短程反渗透海水淡化工艺在海岛中的应用吴水波苏立永王生辉等

给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４４３　　　短程反渗透海水淡化工艺在海岛中的应用　　　（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津　３００１９２）　　摘要　根据海岛海水淡化的应用环境，分析了海岛对集约型海水淡化工艺的需求，提出了短程反渗透海水淡化工艺，从工艺原理、技术特点及在海岛中的应用优势进行了阐述，并通过３００ｍ３／ｄ的工程案例从反渗透产水水质、压差能量回收装置性能和系统能耗等方面考察了短程反渗透海水淡化工艺的运行效果，处理效果验证了该工艺的可行性和技术优势。关键词　短程反渗透　海水淡化　海岛Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ?ｒａｎｇｅ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｏｓｍｏｓｉｓ　ｓｅａｗａｔｅｒｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｎ　ａｎ　ｉｓｌａｎｄＷｕ　Ｓｈｕｉｂｏ，Ｓｕ　Ｌｉｙｏｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｓｈｅｎｇｈｕｉ，Ｍｏ　Ｙｉｎｇｈｕｉ（Ｔｈｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｅａｗａｔｅｒ　Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｕｔｉｐｕｒｐｏｓｅ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ＳＯＡ（Ｔｉａｎｊｉｎ），Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１９２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｓｌａｎｄ　ｓｅａｗａｔｅｒ　ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎ－ａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ　ｓｅａｗａｔｅｒ　ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ－ｒａｎｇｅ　ｒｅ－ｖｅｒｓｅ　ｏｓｍｏｓｉｓ　ｓｅａｗａｔｅｒ　ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ－ｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｉｓｌａｎｄ，ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ－ｒａｎｇｅ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｏｓｍｏｓｉｓ　ｓｅａｗａｔｅｒ　ｄｅｓａｌｉ－ｎａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｃａｌｅ　ｏｆ　３００ｍ３／ｄ，ｉｔｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｏｓｍｏｓｉｓ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃ－ｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｃｌａｉｍｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ，ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｔｒｅａｔ－ｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｈｏｒｔ－ｒａｎｇｅ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｏｓｍｏｓｉｓ；Ｓｅａｗａｔｅｒ　ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ；Ｉｓｌａｎｄ１　海岛海水淡化应用环境分析由于海洋经济和海岛开发意识淡薄，海岛经济社会发展相对迟缓，与隔海相望的大陆沿海地区存在明显差距，加之自然环境条件恶劣，海岛成为海水淡化的特殊使用对象。