反滲透技術在以色列Ashkelon海水淡化項目中的應用
1 背景
地球上水體總量約為13．6×1012rn3，海水約占97．2％。在2．8％的淡水中，僅有0．23％可以被人類生命活動所利用。隨著世界各國經濟高速發展和人口的迅速增長與集中，對淡水的需求也日益增加，海水淡化作為未來沿海淡水資源開發的首選，將成為沿海地區解決供水不足的重要途徑之一[1]。膜法與其他海水淡化方法相比，具有投資少、能耗低、淡化成本低、建設周期短等優點，可用于各種濃度的海水淡化和建造不同規模的海水淡化工程。隨著膜技術的不斷發展，采用膜法進行海水淡化的投資和運行成本將不斷下降。
Ashkelon海水反滲透廠建成于2005年，是當時世界最大的采用膜技術進行海水淡化的工廠，目前該廠可提供飲用水量為33×104m3／d。該項目作為以色列2000年啟動的海水淡化規劃的一部分，旨在解決該國長期存在的供水問題。
Ashkelon海水淡化廠位于以色列南部地區，每年為南部城市提供1×108m3的飲用水，相當于以色列生活用水總量的15％。
Ashkelon海水淡化廠由VID海水淡化有限公司運營，該公司是由威立雅水務及其以色列合伙人(IDE技術有限公司和Elran基礎設施有限公司)組成的合資公司。25年的運營協議期滿之后，海水淡化廠將移交給以色列政府。該項目造價近2．12億美元，資金來源包括入股和貸款兩部分。
海水淡化廠包括膜海水淡化單元和海水提升、濃鹽水排放、原水預處理和產水后處理等設施，此外還建有一個專門的聯合循環燃氣輪機(聯合發電)發電廠，提供80 MW的電力，其中56 MW供海水淡化處理使用。
先進的反滲透技術和一流的能量回收系統的應用，降低了Ashkelon海水淡化廠的運營成本，其噸水處理成本為0．53美元／m3，為同類工藝噸水成本最低。
2 工藝設計
運行的連續性和可靠性是工藝設計的重點。由于該廠設計的飲用水生產能力是設想中的兩倍，因此該廠差不多由兩個獨立的部分組成，每部分提供165000 m3／d的飲用水。這兩部分共用海水取水系統、海水提升泵站和最終的后處理(再礦化和消毒)設施，這些設施和泵站都具備足夠的能力以確保各部分獨立運行。整個海水淡化系統平穩的運行和產水水質是由眾多因素所保證的，包括海水取水、海水預處理和后處理、連續的監控、基于多年經驗的工藝優化以及有效的系統維護。
Ashkelon海水淡化項目的處理工藝包括5個主要部分，工藝流程如圖1所示。
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2．1海岸取水設施
考慮到工廠選址的限制和處理量的規模效應，選用了敞開、浸沒式的取水裝置，包括3條平行的高密度聚乙烯管道(管徑為DN1 600，長度為1 km)，以及為了保證安全取水的特殊構造。聚乙烯管道便于清潔，對海洋生物的生長具有一定的抑制作用。
2．2海水取水與預處理
進水泵站配有5臺流量為35000m3／h的立式泵，通過兩根管線將海水送到預處理設施，每根管線對應著20個雙層濾料重力濾池。過濾前添加化學藥劑，并通過靜態混合器混合。在預處理階段采用硫酸亞鐵作為混凝劑、硫酸作為pH調節劑，以便在預處理階段有效地降低SDI值。此外，還安裝有其他化學藥劑投加設備(沖擊加氯、聚合物)以便在海水水質惡化時使用。
化學處理系統可以根據流速進行實時調節，并有適當冗余以確保系統的有效性。重力濾池通過石英砂和無煙煤介質實現過濾，濾速為8 m／h。這種慢濾速、長停留時間以及避免形成短流的配水和集水系統保證了過濾的高效率。即使在暴雨的濁度情況下，用這種方式過濾的海水也滿足后續處理的要求。這些濾池每兩天自動反沖洗一次。
微孔過濾器構成第二級過濾，也是膜處理之前的最后一道安全屏障。
2．3高壓泵和能量回收系統
反滲透系統所需的進水壓力為7 MPa，是最為耗能的一個部分，因此任何可以減少能耗的措施都可以優化產水的成本。ERD(能量回收裝置)的引入為降低能耗提供了可能。
在工廠設計初期，ERD裝置就被引入處理系統，該裝置對排放濃水中機械能的回收率可達96％。ERD裝置大大降低了噸水能耗，同傳統工藝相比，噸水能耗可降低35％左右。
