荣成万吨级反渗透海水淡化示范工程
一、 项目概述
国家发展计划委员会于二○○一年十月二十七日批复山东省计委，同意将山东石岛水产供销集团公司万吨级反渗透海水淡化产业化示范工程项目列入国家高技术产业发展项目计划。项目由山东省计委主持，山东石岛水产供销集团公司承担建设，国家海洋局杭州水处理技术开发中心为项目的依托单位。建设地点在荣成市石岛城区，建设期为2年。
项目的主要研究内容和主要技术经济指标如表1-1。
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表1-1 主要建设内容和主要技术经济指标
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荣成是资源性缺水城市，由于三面环海，无客水水源，开挖地下水会引起海水倒灌，城区内生产和生活用水长期严重短缺。1999～2000年连续两年严重干旱，全年降水量仅200毫米。因干旱缺水影响，许多企业处于停产和半停产状态。为保证社会稳定，保证居民最低的生活用水需要，利用当地丰富的海水进行淡化，实施海水淡化工程，确保荣成市正常供水已经到了刻不容缓的地步，因此，选择该地区建立示范工程具有很大的示范作用。
2002年12月底，山东省荣成市石岛水产供销集团总公司与国家海洋局杭州水处理技术开发中心签订了“万吨级反渗透海水淡化示范工程”项目（第一期）协议。示范工程采取总体设计，分步实施。其中，工程的基础设施（包括海水取水、土建、厂房、配电和供水管网等）按总体设计，一次建成。而万吨级反渗透海水淡化示范工程工艺设备由两个日产5000吨淡化水的独立机组组成，第一期完成一个机组的施工，第二期完成另一个机组的施工。并于2003年3月初签订了“万吨级反渗透海水淡化示范工程”项目（第一期）的技术合同。
二、工艺设计及设备配置
万吨级反渗透海水淡化工程的工艺流程如图1-1所示，分为海水取水、海水预处理、反渗透海水淡化、产品水后处理和系统控制五个部分。
 图1-1 万吨级反渗透海水淡化工艺流程框图 |
海水取水
海水取水构筑物由海水集水井和取水泵房组成。集水井建于码头堤坝外侧，海水靠渗透进入集水井。集水井采用钢砼结构，直径2.8米，深约11米，井底处于低潮位以下1.8米。取水泵房内配置取水泵和水环式真空泵。该项目第一期5000吨/日海水淡化系统配置了三台海水取水泵，二开一备，单台水泵流量300m3/h，扬程45m，功率55kw，过流材质为Duplex SST（双相钢）。取水泵吸入管插入井深约6m，吸入口离井底0.7米。配置抽气速率6m3/min 的水环式真空泵一台，利用真空抽吸使取水泵充满海水，然后启动取水泵，通过管径φ500mm，距离约180m的管道，将海水输送到淡化主厂房，进入海水预处理系统。
鉴于该项目的海水水源系表层海水，海水中存在较多的微生物、藻类和细菌，易影响设备和管阀件的正常运行，因此，在设计中采用在海水取水管的进口处投加液氯杀菌灭藻方案，投加量约为1～2mg/L。
海水预处理
海水预处理的目的是去除地表海水中存在的颗粒泥砂、胶体、微生物等杂质，确保反渗透系统能长期稳定运行。在海水预处理工艺设计时经预处理后的海水水质应达到反渗透膜元件的进水水质要求。
（1）混凝过滤
混凝过滤旨在去除海水中胶体、悬浮杂质，降低浊度。由于海水比重大，pH值较高，该项目选用FeCl3作为混凝剂，投加量在1～2mg/L。经混合器混合，铁盐与海水中胶体杂质形成较大的矾花，再经机械过滤器过滤，使出水水质的污染指数（SDI15）小于5，浊度小于1。
第一期工程配置了9台机械过滤器，单台机械滤器设计直径φ3200mm，内衬5mm天然橡胶，外涂防腐船用油漆，底部采用水帽结构，内填装按级配规定的多介质滤料，单台滤器设计出水量为67m3/h。
为了节省水耗，利用反渗透浓水作为机滤反洗用水。系统配置了浓水池、反洗水泵和罗茨风机。空气擦洗流速为16L/m2.s，水反洗流量15L/m2.s。
（2）加药消除余氯和防止反渗透膜面结垢沉淀
海水中游离氯等氧化剂存在会降低反渗透膜元件的性能，因此海水在进反渗透膜以前必须控制游离氯＜0.1mg/L。通过计量泵投加1.5-2mg/L亚硫酸氢钠，海水中的余氯与亚硫酸氢钠反应，形成酸和中性盐，从而消除余氯对反渗透膜的影响。
