沿?；痣姀S大型膜法海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行分析

王宏賓，王紹曾，周 宇，朱學(xué)兵，李海燕，徐兆郢，慕時(shí)榮，康少鑫

（1.西安西熱水務(wù)環(huán)保有限公司，高效靈活煤電及碳補(bǔ)集利用封存全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710054；2.中國(guó)華能集團(tuán)有限公司，北京 100031）

隨著沿海城市經(jīng)濟(jì)深入發(fā)展和地區(qū)水資源逐漸貧乏，水資源供需矛盾日益突出，淡水資源緊缺已成為制約威海市實(shí)現(xiàn)更高層次發(fā)展的瓶頸因素〔1-2〕。山東省人民政府辦公廳2021 年正式印發(fā)的《山東省“十四五”海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的通知》提出，建設(shè)“膠東海上調(diào)水”等一批海水淡化與綜合利用示范工程，打造全國(guó)重要的海水利用基地，2025 年實(shí)現(xiàn)全省海水淡化產(chǎn)能規(guī)模120 萬(wàn)t/d 的發(fā)展目標(biāo)。

因此，威海市從城市發(fā)展及解決民生兩方面出發(fā)，依托當(dāng)?shù)仉姀S建設(shè)海水淡化工程，利用非常規(guī)水源，采用“預(yù)處理+雙膜法”海水淡化工藝生產(chǎn)淡水，用于企業(yè)生產(chǎn)用水和城市生活用水。該項(xiàng)目于2020 年12 月開(kāi)工建設(shè)，2021 年10 月系統(tǒng)調(diào)試完畢并滿出力運(yùn)行。

1 設(shè)計(jì)水質(zhì)及規(guī)模

1.1 原水水質(zhì)

本工程水源為海水，進(jìn)水溫度按照5 ℃設(shè)計(jì)，主要原水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 原水水質(zhì)Table 1 Raw water quality

1.2 設(shè)計(jì)規(guī)模及產(chǎn)水指標(biāo)

本工程設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為30 000 m3/d，產(chǎn)水水質(zhì)需滿足含硼質(zhì)量濃度在1 mg/L 以下，產(chǎn)水送至市政飲用水管網(wǎng)系統(tǒng)，水質(zhì)指標(biāo)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）。主要系統(tǒng)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 主要系統(tǒng)性能指標(biāo)Table 2 Main system performance indicators

2 工藝流程及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 工藝流程

由于膜法海水淡化具有過(guò)程無(wú)相變、能耗較小、運(yùn)行穩(wěn)定且自動(dòng)化程度較高等特點(diǎn)〔3-5〕，在國(guó)內(nèi)擁有較多工程應(yīng)用。本工程項(xiàng)目最終采用“V 型濾池+超濾+海水反滲透+淡水反滲透”的全膜法海水淡化工藝。

本工程利用電廠原有取水設(shè)施，新增取水泵，取水泵出水進(jìn)入V 型濾池，去除水中的懸浮物、膠體等物質(zhì)；V 型濾池出水依次進(jìn)入砂濾水池、超濾裝置，超濾產(chǎn)水進(jìn)入海水反滲透裝置；海水反滲透產(chǎn)水一部分直接進(jìn)入緩沖水箱，另一部分進(jìn)入淡水反滲透裝置；淡水反滲透產(chǎn)水進(jìn)入緩沖水箱與海水反滲透產(chǎn)水混合后進(jìn)入產(chǎn)品水池，經(jīng)摻混后最終送至市政用水管網(wǎng)；海水反滲透濃水回用至電解海水制氯系統(tǒng)，淡水反滲透濃水回用至超濾水箱。工藝流程見(jiàn)圖1。

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)主要包括取水泵、V 型濾池和砂濾水池。取水泵設(shè)置2 臺(tái)，斜流泵，單臺(tái)流量4 000 m3/h，采用永磁調(diào)速裝置取代變頻器控制，不僅提升了設(shè)備耐潮濕耐鹽霧腐蝕的能力，便于運(yùn)行，而且節(jié)省了占地及資金。V 型濾池設(shè)置3 套，單套流量1 245 m3/h，濾池規(guī)模36.4 m×21.3 m×5 m，配套設(shè)置有反洗水泵3 臺(tái)、反洗風(fēng)機(jī)2 臺(tái)；V 型濾池內(nèi)部裝填有效粒徑為0.9～1.2 mm 的石英砂濾料；反洗風(fēng)機(jī)采用國(guó)際先進(jìn)的磁懸浮風(fēng)機(jī)，大大提升了設(shè)備的穩(wěn)定性，減少了風(fēng)機(jī)附屬系統(tǒng)的投資。砂濾水池設(shè)置1 座，水池規(guī)模29 m×25 m×4.5 m，有效容積2 000 m3。

