海水淡化工程技术与工艺

《海水淡化工程技术与工艺》之读书笔记、第一章：水资源水资源的定义：广义的来说，水资源为一切可被人利用的天然水，包括于人类所及空间各种相态的水。联合国教科文组织和世界气象组织在1998年定义的水资源为“作为资源的水应当是可供利用或有可能利用，具有足够数量和可用质量，并可适合某地水的需求而能长期供应的水源。”我国对水资源的理解在《中国大百科全书》中，在“大气科学，海洋科学，水温科学”卷中将水资源定义为“地球表层可供人类利用得水，包括水量，水域和水能资源，一般指每年可更新得水量资源”。水资源的特性：水资源是人类社会赖以生存和发展不可替代的自然资源；水资源是循环再生的资源，在一时间限度内是有限的；水资源具有很强的时间性，具有动态变化特性；水资源具有区域特色；水是一种特殊的资源，同时具有生态效益，社会效益和经济效益；水资源可以重复利用，这也是区别其他自然资源的又一特性。世界水资源问题：世界水资源总量为410220亿万立方米，人均水资源总量为7342立方米。1995年，全世界水资源利用量38000亿立方米，消耗量21000立方米，其中农业用水25000亿立方米。全球供水安全面临严峻挑战；水资源短缺日益成为全球性的问题；世界水资源状况趋于恶化。中国的水资源概况：中国水资源总量为2.8万亿立方米，其中地表水2.7万亿立方米，地下水0,83万亿立方米，由于地表水和地下水相互转换，互相补记，扣除两者重复计算量0.73万亿立方米，与河流径流不重复的地下水资源约为0.1亿万立方米。中国目前有十六省人均水资源低于严重缺水线，有六个省、区人均水资源量低于500立方米。我国水资源总量并不丰富，人均占有量更低，人均占有量为2240立方米，低于全球人均的1/4，在世界银行连续统计的153个国家中居88位。我国地域分配不均，水土资源不相匹配。年内年季分配不均，旱涝灾害频繁。在我国水资源开发利用中存在的主要问题包括供需矛盾日益加剧，区域和行业市场问题，用水效率不高，水环境恶化，水资源缺乏合理配置，经济发展与生产力布局考虑水资源不够。原水的组成包括河流水和海水。对于河流水化学主要研究河流水矿化度、总硬度、总碱度、PH、主要离子等特征值的形成、分布、时空变化规律及其影响因素的一门学科。河流水研究内容包括天然水成为溶剂的理论基础，河流水化学成分的形成过程及其变质作用，河流水化学成分的分析方法与技术，河流水化学动态及其自然地理条件和生物环境的关系，等等。硬水和软水硬水是含有钙盐和镁盐的天然水。在硬水中，钙、镁可以以碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、氯化物和硝酸盐等形式存在。当硬水中钙和镁以碳酸氢盐形式存在时，称为暂时硬水，当这种硬水加热煮沸时，碳酸氢盐会分解成碳酸盐而沉淀除去。如果硬水中钙和镁主要以硫酸盐、硝酸盐和氯化物等形式存在，则称为永久硬水，不能通过加热煮沸的方式除去。硬水中的钙盐和镁盐能与肥皂作用，生成不溶性的硬脂酸盐，减低肥皂的去污能力。硬水中含盐量通常以硬度来表示。硬度单位常用“度”表示，一度相当于每升水中含10mg的CaO，生活饮用水的总硬度要求小于25度。软水是只含少量可溶性钙盐和镁盐的天然水，或是经过处理的硬水。天然软水一般是指江水、河水、湖水。经软化处理的硬水指钙盐和镁盐含量降为1.0~50mg/L后得到的软化水。软水的处理方法如下：①石灰-苏打法先测水的硬度，然后加入定量的氢氧化钙和碳酸钠，硬水中的钙镁离子便沉淀析出。②磷酸盐软水法对于锅炉用水，可以加入亚硫酸钠作为软水剂，它与钙、镁离子形成络合物，在水煮沸是钙、镁离子不会以沉淀析出析出，从而不会形成水垢。③离子交换法沸石和离子交换剂虽然都不荣誉水，但其中的钠离子和氢离子可与硬水中的钙、镁离子发生交换反应，是钙、镁离子被沸石、人造沸石、离子交换剂吸附而被除去。长期使用后失效的沸石和离子交换剂可以通过再生而重复使用，故此法既经济又先进的软水法。海水化学资源的开发价值与淡化海水的开发世界上海洋面积占地球总面积的71%，海水总体积约为1.37乘以10^20立方米。