根据我国海岛的自然、社会环境等特点，表１从５个方面分析了海岛海水淡化的使用要求。通过表１可以看出，海岛海水淡化在应用环境和使用需求方面与大陆沿海地区存在显著差别，对装置海洋公益性行业科研专项经费项目（２０１４０５０３５）。性能要求更加苛刻，需要工程技术人员立足海岛特点，针对性开发初期投资小、建设周期短、运行费用低、操作容易、维护简单、空间节约的海水淡化工艺及装置。２　短程反渗透海水淡化工艺原理与技术特点２．１　工艺原理完整的反渗透海水淡化流程包括取水、预处理、脱盐和后处理等工艺单元，此处提出的短程反渗透海水淡化工艺是基于改进其核心单元脱盐工艺形成的新方法，不涉及海水淡化前处理和后处理等辅助工艺环节。常规反渗透海水淡化工艺流程如图１所示，经过预处理的海水经供水泵加压后分为两股水流，Ａ４４　　　给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４表１　海岛海水淡化使用要求分析项目海岛大陆沿海海岛淡化使用要求经济水平　经济发展迟缓，对海水淡化装置的经济承受能力相对有限　经济发展水平高，海水淡化经济承受能力较强　要求海水淡化装置投资小、建设周期短交通运输　①运输受船运限制，货物装运繁琐；②物流配送时效性、可靠性差　①运输途径多元化，交通便捷；②物流配送及时、可靠　要求海水淡化装置设备数量少、质量轻土地供应　土地供应紧张　土地供应相对宽裕　要求淡化装置紧凑、空间集约、占地小施工力量　施工机具有限，机械化程度低、调运困难　施工机具丰富，可随调随到　要求淡化装置安装量小、施工机具简单管理维护　文化教育落后，管理维护人员文化层次较低　文化教育先进，管理维护人员文化程度高　要求淡化装置故障发生率低，维修简单图１　等压式能量回收反渗透海水淡化工艺流程股海水经高压泵加压后输入反渗透膜组件进行脱盐处理；Ｂ股海水则先经等压式能量回收装置将原料海水加压后，再经过循环增压泵二次增压，才输入反渗透膜组件进行脱盐处理。所述等压式能量回收装置采用正位移原理，通过高压浓盐水在水压室内直接增压原料海水的方式来回收能量，水压室内的浓水与原海水分布于无杆活塞两侧。原料海水与浓水属于等流量交换过程。短程反渗透海水淡化工艺原理如图２所示，与常规反渗透海水淡化工艺不同，Ｂ股海水经压差式能量回收装置加压后，无需经过循环增压泵的二次增压即可满足反渗透进水压力要求，可直接输入反渗透膜组件进行脱盐。压差式能量回收装置的水压室内采用的是单杆活塞，通过活塞两侧面积及液体压力差产生推力，推动带杆活塞运动，从而实现反渗透浓水和原海水的能量交换，原料海水与浓水属于图２　压差式能量回收反渗透海水淡化工艺差流量交换过程。２．２　技术特点根据前述短程反渗透海水淡化工艺原理，总结该技术具有以下应用优势：（１）短程反渗透海水淡化工艺省去了原料海水的二次增压过程，比常规反渗透淡化工艺减少一个工艺环节，提高了系统整体运行效率。（２）短流程反渗透海水淡化装置无需配置增压泵及配套阀门管件等设备材料，减少了采购及安装时间及费用，节省了海水淡化设备初期投资和占地。（３）短流程反渗透海水淡化工艺紧凑，简化的设备配置降低了系统故障发生率，降低了后期维护成本。从以上分析可以看出，短程反渗透海水淡化工艺优势与前述海岛海水淡化需求非常吻合，是解决海岛海水淡化问题的优选方案。３　示范工程３．１　项目概述灵山岛是我国北方第一高岛，位于青岛胶南市，总面积７．６６ｋｍ２，距积米涯港约９海里，岛上电力由大珠山敷设的海底电缆供给。该岛为青岛周边重要旅游景点，常住人口２　７００余人。为缓解岛上居民的饮水困难，促进当地旅游业发展，胶南市政府出资建设了３００ｍ３／ｄ海水淡化工程，于２０１２年１１月正式竣工投运。３．２　工艺应用灵山岛海水淡化示范工程采用短流程反渗透海水淡化工艺，其工艺流程如图３所示。图３中海水经潜水泵加压后，首先进入自清洗过滤器进行一级预处理，然后进入超滤进行二级预处理，之后进入反渗透装置，其出水再经矿化、ｐＨ调节、消毒处理后进入灵山岛供水系统。３．３　设计参数与设备配置３．３．１　基本设计参数灵山岛海水淡化工程主要设计参数见表２。