2.2.2 超濾系統(tǒng)

超濾系統(tǒng)主要包括超濾給水泵、自清洗過(guò)濾器、超濾裝置和反洗水泵等。超濾給水泵設(shè)置4 臺(tái)，單臺(tái)流量1 226 m3/h，變頻設(shè)計(jì)。超濾膜組件前設(shè)置自清洗過(guò)濾器，采用電動(dòng)網(wǎng)刷式，過(guò)濾精度100 μm；自清洗過(guò)濾器設(shè)置3 臺(tái)，單臺(tái)流量1 420 m3/h。超濾膜組件采用內(nèi)壓式膜元件，過(guò)濾方式為死端過(guò)濾；超濾膜平均孔徑0.02～0.03 μm，凈通量不高于55 L/（m2·h）（5 ℃），單套凈流量360 m3/h，共設(shè)置9 套；超濾系統(tǒng)采用母支管式供水方式，同時(shí)采用恒壓同頻的運(yùn)行方式進(jìn)行控制。超濾反洗水泵設(shè)置3 臺(tái)，單臺(tái)流量750 m3/h，變頻設(shè)計(jì)。

2.2.3 海水反滲透系統(tǒng)

海水反滲透系統(tǒng)主要包括給水泵、保安過(guò)濾器、高壓泵、增壓泵、海水反滲透裝置和能量回收裝置。給水泵設(shè)置4 臺(tái)，單臺(tái)流量1 080 m3/h，變頻設(shè)計(jì)。保安過(guò)濾器設(shè)置3 臺(tái)，單臺(tái)流量1 080 m3/h，采用折疊式大流量濾芯，過(guò)濾精度5 μm。高壓泵設(shè)置3 臺(tái)，單臺(tái)流量433 m3/h，變頻設(shè)計(jì)。增壓泵設(shè)置3臺(tái)，單臺(tái)流量650 m3/h，變頻設(shè)計(jì)。

本工程共設(shè)置3 套海水反滲透裝置，單套設(shè)計(jì)產(chǎn)水量433 m3/h，回收率40%，單套128 支7 芯壓力容器，設(shè)置能量回收裝置（單套10 支ERI-PX300），脫鹽率≥99.5%（運(yùn)行1 a 內(nèi)），單支膜面積37 m2，運(yùn)行通量不高于13 L/（m2·h）。海水反滲透系統(tǒng)為母支管式供水方式，運(yùn)行方式為恒壓同頻，運(yùn)行方式先進(jìn)、靈活。為盡可能減少后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，設(shè)計(jì)反滲透產(chǎn)水通過(guò)重力自流的方式進(jìn)入近百米遠(yuǎn)的產(chǎn)品水池且不影響系統(tǒng)日常維護(hù)沖洗用水，該設(shè)計(jì)減少了動(dòng)力設(shè)備及占地，降低了反滲透產(chǎn)水0.15 kW·h/t的耗電量。

2.2.4 淡水反滲透系統(tǒng)

當(dāng)海水溫度在25 ℃以下時(shí)，海水反滲透產(chǎn)水能滿足水質(zhì)要求。夏季海水溫度升高，當(dāng)水溫高于25 ℃時(shí)（最高27 ℃），海水反滲透裝置產(chǎn)水硼超標(biāo)。為滿足水質(zhì)要求，設(shè)置淡水反滲透系統(tǒng)，對(duì)部分海水反滲透產(chǎn)水進(jìn)行二次脫鹽處理，淡水反滲透產(chǎn)水與海水反滲透產(chǎn)水按照1∶2 的體積比進(jìn)行摻混，最終滿足水質(zhì)要求。本系統(tǒng)共設(shè)置2 套淡水反滲透裝置，每套設(shè)計(jì)產(chǎn)水量210 m3/h，回收率≥90%；選用抗污染型反滲透膜組件，一級(jí)二段設(shè)計(jì)，脫鹽率≥97%（運(yùn)行3 a 內(nèi)），單支膜面積41 m2，運(yùn)行通量不高于30 L/（m2·h）。淡水反滲透裝置配套設(shè)置3 臺(tái)反滲透給水泵、2 臺(tái)保安過(guò)濾器和2 臺(tái)高壓泵，單臺(tái)流量235 m3/h，反滲透給水泵和高壓泵采用變頻設(shè)計(jì)。

