滄州某國產化節能型反滲透海水淡化工程設計

宋瑞平，張建中，張希建，何欽雅，翁曉丹，陶如鈞

（1.中國農業大學資源與環境學院，北京100193；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州311122）

1 引言

截至2020年年底，我國已建成海水淡化工程約123個，總規模約1.65×106t/d，已擁有較強的大型海水淡化工程設計與建設能力，具備規模化發展的產業基礎[1]。成本和投資費用過高一直被視為海水淡化難以在國內大規模推廣使用的主要問題。本文介紹了滄州某海水淡化工程的工藝設計、設備配置以及運行情況，以期為類似工程提供參考。

2 工程概況

滄州某海水淡化工程位于河北省滄州市渤海新區中捷產業園，占地總面積約為11.62 hm2（174.29畝），按遠期總產水1×105m3/d規模征地，一期一階段產水規模為2.5×104m3/d。公司與上下游企業形成了可持續發展的良性產業鏈，淡化水直供石化園區，濃鹽水供給中捷鹽場曬鹽。

3 工藝流程

滄州某海水淡化工程工藝流程如圖1所示，分為海水取水、海水預處理、一級反滲透海水淡化、二級反滲透脫硼和產水后處理五大部分。

圖1 海水淡化工藝流程圖

4 工程設計

4.1 海水取水

采用岸邊取水方式，建半地下式取水泵房1座，取水泵房按5×104m3/d海水淡化規模設計，一階段先安裝3臺立式軸流泵流量Q=1 500 m3/h，揚程H=15 m，電機功率P=132 kW，材質為雙相鋼SS2205。為防止取水管道藻類和貝類的滋生堵塞管道，采取次氯酸鈉間歇式投藥。

4.2 海水預處理

4.2.1 絮凝反應斜管沉淀池

設置1座絮凝反應斜管沉淀池，單座設計海水處理量2 900 m3/h，分2格。總絮凝時間20 min，每組反應池分為3段。沉淀池設計清水區上升流速約2.1 mm/s，斜板沉淀池平面尺寸為L×B（長×寬）=12.20 m×13.05 m，池高H=7.0 m，表面負荷6.5 m3（/m2·h）。經過處理后，產水濁度控制在5FTU以下。

4.2.2 無閥濾池

設置2座無閥濾池，單座設計海水處理量1 450 m3/h，每座無閥濾池由4個無閥濾池組成。每個無閥濾池外形尺寸為10.5 m×5.5 m，內部為雙室結構，填裝φ0.6～φ1.2 mm石英砂濾料，濾料厚度為700 mm，單室過濾面積為4.7 m×4.7 m，設計濾速7.3 m/h，每套無閥濾池出水量約390 m3/h，產水濁度控制在1 FTU以下，出水利用高位差直接流入海水清水池。

4.2.3 壓力式砂濾器

配置44臺φ3 200 mm壓力式砂濾器，每臺設計產水量60 m3/h，設計流速7.5 m/h。每臺濾器配置流量計，進出水壓力儀表和手動、氣動調節閥門，濾器內填裝不同級配的石英砂。出水淤泥密度指數（SDI值）控制在5以下，達到反滲透膜元件進水水質要求。

4.3 一級反滲透海水淡化系統

4.3.1 海水反滲透膜裝置（SWRO）

一期一階段25 000 m3/d海水淡化系統分成5套海水反滲透膜裝置，每套裝置產水5 000 m3/d。經反滲透專用軟件計算，反滲透膜采用一段排列，每套裝置配置64根7芯8寸（26.67 cm）玻璃鋼壓力膜殼，488根海水反滲透膜元件，單支膜元件穩定脫鹽率達99.75%。

4.3.2 SWRO高壓給水系統

高壓泵選用5臺國產的多級離心泵進水量Q=220 m3/h，揚程H=600 m，電機功率P=545 kW，效率為80%，材質為2507SS，變頻驅動。能量回收裝置選用壓力交換式能量交換器，其中，3套選擇國產IPX-66能量回收裝置，每5臺IPX-66組成一套能量回收裝置，能量回收效率為90%～95%，材質為超級雙相不銹鋼和高分子復合材料。壓力提升泵選用5臺國產的臥式離心泵Q=310 m3/h，H=38 m，P=55 kW，材質雙相鋼2507，變頻驅動。