给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４４５　　　图３　灵山岛海水淡化工艺流程表２　灵山岛海水淡化工程主要设计参数项目数值项目数值海水含盐量／ｇ／Ｌ　３３产水规模／ｍ３／ｄ　３００海水温度／℃１０超滤回收率／％≥９０海水ｐＨ　８．２反渗透回收率／％≥４０产水含盐量／ｍｇ／Ｌ≤５００反渗透脱盐率／％≥９５３．３．２　主要设备配置（１）供水泵。设置１台由南方泵业有限公司生产的ＣＤＬＦ３２－３０ＦＳＷＬＣ型立式多级离心泵作为供水泵，材质为Ｓ３１６０３不锈钢，采用变频控制方式，流量３６ｍ３／ｈ，扬程４０ｍ，额定电压３８０Ｖ。（２）高压泵。设置２台由丹麦Ｄａｎｆｏｓｓ公司生产的ＡＰＰ８．２型柱塞式高压泵，流量８．２ｍ３／ｈ（１　８００ｒ／ｍｉｎ），最大扬程８００ｍ，最小进水压力０．２～０．５ＭＰａ，材质为ＳＡＦ２５０７不锈钢，噪声低于８０ｄＢ。（３）能量回收装置。设置１台由国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所自主研制的压差式能量回收装置，型号为ＤＰＥ３００，材质为２２０５不锈钢，流量２０ｍ３／ｈ，压力６．４ＭＰａ，主要部件为压力交换液缸２支，附件活塞位置发讯传感器４支、两位五通换向阀１套、海水侧单向阀组４支，噪声低于８０ｄＢ。（４）反渗透膜组件。设置２４支由北京时代沃顿科技有限公司生产的ＳＷ２２－８０４０型海水反渗透膜元件，采用一级一段膜堆布置型式，装于４只膜压力容器内，合计膜面积８４４．８ｍ２，如图４所示。３．４　运行效果为全面考察短程反渗透海水淡化工艺的运行效果，从反渗透产水水质、压差能量回收装置性能和系统能耗等方面对其进行了总结。由于短程反渗透海水淡化的核心是压差式能量回收装置的应用，重点针对此装置进行了分析。图４　海水淡化装置现场３．４．１　产水水质脱盐是反渗透海水淡化系统的工艺核心，系统脱盐性能的好坏直接关系到产水能否满足饮用水水质标准。灵山岛示范工程产水水质和脱盐率监测数据如图５所示。图５　产水水质与反渗透脱盐率如图５所示，灵山岛反渗透海水淡化系统实际脱盐率在９９．１８％～９９．２１％，平均为９９．２％，脱盐性能非常稳定。系统产水电导率在３５７．３５～３７０．９５μＳ／ｃｍ，平均为３６４．１１μＳ／ｃｍ，折合溶解性总固体为１８２．０６ｍｇ／Ｌ，符合生活饮用水标准相关规定［１］。３．４．２　能量回收装置压力输出特性短程反渗透海水淡化的关键是压差式能量回收装置的使用，压差式能量回收装置的性能直接影响到系统整体可靠性和运行经济性。由于压差式能量回收装置采用双液缸交替运行方式，在方向控制阀换向时会存在一定的压力与流量波动，需要控制在合理范围内。如图６所示，压差式能量回收装置高压出水压力在５．１５～５．２９ＭＰａ，平均为５．２６ＭＰａ，换向压力波动率在０．１０ＭＰａ／ｓ，发生在测试时间的第２ｓ和第１２ｓ，与能量回收操作运行周期２０ｓ同步，波动范围较小，能够满足反渗透膜进水要求。４６　　　给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４图６　能量回收装置高压出水压力输出变化曲线３．４．３　能量回收装置流量输出特性如图７所示，压差式能量回收装置高压出水流量在１７．５～１７．５４ｍ３／ｈ，平均为１７．５３ｍ３／ｈ，流量相对波动率没有压力相对波动率明显，这与国外研究得出的结果一致［２］。图７　能量回收装置高压海水流量输出变化曲线３．４．４　能量回收装置有效能转换效率分析有效能转换效率是衡量能量回收装置性能优劣的首要指标，为能量回收装置输出的高压能量总和与输入的能量总和的比值，如式（１）所示，有效能转换效率变化曲线见图８。Ｅ＝ＰＨｏＱＨｏＰＬｉＱＬｉ＋ＰＨｉＱＨｉ（１）式中　Ｅ———能量回收装置有效能转换效率，％；ＰＨｏ———装置高压出口压力，ＭＰａ；ＱＨｏ———装置高压出口流量，ｍ３／ｈ；ＰＨｉ———装置高压进口压力，ＭＰａ；ＱＨｉ———装置高压进口流量，ｍ３／ｈ；ＰＬｉ———装置低压进口压力，ＭＰａ；ＱＬｉ———装置低压进口流量，ｍ３／ｈ。如图８所示，能量回收装置的有效能转换效率在８７．７６％～９２．０７％，平均为９０．８２％。与国外能量回收装置效率相当。３．４．５　运行能耗（见表３）图８　能量回收装置有效能转换效率变化曲线表３　运行能耗项目供水泵高压泵１高压泵２合计平均功率／ｋＷ　３．９９　１５．６１　１５．６１　３５．２１单位功率／ｋＷ·ｈ／ｍ３　０．３２　１．２３　１．２３　２．７８　注：仅统计反渗透系统脱盐段的能耗，其他工艺段能耗均未涵盖。从表３可以看出，短程反渗透海水淡化工艺系统运行能耗为２．７８ｋＷ·ｈ／ｍ３，取得了预期效果。４