榮成萬噸級反滲透海水淡化示范工程
一、 項目概述
國家發展計劃委員會于二○○一年十月二十七日批復山東省計委，同意將山東石島水產供銷集團公司萬噸級反滲透海水淡化產業化示范工程項目列入國家高技術產業發展項目計劃。項目由山東省計委主持，山東石島水產供銷集團公司承擔建設，國家海洋局杭州水處理技術開發中心為項目的依托單位。建設地點在榮成市石島城區，建設期為2年。
項目的主要研究內容和主要技術經濟指標如表1-1。
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表1-1 主要建設內容和主要技術經濟指標
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榮成是資源性缺水城市，由于三面環海，無客水水源，開挖地下水會引起海水倒灌，城區內生產和生活用水長期嚴重短缺。1999～2000年連續兩年嚴重干旱，全年降水量僅200毫米。因干旱缺水影響，許多企業處于停產和半停產狀態。為保證社會穩定，保證居民最低的生活用水需要，利用當地豐富的海水進行淡化，實施海水淡化工程，確保榮成市正常供水已經到了刻不容緩的地步，因此，選擇該地區建立示范工程具有很大的示范作用。
2002年12月底，山東省榮成市石島水產供銷集團總公司與國家海洋局杭州水處理技術開發中心簽訂了“萬噸級反滲透海水淡化示范工程”項目（第一期）協議。示范工程采取總體設計，分步實施。其中，工程的基礎設施（包括海水取水、土建、廠房、配電和供水管網等）按總體設計，一次建成。而萬噸級反滲透海水淡化示范工程工藝設備由兩個日產5000噸淡化水的獨立機組組成，第一期完成一個機組的施工，第二期完成另一個機組的施工。并于2003年3月初簽訂了“萬噸級反滲透海水淡化示范工程”項目（第一期）的技術合同。
二、工藝設計及設備配置
萬噸級反滲透海水淡化工程的工藝流程如圖1-1所示，分為海水取水、海水預處理、反滲透海水淡化、產品水后處理和系統控制五個部分。
 圖1-1 萬噸級反滲透海水淡化工藝流程框圖 |
海水取水
海水取水構筑物由海水集水井和取水泵房組成。集水井建于碼頭堤壩外側，海水靠滲透進入集水井。集水井采用鋼砼結構，直徑2.8米，深約11米，井底處于低潮位以下1.8米。取水泵房內配置取水泵和水環式真空泵。該項目第一期5000噸/日海水淡化系統配置了三臺海水取水泵，二開一備，單臺水泵流量300m3/h，揚程45m，功率55kw，過流材質為Duplex SST（雙相鋼）。取水泵吸入管插入井深約6m，吸入口離井底0.7米。配置抽氣速率6m3/min 的水環式真空泵一臺，利用真空抽吸使取水泵充滿海水，然后啟動取水泵，通過管徑φ500mm，距離約180m的管道，將海水輸送到淡化主廠房，進入海水預處理系統。
鑒于該項目的海水水源系表層海水，海水中存在較多的微生物、藻類和細菌，易影響設備和管閥件的正常運行，因此，在設計中采用在海水取水管的進口處投加液氯殺菌滅藻方案，投加量約為1～2mg/L。
海水預處理
海水預處理的目的是去除地表海水中存在的顆粒泥砂、膠體、微生物等雜質，確保反滲透系統能長期穩定運行。在海水預處理工藝設計時經預處理后的海水水質應達到反滲透膜元件的進水水質要求。
（1）混凝過濾
混凝過濾旨在去除海水中膠體、懸浮雜質，降低濁度。由于海水比重大，pH值較高，該項目選用FeCl3作為混凝劑，投加量在1～2mg/L。經混合器混合，鐵鹽與海水中膠體雜質形成較大的礬花，再經機械過濾器過濾，使出水水質的污染指數（SDI15）小于5，濁度小于1。
第一期工程配置了9臺機械過濾器，單臺機械濾器設計直徑φ3200mm，內襯5mm天然橡膠，外涂防腐船用油漆，底部采用水帽結構，內填裝按級配規定的多介質濾料，單臺濾器設計出水量為67m3/h。
為了節省水耗，利用反滲透濃水作為機濾反洗用水。系統配置了濃水池、反洗水泵和羅茨風機。空氣擦洗流速為16L/m2.s，水反洗流量15L/m2.s。
（2）加藥消除余氯和防止反滲透膜面結垢沉淀
海水中游離氯等氧化劑存在會降低反滲透膜元件的性能，因此海水在進反滲透膜以前必須控制游離氯＜0.1mg/L。通過計量泵投加1.5-2mg/L亞硫酸氫鈉，海水中的余氯與亞硫酸氫鈉反應，形成酸和中性鹽，從而消除余氯對反滲透膜的影響。