4.4 二級反滲透脫硼系統

為了確保淡化水硼離子小于0.5 mg/L，同時最大程度上降低投資和運行成本，本工程將一級海水反滲透裝置設計成雙端產水，對后端產水（約50%）進行二級反滲透脫硼處理后，與一級前端產水進行勾兌。

4.4.1 二級反滲透膜裝置（BWRO）

二級反滲透裝置共分成2套，每套裝置產水量為280 m3/h。經計算，每套淡水反滲透裝置配置32根7芯膜殼，294根反滲透膜元件，采用2∶1排列。為提高反滲透膜脫硼效果，二級反滲透膜裝置進水前投加NaOH，調節二級進水pH值約為10.5。

4.4.2 BWRO高壓泵

在25℃時，BWRO反滲透裝置進水量為300 m3/h，操作壓力約為0.8～1.5 MPa。選用2臺多級離心泵Q=300 m3/h，H=150 m，P=185 kW，變頻驅動。

4.5 產水后處理及供水

4.5.1 淡化水后處理

采用溶解礦物質法，設計后礦化池1座，外形尺寸為7 m×20 m，處理水量25 000 m3/d，內部裝有5個石灰石池，每個石灰石池有效面積20 m2。經過后處理調質，反滲透產水pH值提高到7.5±0.3，硬度提高到（80±10）mg/L[2]。

4.5.2 供水系統

設置3臺（2開1備）供水泵，采用單級離心泵Q=420 m3/h，H=20 m，P=37 kW，材質為316L不銹鋼，變頻驅動。在水泵出口投加次氯酸鈉殺菌劑。

5 設計特點

1）本工程采用國產IPX外驅動轉子式能量回收裝置，經現場檢測能量回收效率達94.89%，同比進口產品能量回收效率提高2.36%，實現了國產能量回收裝置在大型海水淡化工程中的示范應用。

2）本工程采用雙端產水高效脫硼工藝，一級反滲透裝置采用雙端產水，前段產水直接進后處理系統，后端產水經過二級反滲透處理后進入后處理系統。與常規工藝相比，雙端產水脫硼工藝可以減少二級系統處理規模約50%，減少二級系統建設投資成本50%，減少二級系統運行成本約40%[3]。

圖2 反滲透雙端產水脫硼工藝示意

3）本工程采用變負荷運行策略，智能控制系統可根據當日供水需求表進行供水規劃，合理利用峰谷電電價不同，在保障供水安全情況下，最大程度上節省電費成本。工程最大供水能力為25 000 m3/d，實際供水量約15 000 m3/d，實際運行中，尖峰和高峰電價時段設備盡量停運，平段電價時間設備盡量處于低負荷運行，低谷電價時段設備滿負荷運行。通過合理利用低谷電價優惠政策，節省電費約20%。

6 工程效益分析

6.1 運行效果

工程于2021年3月1日開始為中捷石化園區連續供水，經過10個月的連續運行表明，設備運行穩定，系統參數正常，自動化程度高。經測算，工程本體制水能耗2.30 kW·h/m3，總制水能耗為2.98 kW·h/m3，海水反滲透膜系統脫鹽率達99.4%以上，二級淡水反滲透膜系統脫鹽率達97%以上，成品水符合GB 5749－2006《生活飲用水標準》的要求。系統運行參數詳見表1。

表1 系統運行參數

6.2 經濟性分析

能量回收裝置、高壓泵是海水淡化關鍵設備，約占設備總投資的30%。本工程能量回收裝置、高壓泵由于采用國產化節能高效設備，造價僅為進口同類設備的50%，使設備總投資下降15%以上。按海水淡化供水量15 000 m3/d計算，海水淡化綜合制水成本為4.18元/噸水，其中設備折舊1.5元/噸水，占總成本的35.9%。

7 結論與建議

通過對滄州某海水淡化工程10個月連續運行表明，在渤海低溫低濁度海域，采用“混凝澄清+無閥濾池+壓力式砂濾器+一級海水反滲透+二級反滲透脫硼+后處理”工藝是十分合適的，也是經濟可靠的。

該工程采用國產節能高效的能量回收裝置、高壓泵等關鍵設備，售價僅為進口同類設備的50%，設備造價同比下降15%以上，且工程總制水能耗2.98 kW·h/m3，綜合制水成本僅為4.18元/t，達到國內外先進水平。

該工程通過采用變負荷運行策略，合理利用低谷電價優惠政策，節省電費約20%。建議有閑置產能的海水淡化廠，可以充分利用峰谷電和變負荷運行策略，從而部分彌補設備閑置造成的折舊損失。