·新能源·海水淡化预处理系统选择

　第３０卷第５期华电技术Ｖｏｌ．３０　Ｎｏ．５　　　２００８年５月ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｙ．２００８　　·新能源·海水淡化预处理系统选择Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｏｆｓｅａｗａｔｅｒｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ孙育文，周军ＳＵＮＹｕｗｅｎ，ＺＨＯＵＪｕｎ（北京国电华北电力工程有限公司，北京　１０００１１）（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１１，Ｃｈｉｎａ）摘　要：介绍了海水淡化预处理的目的，分析了外部条件对海水淡化预处理的影响，详细论述了反渗透淡化原水预处理和蒸馏法淡化原水预处理的工艺流程。结合国内外海水淡化技术的发展现状，提出了采用原水混凝沉降除浊技术方案，对海水淡化工程的预处理系统选择提出了建议。关键词：海水淡化；预处理；外部条件，反渗透法；蒸馏法；工艺流程；系统方案中图分类号：ＴＱ０８５＋．４７　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００８）０５－００７６－０３Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｓｅａｗａｔｅｒｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎｗａｓｅｘｐｏｕｎｄｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｓｅａｗａｔｅｒｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｓｏｆｔｈｅｒａｗｗａｔｅｒｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｒｅｖｅｒｓｅｏｓｍｏｓｉｓｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｒａｗｗａｔｅｒｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄｂｙｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ，ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｔｕｒｂｉｄｉｔｙｒｅｍｏｖａｌｗａｓｐｌａｎｎｅｄｒｅｆｅｒｒｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｅａｗａｔｅｒｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ａｎｄｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｓｅｌｅｃｔｉｎｇｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｏｆｓｅａｗａｔｅｒｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔｓｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅａｗａｔｅｒｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ；ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｅｘｔｅｒｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｒｅｖｅｒｓｅｏｓｍｏｓｉｓ；ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ；ｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗ；ｓｙｓｔｅｍｓｃｈｅｍｅ收稿日期：２００８－０４－０２０　引言地球上的陆地淡水资源是很有限的，若过度开采地下水会造成地面沉陷、海水倒灌、土地盐渍化等严重后果。