海水中含有高浓度的Ca2+、Mg2+、HCO3－、SO42－等离子，在反渗透海水淡化过程中，海水被浓缩，易在反渗透膜表面形成难溶无机盐类的沉淀。根据原海水水质和反渗透装置的水回收率，计算Stiff & Davis指数，判别结垢沉淀趋势，在海水进入反渗透装置前添加阻垢剂。通过对几种阻垢剂的阻垢效果和价格的综合评价后，选用硫酸作阻垢剂，投加量为15～20mg/L，控制海水pH值在7.0～7.5范围，能有效防止海水中难溶无机盐类在反渗透膜表面形成结垢沉淀。
（3）保安过滤
在反渗透装置前设置保安滤器是为了保护高压泵，能量回收装置和膜元件的安全长期运行。根据过滤水量和过滤精度设计计算保安滤器的规格，配置了四台直径为φ800保安滤器， 滤器材质为316L，内衬塑料，单台保安滤器装有φ57-1000-5μm插入式滤芯70支，设计出水为150m3/h。
反渗透海水淡化系统
反渗透海水淡化系统是整个工程的核心，系统的设计是根据现场海水水质报告，反渗透元件性能、水温，所需产水量和回收率，经计算确定。
（1）反渗透装置
反渗透海水淡化系统采用多组件并联单级式流程，为了提高系统运行的可靠性和机动性，首期5000立方米/日海水淡化系统实行整体设计、按单机配置。在工艺配置上分为二个系列，即整个系统既可按单机运行，产淡水5000立方米/日，又可按单系列运行，产淡水2500立方米/日。
膜元件为美国陶氏公司生产的高性能反渗透海水淡化复合膜元件SW30HR-380，其元件平均脱盐率为99.6％。整套装置共配置了420支海水膜元件，分别装在60根并联布置的膜压力管内，每根压力管内串联排列7支SW30HR-380海水膜元件。
装置设有低压自动冲洗排放、淡化水低压自动冲洗置换浓水排放系统。为防止反渗透海水淡化装置停机时，浓差渗透反压对海水膜元件的影响，在反渗透装置淡化水出口处安装了容积为10立方米的空塔滤器。停机时，滤器中的淡化水部分倒流，以补充膜元件浓差渗透失水，防止膜装置受损伤。
（2）高压给水系统
高压给水系统由高压泵、能量回收装置和压力提升泵组成。高压泵选用丹麦格兰富公司生产的 BME30-18型多级离心泵，共配置了四台并联的高压泵，单台流量57 m3/h，扬程620m，功率134kw。采用美国能量回收公司生产的PX-120能量回收器,将反渗透膜堆排放浓水90-95%的能量回收，大大降低了生产淡水所需的电耗。系统配置了12台PX-120型能量回收器，并相应配置6台压力提升泵。压力提升泵选用美国能量回收公司的HP-2403型高压多级离心泵，单台流量52.8～68.2 m3/h，扬程50～70m，功率14.7kw。
高压给水系统设计中，根据海水淡化系统工艺参数的要求，设置了高低压保护开关和自动切换设备，流量、压力出现异常时，能实行自动切换、自动连锁、报警、停机，以保护高压给水设备和反渗透膜元件。
（3）冲洗和清洗装置
反渗透海水淡化系统配置了就地冲洗和清洗装置，利用产水池中产水在反渗透装置停机时，即自动用淡水冲洗反渗透装置，置换出反渗透膜元件中的浓缩海水，防止浓海水中亚稳定过饱和微溶盐产生沉淀，同时也具有冲洗膜面污染物的作用。化学清洗装置根据反渗透膜污堵情况，配制不同化学清洗液对反渗透膜元件进行循环清洗，也可用于对反渗透膜元件进行加药长期停运保护。
后处理系统
反渗透产水经空塔滤器后，通过计量泵在产水管路中投加氢氧化钠溶液，以提高产水pH值，使产水pH5.5左右提高到pH7.5左右，然后再进入一个3000m3产水池。再经输送泵将产水池中的淡水输入市政自来水管网。为保证供水的消毒杀菌，在淡水输送泵入口管处配置JK-2型加氯机向输出的淡水中投加余氯。
控制系统
自控系统作为整个反渗透海水淡化系统的一部分，既服务于系统工艺又具有本身的独立性。该反渗透海水淡化系统的自控部分选择GGD-3型低压配电柜作为设备动力柜；单独设置现场控制柜、PLC柜,以西门子PLC和WinCC监控软件为自控核心。
现场控制柜完全根据工艺的特点及方便操作的原则来设置。系统设置了海水取水泵房控制柜，反渗透海水淡化装置控制柜，产水泵房控制柜和加药控制柜。
上位机监控系统具有良好的人机交互功能，操作员既可以通过它发布命令给PLC，也可以通过它全面了解现场设备运行情况。一旦出现异常情况，及时提供详细的报警信息给操作员，并产生报警声。上位机自动采集系统运行的一些重要参数，并自动、及时归档，以利于今后对系统设备运行的连续性进行全面分析处理。