2.2.5 其他附屬系統(tǒng)

其他附屬系統(tǒng)包括污泥脫水單元、加藥單元、化學(xué)清洗單元、電解制氯單元等。

3 運(yùn)行結(jié)果與分析

該工程于2021 年6 月進(jìn)水調(diào)試，2021 年10 月調(diào)試完畢并滿出力運(yùn)行，2021 年12 月完成項(xiàng)目驗(yàn)收并移交用戶。

3.1 預(yù)處理V 型濾池

調(diào)試運(yùn)行期間，V 型濾池反洗周期設(shè)計(jì)為2 d。調(diào)試期間V 型濾池運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

圖2 V 型濾池運(yùn)行數(shù)據(jù)Fig. 2 Operation data of V-type filter

由圖2 可知，預(yù)處理V 型濾池運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)水濁度在22～28 NTU，產(chǎn)水濁度在0.5～0.9 NTU，整體運(yùn)行水質(zhì)穩(wěn)定，滿足協(xié)議中產(chǎn)水濁度低于2 NTU 的性能指標(biāo)要求。同時(shí)可以看出，V 型濾池系統(tǒng)在前12 d 反洗頻繁，每周期反洗2～3 次，較設(shè)計(jì)反洗頻次偏高（設(shè)計(jì)反洗周期為運(yùn)行2 d 反洗1 次）。經(jīng)分析，每年5 月—7 月為海洋赤潮高發(fā)期，水體中藻類、浮游微生物等代謝繁殖旺盛，海水水質(zhì)惡化，濁度、COD、色度等指標(biāo)增高，導(dǎo)致V 型濾池濾料污堵過(guò)快。調(diào)試期間增加次氯酸鈉及混凝劑加藥量（次氯酸鈉由1 mg/L 調(diào)整至3 mg/L，絮凝劑由2 mg/L 調(diào)整至3 mg/L），以增強(qiáng)對(duì)進(jìn)水中部分藻類、有機(jī)物、浮游微生物、膠體等懸浮物的去除。加藥量調(diào)整后，V 型濾池每個(gè)運(yùn)行周期反洗次數(shù)由2～3 次降低至1 次，極大提高了產(chǎn)水效率，保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3.2 超濾系統(tǒng)

調(diào)試期間超濾系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

由圖3 可知，超濾系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)水濁度在0.5～0.9 NTU，產(chǎn)水濁度在0.04～0.08 NTU，整體運(yùn)行水質(zhì)穩(wěn)定，滿足協(xié)議中產(chǎn)水濁度低于0.1 NTU 的性能指標(biāo)要求。運(yùn)行初期，前12 d 內(nèi)產(chǎn)水SDI（淤泥密度指數(shù)）為3～3.5，超過(guò)正?？刂浦笜?biāo)（SDI＜3）。經(jīng)分析，造成該指標(biāo)超標(biāo)的原因主要有兩點(diǎn)：1）SDI 取樣點(diǎn)前管道為玻璃鋼管道，安裝過(guò)程中內(nèi)部存在玻璃鋼纖維及粉末，部分死角位置很難沖洗干凈，引起SDI 升高；2）運(yùn)行前期預(yù)處理V 型濾池未投加藥劑，導(dǎo)致超濾進(jìn)水中存在部分微生物和小分子有機(jī)物，這些物質(zhì)透過(guò)膜最終造成SDI 升高。通過(guò)對(duì)管道進(jìn)行連續(xù)沖洗并提高預(yù)處理系統(tǒng)加藥量后，超濾系統(tǒng)產(chǎn)水SDI 連續(xù)穩(wěn)定控制在3 以下。

3.3 反滲透系統(tǒng)

海水反滲透系統(tǒng)運(yùn)行情況見(jiàn)圖4。

由圖4 可知，運(yùn)行初期，前6 d 內(nèi)，海水反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率在420～425 μS/cm，脫鹽率為98.8%，未達(dá)到膜元件脫鹽率≥99.5%（運(yùn)行1 a 內(nèi)）的性能指標(biāo)要求。經(jīng)分析，部分膜組件存在密封圈泄露的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各個(gè)膜組件產(chǎn)水進(jìn)行取樣分析，對(duì)有問(wèn)題的膜組件重新安裝后，產(chǎn)水電導(dǎo)率穩(wěn)定在345～350μS/cm，脫鹽率為99.8%，硼質(zhì)量濃度約0.7 mg/L，產(chǎn)水水質(zhì)滿足性能指標(biāo)要求。

