.08 MPa，反滲透系統(tǒng)壓力與濃水壓力壓差最大不超過0.10 MPa，所以在整個(gè)試驗(yàn)當(dāng)中反滲透系統(tǒng)運(yùn)行良好。

圖1 預(yù)處理和反滲透操作壓力

(2)流量與回收率。系統(tǒng)流量與回收率如圖2，由圖可知，系統(tǒng)進(jìn)水量變化幅度不大，由最低的95 L/min到最高的97 L/min。反滲透回收率比較穩(wěn)定，都在44%～45%，和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值45%基本一致。

圖2 系統(tǒng)流量與回收率

3.2 處理水質(zhì)結(jié)果分析

反滲透系統(tǒng)進(jìn)出水電導(dǎo)率變化、電導(dǎo)率去除率、進(jìn)出水濁度變化如圖3，海水淡化進(jìn)水電導(dǎo)率在36 840 μS/cm～37 200 μS/cm之間，出水電導(dǎo)率在506 μS/cm～556 μS/cm范圍，說明反滲透系統(tǒng)對電導(dǎo)率的去除效率高。海水淡化進(jìn)水濁度在1.1 NTU～1.2 NTU之間，經(jīng)過反滲透處理過的水，濁度為均未檢出，說明反滲透能夠很好的去除懸浮顆粒物質(zhì)。

圖3 反滲透系統(tǒng)進(jìn)出水電導(dǎo)率變化、電導(dǎo)率去除率、進(jìn)出水濁度變化

此外，滲水經(jīng)反滲透系統(tǒng)處理后，水質(zhì)中含量較高的總含鹽量由23 000 mg/L降至208 mg/L，總硬度由4 650 mg/L降至5.6 mg/L，硝酸鹽、溴酸鹽、氯酸鹽、碳酸鹽、硅酸鹽、砷以及鐵、錳、鉛、鎘等重金屬離子均低于檢出限，產(chǎn)水符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求。

3.3 裝置性能及能耗分析

在試驗(yàn)過程中，設(shè)備主體額定功率為15.35 kW，正常運(yùn)行功率為9.15 kW，噸水電耗約為4.39 kW·h。50 m3/d海底隧道水設(shè)備耗電情況見表1。

表1 50 m3/d海底隧道水設(shè)備耗電情況

4 結(jié)論

通過對海底隧道滲水進(jìn)行海水淡化，實(shí)現(xiàn)水資源的增源回用，試驗(yàn)顯示，裝置的運(yùn)行狀況、能耗成本、產(chǎn)水水質(zhì)等都在理想設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。海底隧道海水經(jīng)淡化處理后，產(chǎn)品水水質(zhì)TDS<500 mg/L，產(chǎn)水回收率45%，噸水電耗約為4.39 kW·h，該技術(shù)可用于海底隧道滲水資源回收領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。