2．4反滲透
過濾后的海水經過高壓泵流向反滲透設備，這些設備與先進的雙工作交換能量回收(DWEER)設施聯系在一起。高壓泵和能量回收設備可以各自獨立運行，這有助于提高系統的靈活性和效率。
海水淡化設施由四階段系統組成，這種設計是在考慮到出水水質的情況下采用的(氯化物＜20mg／L，硼＜0．4 mg／L)。
①第一階段是傳統的海水反滲透系統，回收率約為45％。部分滲透水來自壓力容器的進水側(前端透過水)。這部分水的鹽濃度(尤其是硼的濃度)低于整個滲透水的濃度，可以直接與其他階段的滲透水混合。
②經過第一階段處理后的滲透水進入第二階段，采用高pH值，提高膜對硼的去除率，此階段的回收率為85％，在這個階段處理的滲透水成為最終水的一部分。
③經過第二階段處理后的濃鹽水進入第三處理階段，主要是對第二階段處理的濃鹽水進行軟化，在低pH值下回收率為85％。由于處于酸化環境，因此在高回收率和高濃度時也不必擔心膜表面上會結垢。但是由于pH值低，硼去除率很低，部分硼會隨滲透水進入下一階段。因此在這個階段形成的滲透水還不能被視作成品水，而必須經過第四階段的處理。
④第四階段的回收率達到90％。在這個階段采用高pH值，以便去除濃水中的硼。經過第四階段處理后的水可以與成品水混合。
在“標準”的兩階段法海水處理中，第二階段產生的濃水直接進入第一階段的進水，由于濃鹽水的硼濃度太高，因此這種方法未被采納。
在設計階段還考慮過其他方案，其中有將濃鹽水直接排放或使用硼選擇性離子交換劑等。制水成本是確定最佳工藝和設計的一個主要考慮因素。
海水淡化設施由第一階段的32個反滲透裝置、第二階段的8個裝置、第三階段的2個裝置和第四階段的2個裝置組成。該設施共采用25600支海水膜和15100支苦咸水膜。最終采用了DOW(陶氏)公司的Filmtec膜用于反滲透處理。
反滲透膜走廊如圖2所示。
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2．5后處理
經過多個階段反滲透系統的處理，從硼和氯化物含量的角度來看，出水水質已經符合要求，而采用石灰進行的后處理主要用于在將出水送入國家供水系統之前使之礦化。這個礦化過程以及堿度、硬度和pH值的調節過程對于滿足飲用水質標準是必不可少的，可以有效防止供水管網的腐蝕。
3 主要創新技術和運營經驗
傳統的反滲透設備主要由高壓泵、能量回收輪機和膜構成，并不適合大規模的反滲透處理廠。改進的辦法之一是從本地模式轉換成中央模式，采用集中泵輸送海水到高壓系統比傳統方法更經濟實惠，能量回收也同樣如此。
海水的供應通過建造于海床的3條管線向海水淡化廠輸送，經過雙層濾料濾池的預處理后，海水被送入32組反滲透單元，每個單元具有10000 m3／d的生產能力。
除了去除總鹽度，反滲透系統還去除了細菌、病毒和硼，可以獲得良好的產水水質，具體數據如表1所示。
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構成海水淡化廠的兩個部分中每個都配有3個高壓泵，組成1個泵送中心，將海水通過共用管線送往各個反滲透裝置，另有1臺泵作為備用。40個DWEER裝置構成一個能量回收中心，該中心收集來自各個反滲透裝置的加壓濃鹽水，將能量傳輸給海水，并通過共用進水管泵送至各個反滲透裝置。這種方法有助于提高各個系統的效率。泵的效率是速度和流量的函數，效率高的泵轉速和流量都很高。Ashkelon高壓泵達到了最大限度的泵效率(最佳工況時達到88．5％)。40個DWEER構成能量回收中心，分成10組，每組4個，其中一組備用。這樣便于在較大范圍內進行能量回收，并提高系統的效率和靈活性。
由于Ashkelon項目的規模效應，以及近年來反滲透膜價格的降低、ERD系統對能量有效的回收和運營者對運營成本的合理控制，本項目的噸水成本被控制在較低的水平，約為0，53美元／m3。
參考文獻：
[1] 陳觀文，徐平．分離膜應用與工程案例[M]．北京：國防工業出版社，2007．
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