海水中含有高濃度的Ca2+、Mg2+、HCO3－、SO42－等離子，在反滲透海水淡化過程中，海水被濃縮，易在反滲透膜表面形成難溶無機鹽類的沉淀。根據原海水水質和反滲透裝置的水回收率，計算Stiff & Davis指數，判別結垢沉淀趨勢，在海水進入反滲透裝置前添加阻垢劑。通過對幾種阻垢劑的阻垢效果和價格的綜合評價后，選用硫酸作阻垢劑，投加量為15～20mg/L，控制海水pH值在7.0～7.5范圍，能有效防止海水中難溶無機鹽類在反滲透膜表面形成結垢沉淀。
（3）保安過濾
在反滲透裝置前設置保安濾器是為了保護高壓泵，能量回收裝置和膜元件的安全長期運行。根據過濾水量和過濾精度設計計算保安濾器的規格，配置了四臺直徑為φ800保安濾器， 濾器材質為316L，內襯塑料，單臺保安濾器裝有φ57-1000-5μm插入式濾芯70支，設計出水為150m3/h。
反滲透海水淡化系統
反滲透海水淡化系統是整個工程的核心，系統的設計是根據現場海水水質報告，反滲透元件性能、水溫，所需產水量和回收率，經計算確定。
（1）反滲透裝置
反滲透海水淡化系統采用多組件并聯單級式流程，為了提高系統運行的可靠性和機動性，首期5000立方米/日海水淡化系統實行整體設計、按單機配置。在工藝配置上分為二個系列，即整個系統既可按單機運行，產淡水5000立方米/日，又可按單系列運行，產淡水2500立方米/日。
膜元件為美國陶氏公司生產的高性能反滲透海水淡化復合膜元件SW30HR-380，其元件平均脫鹽率為99.6％。整套裝置共配置了420支海水膜元件，分別裝在60根并聯布置的膜壓力管內，每根壓力管內串聯排列7支SW30HR-380海水膜元件。
裝置設有低壓自動沖洗排放、淡化水低壓自動沖洗置換濃水排放系統。為防止反滲透海水淡化裝置停機時，濃差滲透反壓對海水膜元件的影響，在反滲透裝置淡化水出口處安裝了容積為10立方米的空塔濾器。停機時，濾器中的淡化水部分倒流，以補充膜元件濃差滲透失水，防止膜裝置受損傷。
（2）高壓給水系統
高壓給水系統由高壓泵、能量回收裝置和壓力提升泵組成。高壓泵選用丹麥格蘭富公司生產的 BME30-18型多級離心泵，共配置了四臺并聯的高壓泵，單臺流量57 m3/h，揚程620m，功率134kw。采用美國能量回收公司生產的PX-120能量回收器,將反滲透膜堆排放濃水90-95%的能量回收，大大降低了生產淡水所需的電耗。系統配置了12臺PX-120型能量回收器，并相應配置6臺壓力提升泵。壓力提升泵選用美國能量回收公司的HP-2403型高壓多級離心泵，單臺流量52.8～68.2 m3/h，揚程50～70m，功率14.7kw。
高壓給水系統設計中，根據海水淡化系統工藝參數的要求，設置了高低壓保護開關和自動切換設備，流量、壓力出現異常時，能實行自動切換、自動連鎖、報警、停機，以保護高壓給水設備和反滲透膜元件。
（3）沖洗和清洗裝置
反滲透海水淡化系統配置了就地沖洗和清洗裝置，利用產水池中產水在反滲透裝置停機時，即自動用淡水沖洗反滲透裝置，置換出反滲透膜元件中的濃縮海水，防止濃海水中亞穩定過飽和微溶鹽產生沉淀，同時也具有沖洗膜面污染物的作用。化學清洗裝置根據反滲透膜污堵情況，配制不同化學清洗液對反滲透膜元件進行循環清洗，也可用于對反滲透膜元件進行加藥長期停運保護。
后處理系統
反滲透產水經空塔濾器后，通過計量泵在產水管路中投加氫氧化鈉溶液，以提高產水pH值，使產水pH5.5左右提高到pH7.5左右，然后再進入一個3000m3產水池。再經輸送泵將產水池中的淡水輸入市政自來水管網。為保證供水的消毒殺菌，在淡水輸送泵入口管處配置JK-2型加氯機向輸出的淡水中投加余氯。
控制系統
自控系統作為整個反滲透海水淡化系統的一部分，既服務于系統工藝又具有本身的獨立性。該反滲透海水淡化系統的自控部分選擇GGD-3型低壓配電柜作為設備動力柜；單獨設置現場控制柜、PLC柜,以西門子PLC和WinCC監控軟件為自控核心。
現場控制柜完全根據工藝的特點及方便操作的原則來設置。系統設置了海水取水泵房控制柜，反滲透海水淡化裝置控制柜，產水泵房控制柜和加藥控制柜。
上位機監控系統具有良好的人機交互功能，操作員既可以通過它發布命令給PLC，也可以通過它全面了解現場設備運行情況。一旦出現異常情況，及時提供詳細的報警信息給操作員，并產生報警聲。上位機自動采集系統運行的一些重要參數，并自動、及時歸檔，以利于今后對系統設備運行的連續性進行全面分析處理。
