海水淡化工藝設計與經濟分析

呼永鋒　丁曉玨（中國中元國際工程有限公司，北京　100048）

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海水淡化工藝設計與經濟分析

呼永鋒丁曉玨
（中國中元國際工程有限公司，北京100048）

摘要：以珠海市十字門水道的海水淡化處理為例，介紹了該區域的原水水質情況及出水水質要求，從海水取水、預處理、系統控制等方面，闡述了反滲透海水淡化工程的工藝設計流程，并對其運行成本及經濟效益進行了分析，指出采用反滲透膜處理淡化法可滿足該區域中水給水的使用要求。

關鍵詞：海水，反滲透海水淡化，工藝流程，經濟效益

1　概述

海洋具有巨大的寶庫，蘊藏著淡水、能源等多種可再生資源。海水利用具有不移民、不淹地、不爭水、環境問題相對簡單等顯著優點。

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

2　水量與水質

2.1水量

區域平均日中水給水用水量為3 581 m3/d。在區域設置一座海水淡化廠，日產水量3 600 m3，滿足本區域中水給水系統的使用要求。

2.2原水水質

新建海水淡化廠，則海水水源為十字門水道的海水。

十字門水道基本水質如下：無機氮含量、非離子氨、COD質量濃度均屬于Ⅳ類標準；磷酸鹽含量則屬于Ⅲ類標準；全年各月份水體的富營養化指數E＞1，全年平均高達184.86，是嚴重富營養化水體。這是因為十字門水道位于珠江口，兩岸分別為珠海的橫琴島和澳門的路環島和凼仔島，城市排污以及河流入海帶來的污染物必然會增加其水體的營養負荷。

由于暫時無法取得該水處理工程準備使用的原海水水質情況，暫時按照世界平均海水含鹽量（TDS）約35 000 mg/L作為設計依據。

2.3出水水質要求

海水淡化后出廠水質達到國家GB/T 18920—2002城市污水再生利用城市雜用水水質標準中對水質要求最嚴格的車輛沖洗水質標準對本區域的中水給水系統供水，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工藝設計

反滲透膜處理淡化法是一種先進的膜分離技術。這種技術使欲分離溶液的某些成分在壓力作用下，透過具有選擇性半透膜——反滲透膜，在膜低壓側和常溫下收集透過物，在膜高壓側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、海水預處理、反滲透海水淡化、產品水后處理和系統控制五個部分，具體流程見圖1。

圖1　工藝流程圖

3.2處理單元介紹

3.2.1海水取水

取水口設在離岸100 m遠的海中，用管道接至取水泵房。通過真空泵抽出引水管中的空氣，然后啟動取水泵將海水通過地下管路送到廠區。

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），通過原水泵加壓后輸送預處理水處理裝置。

3.2.2海水預處理

反滲透水處理系統進水要求見表1。

表1　進水水質

反滲透海水淡化過程中，由于水中懸浮物和成垢組分對膜造成污染，導致膜性能下降或損壞，必需預先除去這些有害組分。預處理主要解決問題有：沉淀結垢、有機物污染、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。

混凝過濾：旨在去除海水膠體、懸浮雜質，降低濁度。混凝劑選FeCl3。

防止結垢沉淀：在淡化過程中濃縮會產生難溶無機鹽沉淀，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合阻垢劑。

過濾器過濾：為了提高進水水質，降低進水濁度，常在混凝過濾之后加砂濾過濾器，使水中的微小懸浮物和顆粒物進一步去除。

3.2.3反滲透海水淡化

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

反滲透海水淡化工藝主要包括海水預熱系統和反滲透脫鹽系統兩部分。海水預熱系統在低溫時使用，以滿足系統的最低溫度要求。由于十字門水道水溫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熱系統，盡管運行溫度不是最理想的，但是也不會因為升溫產生高溫濃海水對海域造成不良影響。

反滲透脫鹽系統主要包括高壓泵、增壓泵、壓力式能量回收裝置、滲透膜組等。

3.2.4產水后處理

反滲透產水經空塔濾器過濾后，通過計量泵在產水管路中投加NaOH溶液，以提高產水pH值，產水輸送過程中投加ClO2殺菌劑，以保持供水的衛生要求。

3.2.5變頻給水機組

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

3.2.6系統控制

控制系統對各工藝單元進行協調、管理、控制，監控現場參數的實時顯示、記錄以及整個系統的運行狀況，保證系統正常、穩定的運行。

3.3主要設備與運行

本文提供3 600 m3/d反滲透海水淡化水處理系統的設計，兩套75 m3/h海水淡化水處理設備系統采用國際最先進的反滲透技術，經過優化系統設計而成，能將海水直接淡化成市政用水。單套設備配電：200 kW，380 V×50 Hz，占地面積12 m×8 m。

該海水淡化水處理設備能夠有效地去除海水中的無機鹽、重金屬離子、有機物細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標準市政中水回用水。

整套系統為全自動運行，具備遠程監控，人機界面控制。該套系統預處理中的砂濾水處理系統采用組合閥，實現大流量反沖洗以及正洗全過程。系統中處理單元（潛水泵、多介質過濾器）啟動后，反滲透裝置啟動并調節至正常產水后設置為自動狀態。當儲水箱液位高位信號傳輸到主機后，則反滲透裝置自動停止，依次供水泵停止。當儲水箱水位到中位時，并將液位信號傳輸到控制系統后，潛水泵、反滲透裝置依次啟動。膜系統的清洗通過清洗系統獨立運行（一般停機后有自動清洗，定期采取藥劑半自動清洗）。

該套水處理系統管路全部采用耐腐蝕材料，保證了全套水處理系統的經久耐用。主機反滲透系統采用了最先進的反滲透系統軟件和優質的膜元件，根據水處理設備的產水量結合高效獨特的技術設計而成，保證了系統運行的低能耗。整套水處理系統的管理中配備了先進的流量、壓力等控制儀表和泄壓閥、排放管路，能夠保持整個水處理管路系統運行平穩、安全，保證了系統維護安全，方便可靠。

4　經濟分析

4.1成本分析

設備初期投資一次性1 497.4萬元，運行費用見表2。

表2　分項運行費用表　元/m3

總計噸水運行費用：

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

4.2經濟效益分析

年運行天數365 d，每天正常產水量3 600 m3，運行費用、節約水費與支出費用如下：

1）年運行費：

5.672×3 600×365/10 000 = 745.236萬元/年。

2）節約自來水費：

2.43×3 600×365/10 000 =319.302萬元/年。

3）每年實際支出費用：

745.236 -319.302 =425.934萬元/年。

5　結語

水資源短缺作為制約經濟發展的主要障礙，中水水源應綜合考慮區域環境特點，還需與其他中水處理工藝進行經濟技術比較后，才可以實現水資源高效經濟的利用，最終緩解沿海缺水地區的水資源緊缺的問題。在本區域設置一座海水淡化廠站，以十字門水道的海水作為水源，可以滿足本區域中水給水的使用要求。

參考文獻：

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

［2］阮國嶺.海水淡化工程設計［M］.北京：中國電力出版社，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

中圖分類號：TU991.2

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0110-03

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：呼永鋒（1984-），男，碩士，工程師