海水中目前可测定的元素有80多种，他们主要的存在形式是简单离子和配合离子。在海水浓缩结晶的过程中，这些元素以盐的形式析出，成为化学化工原料。海水是一种非常复的多组分、多相水溶液，除水之外，还包括占溶解成分99.9%以上的11种元素、丰富的微量和痕量元素、各种营养盐成分、有机物、溶解在海水中的气体以及悬浮于海水中的颗粒物质。在海水中，各种元素都是以离子、分子以及化合物的形式存在，这些元素构成了人们所说的海水化学资源。元素在海水中的逗留时间。元素在海水中并不是永久存在，当元素以盐分的形式从内陆河流转移到海洋时，它们在海水也不是固定不变的，而是不断地向海底沉积。不同的元素沉积速度不同，Barth在1952年提出的元素在海水中的逗留时间t的概念，t=海水中某元素的总量除以该元素每年进入海洋的量。海水中的微量元素是除十四种主要元素浓度大于1mg\kg以外，其余元素浓度都小于此值，所以把这些元素称为微量元素。微量元素在海水中主要存在形态包括自由金属离子，无机离子对和无机配合物，有机配合物，结合在高分子有机物质上，形成高度分散的胶粒，被吸附在胶体上，存在于沉淀物、有机颗粒和残骸等悬浮颗粒之中海水中微量元素的来源主要有两种：a.外界影响因素将陆地上的产物输入到海洋中；b.海水通过高温热液活动与新形成的地壳之间的相互作用。海水中微量元素的迁移包括浮游生物的吸收，有机物物质的吸附，水合氧化物和黏土矿物的吸附，将微量元素与铁锰结核结核等四种方式。微量元素含量和分布主要受生物过程、吸附过程、海-气交换过程、热液过程、海水沉积物界面交换过程的影响。海洋的放射性主要来源于天然放射核素和人工放射核素。天然放射性核素包括海水中三大天然放射系，铀系、锕系、钍系，共三十八中元素和宇宙射线与大气元素或其他物质作用的产物。人工放射性核素当主要是当核武器爆炸或原子能发电站释放核能时，会产生多种放射性核素。淡化海水的开发：一是具有丰富的天然物质，比如海水和其中化学元素。二是具有天然物质的宽阔选择范围。三是具有未受污染的纯净水源。第二章：海水淡化技术设计海水淡化即利用海水脱盐生产淡水。这是实现水资源利用的开源增量技术。可以增加淡化总量，且不受时空和气候的影响，水质好，价格趋于合理们可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。海水淡化方法的优劣要从规模大、能源费用、海水水质、气候条件以及技术与安全性等实际条件而定。海水淡化的前处理和后处理技术。海水淡化未来主要以低温多效蒸馏法和反渗透膜法为主导方向。目前，全球淡化海水技术超过二十余种，包括反渗透法、低温多效、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏法、露点蒸发法、水电联产、热膜联产以及利用核能、太阳能、风能、潮汐能海水淡化技术等，以及微滤、超滤、纳滤等多项预处理和后处理工业。从大的分类主要包括蒸馏法和膜法两大类。反渗透海水淡化技术经过五十年的不懈努力，已经取得了相当大的进步目前反渗透膜与组件的生产已经相当成熟，膜得脱盐率高于99.3%，透水通量大大增加，抗污染抗氧化能力不断提高，销售价格稳中有降。反渗透的给水预处理工艺安全，高压泵和能量回收的效率也在不断提高。（反渗透海水淡化技术的国际现状）我国的反渗透海水淡化工程的现状：①．高压泵的选择我国目前投运的三个海水淡化工程有两个使用了高速离心泵作为高压泵，另外一个使用了三柱塞泵。但镇的海水淡化高压泵曾发生抱轴现象而被更换，长海县的高压泵运转噪声高达105db，超过了我过的往复泵的噪声标准，且在运转过程中发生了高压泵的弹簧断裂导致设备停机，由于没有备品卑贱供应，在大连加工了同等弹簧才解决了问题。目前正在投入运行的多级离心泵使用效果有待验证。根据不同的淡化规模选择高效率、合理的高压泵是海水淡化需要解决的问题。②．预处理工艺有待优化对于不同的海水水质，如何优化预处理的工艺流程，恰当地选择预处理滤素从而达到预处理质量、降低过程造价和预处理成本的目的，是反渗透海水淡化工程设计和设备供应商需要解决的技术问题。