跨流域调水投资巨大，易受天气等条件制约，对生态环境的影响也有不少争议。如何解决淡水资源紧缺的问题，向海洋索取直接用水或淡水已经成为世界各国解决该问题的重要手段。我国是一个淡水缺乏的国家，人均占有量只有世界人均水平的１／６，而且南北分布极不均匀，已经成为制约经济快速发展的重要因素。我国是海洋大国，且沿海和中西部地区拥有极为丰富的地下苦咸水资源，在地下取水和跨区域调水受到越来越多的条件限制的情况下，开发利用海水和苦咸水资源，进行海水（苦咸水）淡化就成为开源节流、解决我国淡水紧缺的重要战略途径。目前，国际上已经把粮食、能源和水列为涉及国家安全的战略资源。水资源的可持续利用，是经济和社会可持续发展极为重要的保证。因此，能否成功找到一条水资源补充和可持续利用的有效途径，无论是国家对淡水资源的战略需求，还是对于缓解淡水资源短缺的严峻现实，都意义重大，势在必行。有一种说法：１９世纪争煤，２０世纪争石油，而２１世纪将争水。作为２１世纪一项新兴高新技术产业，海水淡化是解决沿海城市和地区淡水来源的一条重要出路。海水淡化，耗电耗能，成本虽高，但是意义重大，很有前景。有人估计，２１世纪是“海洋的世纪”，各国都要在海洋方面大做文章，其中海水淡化是个重头戏。目前，海水淡化作为一项高新技术产业，正在得到各国的重视，海水淡化产业具有重要和美妙的前景。随着世界上淡水资源的日益短缺，利用海水淡化技术从海水中制取淡水已成为弥补淡水资源不足　第５期孙育文，等：海水淡化预处理系统选择·７７·　的一种重要手段。海水淡化是指将盐的质量浓度很高的海水淡化至盐的质量浓度在５００ｍｇ／Ｌ以下的淡水。目前，世界上装机应用的海水淡化技术主要有反渗透法（ＲＯ）和蒸馏法，蒸馏法包括多级闪蒸（ＭＳＦ）、多效蒸发（ＭＥＤ）和压汽蒸馏（ＶＣ）等，而原水预处理则是保证海水淡化系统长期稳定运行的关键之一。１　海水淡化预处理的目的原水中有害物质包括悬浮物、胶体、铁锰盐、硬度、溶解气体、细菌和藻类等。水中的悬浮物及胶体在海水淡化过程中会沉积在受热面或膜表面，从而降低传热速度，缩短清洗周期，增加电耗或药品加入量，提高运行成本。水中的铁盐和锰盐一方面会降低水的电阻率，另一方面在空气中氧的作用下极易生成氢氧化物沉淀，堵塞水流通道、增加膜电阻、缩短膜的使用寿命。水中钙、镁等离子遇ＣＯ３２－和ＳＯ４２－易生成碳酸盐和硫酸盐沉淀，在ｐＨ值升高时还会生成氢氧化物沉淀，这些沉淀物同样会堵塞水流通道，降低膜的使用寿命，降低淡化效率。水中气体在海水淡化过程中，在传热面上积累而形成气膜，从而降低传热速度，Ｏ２则与金属发生腐蚀反应，损坏金属管道和设备。水中细菌与藻类在适宜的温度下，易在水体中、管道中、膜表面和淡化设备中大量繁殖，与水中悬浮物一起堵塞膜孔和管道，影响出水水质和产水量。因此，海水淡化前要去除原水水体中的悬浮物、胶体等杂质，并将水质软化，去除铁盐和锰盐，去除细菌、藻类等有害物质。预处理工艺的方案包括杀菌灭藻、凝聚澄清、过滤除浊、除气、软化等工艺步骤。２　外部条件对预处理系统的影响外部条件对预处理技术方案的影响很大。取水点的地质和气候条件会影响海水取水方式，从而影响海水预处理方案。渤海湾北部及其周围海域的水温，１年中有５～６个月在１１℃以下，冬、春季海上平均温度在－２℃以下，若采用反渗透工艺对这一带海域的海水进行淡化，由于低温下水的粘度增大，膜孔收缩，会使产水量大幅度下降，同时增加预处理难度。因此，原水预处理方案的选择需考虑外部条件的影响。应根据取水点的地质条件设置合理的取水方式，减少风浪、潮汐、季节对海水浊度的影响，如果是在沙质的海滩上，采用岸边打井的取水方式可以简化海水预处理工艺，从而整体降低工程造价。原水中悬浮物及含沙量、胶体、硬度、溶解气体以及细菌、藻类等有害物质会影响到淡化设备的正常运行，应根据原水水质情况及选定的海水淡化形式综合考虑海水预处理方案，设置相应的沉淀过滤、氧化曝气、杀菌灭藻、除气软化等设备，满足海水淡化设备对进水水质的要求。３　反渗透淡化原水预处理工艺流程反渗透淡化装置原水预处理的目的是预防生物污染和结垢，主要方法包括加氯杀菌、凝聚沉淀、多介质过滤、加酸调ｐＨ值、加阻垢剂、加还原剂、保安过滤等，它要求进水浊度低于１ｍｇ／Ｌ，污染指数达到２～３。建议的预处理工艺流程有以下几种方案：（１）海水（加杀菌剂、ＦｅＣｌ３、聚电解质）→絮凝槽→重力过滤器（加杀菌剂、还原剂）→活性炭过滤器（加硫酸、阻垢剂）→０．５μｍＭＦ筒过滤器→反渗透膜组件；（２）海水→９．