經(jīng)檢測(cè)，淡水反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水電導(dǎo)率約10 μS/cm，脫鹽率約97%，硼質(zhì)量濃度約0.28 mg/L。淡水反滲透產(chǎn)水與海水反滲透產(chǎn)水按照1∶2 的體積比摻混，摻混后電導(dǎo)率約270 μS/cm，硼質(zhì)量濃度約0.56 mg/L。

4 工程優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)分析

1）項(xiàng)目取水利用電廠原有取水設(shè)施，不需額外增加設(shè)施，節(jié)省項(xiàng)目投資費(fèi)用。

2）海水反滲透系統(tǒng)后設(shè)有淡水反滲透裝置，系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，可有效適應(yīng)原水水質(zhì)變化情況，保證系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)（主要為硼含量指標(biāo)）滿足要求。

3）該工程設(shè)置電解制氯單元并用于原水殺菌，可有效利用系統(tǒng)產(chǎn)生的濃鹽水，減少系統(tǒng)濃鹽水處理費(fèi)用和藥劑費(fèi)用，降低運(yùn)行成本。

4）采用PX 能量回收裝置，能量回收效率高達(dá)98%，最大化實(shí)現(xiàn)了能量回收，降低了系統(tǒng)能耗。

5）采用先進(jìn)的磁懸浮風(fēng)機(jī)設(shè)備，設(shè)備智能化程度高，噪音更低，更加節(jié)能。

6）利用緩沖水箱及產(chǎn)品水池的高度差，使反滲透產(chǎn)水通過(guò)重力自流的方式首先進(jìn)入緩沖水箱維持合理水位，滿足系統(tǒng)日常維護(hù)沖洗用水需求，后續(xù)進(jìn)入近百米遠(yuǎn)的產(chǎn)品水池，減少了動(dòng)力設(shè)備、占地面積及總投資。

5 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

5.1 社會(huì)效益

本項(xiàng)目將海水淡化水作為原有淡水資源的補(bǔ)充，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┓蠂?guó)家標(biāo)準(zhǔn)的生活用水，能夠有效緩解該地區(qū)缺水問(wèn)題，促進(jìn)由于缺水問(wèn)題而擱淺的大型工業(yè)項(xiàng)目上馬，并增加就業(yè)。項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行后，可為當(dāng)?shù)氐膰?guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供可靠的水源保障，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和電廠開(kāi)創(chuàng)新盈利模式具有積極推動(dòng)作用。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

本項(xiàng)目滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)處理水量為30 000 m3/d，噸水投資費(fèi)用約8 000 元，主要工程及設(shè)備投資見(jiàn)表3。

表3 主要工程及設(shè)備投資Table 3 Major engineering and equipment investment

綜合考慮能耗、藥品、膜組件更換、人工、檢修維護(hù)等各方面因素（表4），本項(xiàng)目噸水運(yùn)行成本約4.2元，噸水電耗經(jīng)核算約4 kW·h，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，對(duì)電廠實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn)和轉(zhuǎn)型尋找到新的盈利點(diǎn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 主要運(yùn)行成本Table 4 Main operation cost

6 結(jié)論

本項(xiàng)目采用“V 型濾池+超濾+海水反滲透+淡水反滲透”全膜法工藝，通過(guò)在海水反滲透后增設(shè)淡水反滲透單元并將二者產(chǎn)水摻混，可保證夏季系統(tǒng)產(chǎn)水中硼質(zhì)量濃度低于1 mg/L；采用電解海水淡化后的濃鹽水制氯并用于原水殺菌，可以降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。經(jīng)核算，該系統(tǒng)海水淡化工藝噸水投資費(fèi)用約8 000 元，噸水運(yùn)行成本約4.2 元，噸水電耗約4 kW·h。

沿?；痣姀S擁有現(xiàn)成的取水設(shè)施和經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)維人員，電耗成本較其他水廠更有優(yōu)勢(shì)。采用海水淡化水供應(yīng)市政用水具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，可為沿海火電廠帶來(lái)新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。此外，火電廠相比其他海水淡化廠具有豐富的余熱資源和充沛的電力資源可供利用，今后新建海水淡化系統(tǒng)時(shí)也可對(duì)熱膜耦合海水淡化技術(shù)進(jìn)一步研究或選擇。