三、平面布置
按工藝流程，設備規格和要求，現場實際情況，同時考慮設備的操作、維護和管理等要素設計日產萬噸級反滲透海水淡化示范工程的平面布置。如圖1-2所示。
 圖1-2萬噸級反滲透海水淡化系統平面布置 |
在靠海邊設置φ2.8米，深約11米的海水取水井一個，距離主廠房約180米。在離取水井約6米處，設8.0×6.0米取水泵房一間，內設置取水泵5臺，第一期安裝3臺取水泵。設4.0×4.0米真空泵房一間，4.0×2.0米加氯間和儲氯鋼瓶間各一間。
海水淡化主廠房建筑面積為45.6×26.0米，層高約6米。以東西中軸線對開各布設一套5000m3/d反滲透海水淡化系統的主體設備，其南北兩側各布設9臺直徑為φ3200mm機械濾器，中間布設二套反滲透海水淡化裝置、高壓泵、能量回收裝置等設備，在西端進大門二側設8.0×4.0米控制室一間，4.0×4.0米的維修和分析室各一間。
主廠房東南端離外側墻0.5米處，設供3.0×3.0米產品水消毒殺菌加氯間和儲氯鋼瓶間各一個，東北端設5m3硫酸儲槽一只。
主廠房東面，離東側外墻約3.0米處，由北向南排布3000 m3產水池一只，250 m3濃水池一只，14.0×6.0米水泵、風機和加藥房一間，內設置沖洗水泵1臺，反洗水泵4臺，產水輸送泵3臺，羅茨風機1臺及計量加藥泵7臺。
四、調試結果
萬噸級反滲透海水淡化示范工程第一期，5000噸/日海水淡化系統，于2003年11月初調試成功,投入試運行。并對海水.淡化水進行了分析測量。調試和檢測結果表明,該系統運行參數穩定,各單元設備運行正常,操作簡便,性能指標達到設計要求，產品水符合國家生活飲用水標準。具體數據見表1-2、表1-3。
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表1-2系統運行參數指標
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表1-3 水質分析報告
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五、成本與效益分析
海水淡化屬于水資源開發建設工程。世界各國在對待水資源工程上,政策差別很大。在我國淡水資源包括地表水、地下水尚未作為有限資源來實現商品化。開發水資源的工程仍作為公益性福利工程來建設,水的成本往往只包含運轉費和維修費,很少考慮資源及投資回收,利息等,淡水供水價格普遍不高,虧損由政府補貼,因此目前尚無法直接與市政供水費作比較。
萬噸級反滲透海水淡化工程第一期造水成本如下:
1)計算依據
⑴裝置生產能力 5000立方米/日
⑵一期工程投資 2000萬元
⑶利息 5%
⑷裝置開工率 90%
⑸電費成本 0.6元/度
⑹單位產水能耗 4.0度/噸淡化水
⑺維修費(以總投資計) 1.5%
⑻裝置及配套設施平均使用壽命 15年
⑼反滲透膜元件平均使用壽命 4年
⑽化學試劑和易耗品費用 0.36元/噸產水
⑾勞動力(三班八人制) 20000元/年.人
2)造水成本
⑴投資成本 1.17元/噸產水
⑵電費成本 2.40元/噸產水
⑶膜更換費用 0.36元/噸產水
⑷維修費用 0.18元/噸產水
⑸化學試劑和易耗品費用 0.36元/噸產水
⑹勞動力和管理費用 0.13元/噸產水
合計: 4.60元/噸產水
由計算可知,每噸淡化水費用中投資成本占25.4%,電費成本占52.2%,兩項合計占造水費用的77.6%。因此要降低造水費用,關鍵是降低工程投資和能耗。
六、社會與環境效益
目前在中東地區,島嶼國家和西方發達國家的沿海城市、島嶼已將反滲透海水淡化技術作為制取飲用水的主要方法。隨著反滲透技術及海水淡化產業的不斷提高與發展,反滲透膜及工程配套設備的價格也會不斷下降。
在我國,反滲透海水淡化技術的推廣應用才剛起步,隨著科學研究的不斷深入和裝置國產化率不斷提高,無論是工程投資還是能耗都會不斷降低。與此同時,水資源開發及供水將逐步走上市場經濟的軌道,市政給水價格和海水淡化造水成本之間差距會逐漸縮小。在現階段,反滲透海水淡化作為嚴重缺水地區或島嶼市政供水的補充是完全可行的。
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