三、平面布置
按工艺流程，设备规格和要求，现场实际情况，同时考虑设备的操作、维护和管理等要素设计日产万吨级反渗透海水淡化示范工程的平面布置。如图1-2所示。
 图1-2万吨级反渗透海水淡化系统平面布置 |
在靠海边设置φ2.8米，深约11米的海水取水井一个，距离主厂房约180米。在离取水井约6米处，设8.0×6.0米取水泵房一间，内设置取水泵5台，第一期安装3台取水泵。设4.0×4.0米真空泵房一间，4.0×2.0米加氯间和储氯钢瓶间各一间。
海水淡化主厂房建筑面积为45.6×26.0米，层高约6米。以东西中轴线对开各布设一套5000m3/d反渗透海水淡化系统的主体设备，其南北两侧各布设9台直径为φ3200mm机械滤器，中间布设二套反渗透海水淡化装置、高压泵、能量回收装置等设备，在西端进大门二侧设8.0×4.0米控制室一间，4.0×4.0米的维修和分析室各一间。
主厂房东南端离外侧墙0.5米处，设供3.0×3.0米产品水消毒杀菌加氯间和储氯钢瓶间各一个，东北端设5m3硫酸储槽一只。
主厂房东面，离东侧外墙约3.0米处，由北向南排布3000 m3产水池一只，250 m3浓水池一只，14.0×6.0米水泵、风机和加药房一间，内设置冲洗水泵1台，反洗水泵4台，产水输送泵3台，罗茨风机1台及计量加药泵7台。
四、调试结果
万吨级反渗透海水淡化示范工程第一期，5000吨/日海水淡化系统，于2003年11月初调试成功,投入试运行。并对海水.淡化水进行了分析测量。调试和检测结果表明,该系统运行参数稳定,各单元设备运行正常,操作简便,性能指标达到设计要求，产品水符合国家生活饮用水标准。具体数据见表1-2、表1-3。
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表1-2系统运行参数指标
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表1-3 水质分析报告
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五、成本与效益分析
海水淡化属于水资源开发建设工程。世界各国在对待水资源工程上,政策差别很大。在我国淡水资源包括地表水、地下水尚未作为有限资源来实现商品化。开发水资源的工程仍作为公益性福利工程来建设,水的成本往往只包含运转费和维修费,很少考虑资源及投资回收,利息等,淡水供水价格普遍不高,亏损由政府补贴,因此目前尚无法直接与市政供水费作比较。
万吨级反渗透海水淡化工程第一期造水成本如下:
1)计算依据
⑴装置生产能力 5000立方米/日
⑵一期工程投资 2000万元
⑶利息 5%
⑷装置开工率 90%
⑸电费成本 0.6元/度
⑹单位产水能耗 4.0度/吨淡化水
⑺维修费(以总投资计) 1.5%
⑻装置及配套设施平均使用寿命 15年
⑼反渗透膜元件平均使用寿命 4年
⑽化学试剂和易耗品费用 0.36元/吨产水
⑾劳动力(三班八人制) 20000元/年.人
2)造水成本
⑴投资成本 1.17元/吨产水
⑵电费成本 2.40元/吨产水
⑶膜更换费用 0.36元/吨产水
⑷维修费用 0.18元/吨产水
⑸化学试剂和易耗品费用 0.36元/吨产水
⑹劳动力和管理费用 0.13元/吨产水
合计: 4.60元/吨产水
由计算可知,每吨淡化水费用中投资成本占25.4%,电费成本占52.2%,两项合计占造水费用的77.6%。因此要降低造水费用,关键是降低工程投资和能耗。
六、社会与环境效益
目前在中东地区,岛屿国家和西方发达国家的沿海城市、岛屿已将反渗透海水淡化技术作为制取饮用水的主要方法。随着反渗透技术及海水淡化产业的不断提高与发展,反渗透膜及工程配套设备的价格也会不断下降。
在我国,反渗透海水淡化技术的推广应用才刚起步,随着科学研究的不断深入和装置国产化率不断提高,无论是工程投资还是能耗都会不断降低。与此同时,水资源开发及供水将逐步走上市场经济的轨道,市政给水价格和海水淡化造水成本之间差距会逐渐缩小。在现阶段,反渗透海水淡化作为严重缺水地区或岛屿市政供水的补充是完全可行的。
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