③．设备和管道腐蚀防护水平有待提高反渗透海水淡化由于海水的腐蚀性强、工程难度大而有别于苦咸水淡化，工程设计和设备供应单位对此给予高度的重视。④．工程设计和设备供货的资质需要规范海水淡化技术是海洋资源利用的重要领域，海洋开发的特点是高投资、高风险、高利润。海水淡化的工程设计和设备供货是结合多种海洋学科、材料与防腐等技术在内的综合技术。目前我国很多企业的介入，在推动该行业技术进步·的同时，也带来了无序竞争，使海水淡化技术市场优良不起。如果不加强管理，规划工程设计和设备供货的资质，建设单位从地区利益和眼前利益出发选择设备供货和工程设计单位的结果，将会对工程损失和制约行业的健康发展。⑤．反渗透处理系统的设计包括预处理系统的设计和反渗透预处理系统的设计原则及综述。预处理系统的设计目标要求有高效的反渗透膜系统。高效的反渗透膜系统要求操作压力大低，膜造价小，而且要保障脱盐率和回收率最大化。优化设计的标准和各个运行参数的重要水的自身特点的限制。举例说明，从难溶盐和胶体污染角度考虑，多段的反渗透系统回收率肯达到88%，一只膜元件流程的系统即使不会结垢且SDI为30.3~0.5没有问题，但系统回收率只有15%。另外在反渗透预处理系统的设计原则及综述方面包括水中存在的难溶无机盐类成分的反渗透预处理系统设计、针对原水溶解硅含量较高的反渗透预处理系统的设计、针对原水含量金属氧化物的反渗透预处理系统的设计、针对原水含有天然有机物的反渗透预处理系统、针对原水是含有微粒和胶体的地表水的反渗透系统的预处理、针对原水中含有细菌及微生物或系统已有微生物滋长的反渗透预处理系统设计、针对原水是较差的城市自来水或自备水源的反渗透预处理系统的设计、针对原水是处于还原状态且含有二价铁，锰和硫化氢及铵盐的反渗透预处理系统的处理和针对原水中可能含有微量油和脂的反渗透预处理设计。海水淡化工程的理论耗能量的设计在整个成本构成中，能源消耗约占50%左右，融资成本以及人工、维护、配件成本占25%。为降低成本，水电联产和热膜联产都得到了广泛的应用。所谓水电联产是利用电厂产生的蒸汽和电力，为海水淡化装置提供动力。热膜联产，则采用热法和膜法像联合的方式，满足不同用水需求，以最大限度地降低海水淡化成本。我国海水淡化过程的能耗与技术目前经济性是决定其广泛应用的重要因素。（淡水取用方式：地下取水、远程调水、海水淡化）对于海水淡化，能耗是决定其成本高低的关键。由于具有溶解固体的高浓度，一般海水淡化比咸水的更昂贵。淡化还需要花费能量把水传送给它的最终用户，对于许多水系统来说，这些能源成本都是最大的单独花费。海水淡化过程的经济比较膜法和热法的处理工艺反渗透海水淡化处理工艺采用沉淀池+叠片式过滤器+超滤+反渗透海水淡化本体系统（保安过滤器、高压泵、能量回收装置、增压泵）。低温多效蒸发器海水淡化处理工艺采用沉淀池+隔网过滤器+离子扑捉器+低温多效蒸发器本体海水淡化系统。两种处理工艺，以系统生产淡化水10万吨\天的规模进行比较。运行成本有药品消耗量、电力消耗量、工资福利费用、检修维护费、膜元件更换费用等组成；综合经营成本由运行成本、流动资金贷款利息、固定资产折旧费用、银行贷款利息等组成。综合经营成本与工程动态投资费用有关，工程动态投资费用由设备投资、建设期贷款利息、土建及地基处理费用等组成。因此，仅对膜法和热法的运行成本进行估算，这也能极大反映综合经营成本，足以对膜法和热法经济效益做出正确的判断。具体比较缩略。去硼膜减少了反渗透海水淡化的费用第三章：原水预处理和后处理新技术于新工艺工艺流程海水——自然沉淀池——海水泵淀——射流器淀——斜板沉淀池——砂滤器淀——出水（在射流器那有杀菌剂+混凝剂到计量泵淀——射流器淀）这是天津科技大学改良后的海水淡化工艺流程。原海水预处理技术新的改进方法加药后混合效果的重要影响因素之一是流速，在高浊度海水中，泥沙浓度很高，更应该强调混凝剂的快速、均匀，使药液与悬浮颗粒充分接触。药液头家浓度很高时，会发生两种高浓度液相的自我封闭现象，很难瞬时混合。降低配置药液浓