５ｍｍ隔栅→双介质过滤器（加硫酸）→保安过滤器→软化器（加还原剂）→反渗透膜组件；（３）海水（加杀菌剂）→多介质过滤器（加ＦｅＣｌ３、还原剂）→多介质过滤器（加还原剂）→活性炭过滤器（加硫酸阻垢剂）→保安过滤器→反渗透膜组件；（４）海水（加杀菌剂、ＦｅＣｌ３）→多介质过滤器→自动冲洗过滤器→超（微）滤装置→保安过滤器（加硫酸、阻垢剂）→反渗透膜组件。上述流程可以根据水质情况合理优化。在反渗透膜淡化工程中，通常用污染指数ＳＤＩ值表征水质好坏，要求反渗透设备给水的ＳＤＩ值小于５（一般为３～５），一般通过混凝除去海水中的胶体、悬浮杂质、降低浊度；由于海水ｐＨ值较高，且水温季节性变化大，选用三氯化铁作为絮凝剂具有温度影响小、矾花大而结实、沉降速度快等优点。海水经管网中投加１．８ｍｇ／Ｌ的三氯化铁，混凝后采用双层滤料过滤和活性炭过滤，过滤出水的ＳＤＩ值控制在３～５之间；滤器采用钢衬板，外涂船用漆，过滤器直径２ｍ，内设ＡＢＳ水帽布水和不锈钢管排布气，滤速在７～８ｍ／ｈ；利用反渗透排放的浓缩海水作为过滤器反冲洗水，反洗周期约１８０ｈ。海水淡化过程因海水浓缩会产生难溶无机盐，如碳酸钙、硫酸钙等，在反渗透膜表面和系统管道件上结垢沉淀，投加六偏磷酸钠可以有效防止钙、镁沉　·７８·华电技术第３０卷　淀，但磷酸盐是细菌、微生物和藻类生长的营养剂，会加快这些生物的繁殖，比较经济的方法是加硫酸，调节反渗透系统的给水ｐＨ值在６．８～８．０之间，投加量约１．２ｍｇ／Ｌ［１］，分解海水中的重碳酸盐离子，防止碳酸钙沉淀，同时控制海水淡化系统水回收率，以防止硫酸根离子过量产生硫酸钙沉淀。采用纳滤膜软化技术可以有效防止硫酸钙、硫酸镁沉淀影响；保安过滤器采用滤孔为５μｍ，过滤进高压泵前的海水，阻挡海水中直径大于５μｍ的颗粒杂质，确保高压泵、能量回收装置和反渗透膜元件的安全、长期运行。新型的反渗透淡化系统的发展趋势是采用集成膜技术（ＩＭＳ），即将微滤（ＭＦ）、超滤（ＵＦ）、纳滤（ＮＦ）和反渗透（ＲＯ）组合起来，ＩＭＳ系统具有可靠性高、对原水的水质变化不敏感、操作费用低等优点［２］。４　蒸馏法淡化原水预处理工艺流程蒸馏法不受原水浓度限制，产淡水纯度高，且可充分利用廉价的热源，因此，该方法应用范围广，在现今海水淡化工程中占７０％以上。蒸馏法原水预处理的目的是防止海水淡化设备的腐蚀与结垢。有资料表明，当在５０℃条件下，海水浓缩倍数大于１．５和在８０℃条件下，海水浓缩倍数大于１．１以后，体系浓缩倍数越高，结垢倾向越大。将海水浓缩倍数控制在１．５～２．０条件下，加缓蚀剂、阻垢剂和杀生剂，可以极大减缓设备腐蚀、结垢和生物附着。阻垢剂可选用马来酸酐和聚羧酸酯，后者不仅能抑制结垢，而且具有分散悬浮物体的功能，可使多级闪蒸浓水温度范围达到９５℃～１１０℃。常规的蒸馏法海水淡化预处理系统可采用如下预处理流程：（１）海水（加杀菌剂）→沉沙池（加硫酸）→填料塔脱气（加聚羧酸酯）→多级闪蒸淡化装置；（２）海水（加杀菌剂）→沉沙池（加杀菌剂、ＦｅＣｌ３、聚电解质）→混凝沉淀设备（加阻垢剂）→多效蒸发装置。由于浓缩海水最高操作温度在１１０℃左右，多级闪蒸淡化装置增加了对传热管及设备本体的腐蚀性，必须采用价格昂贵的铜镍合金特种不锈钢及钛合金材料制作设备。同时，为了减轻传热管的结垢及腐蚀，对进入淡化装置的海水不仅需加酸软化，脱除二氧化碳，而且需脱除氧气。低温多效蒸发淡化装置中浓缩海水的最高操作温度在７０℃左右，结垢可能性极小，当海水浓缩倍数为１．８～２．０时，硫酸钙和碳酸钙也不会结晶析出，因此，进入装置的海水只需要加入微量阻垢剂，不需要加酸进行脱除二氧化碳和氧气的处理。５　结论与建议海水淡化预处理系统与需处理的原水水质情况、当地的地质与气象条件和海水淡化处理工艺有着密切的关系。因此，应根据具体情况，确定海水淡化预处理工艺，以保证海水淡化设备的正常运行，减少现场运行成本，降低投资成本。必要时可通过试验获得方案选择及设计的依据资料。建议在条件许可的情况下，设置合理的取水方式，以简化预处理工艺，降低预处理及工程投资。反渗透海水淡化系统可根据原水水质情况和淡化装置规模采用混凝、澄清、过滤、膜过滤、混凝与膜过滤联合技术作为预处理除浊工艺。蒸馏法淡化装置原水预处理工艺可根据原水水质及水质的变化情况确定。对于多级闪蒸淡化装置一般不需设置混凝沉淀处理设施，仅加酸脱气即可；对于多效蒸发（ＭＥＤ）工艺，一般采用混凝澄清和直流凝聚过滤工艺作为预处理方案，对于原海水水质满足淡化装置进水水质要求时，也可不进行预处理。参考文献：［１］高从