实例：三沙市永兴岛海水淡化厂工程设计

满足三沙市永兴岛上的居民生活用水需求，根据海岛特点，在岛上新建海水淡化厂，利用海水作为水源直接供应清水。水厂设计规模1 000 m³/d，采用斜管沉淀-超滤-反渗透-再矿化的净水处理工艺。其中沉淀表面负荷为1.46 m³/(m²·h);超滤设计通量为30 L/(m²·h)，回收率90%;采用二级反渗透，其中一级反渗透设计产水通量0.60 m³/(h·支)，最大压力6.5 MPa，二级反渗透设计产水通量0.90 m³/(h·支)，最大压力12.5 MPa;反渗透产水采用投加CaCl2和NaHCO3进行再矿化。建成后运行产水水质满足国标要求，饮用口感良好，电耗约3.5 kW·h/m³。

1 建设前岛上供水状况

在海水淡化厂建设前，岛上居民的饮用水主要依靠补给船定期向岛内补给，每船的补给量约为200 m³。船运的补给淡水用运水车运送至各居民自建的水窖储存，水量有限，仅供日常居民餐饮使用。

除饮用以外的其他生活用水水源主要是岛上降雨，即依靠汇集各建筑屋顶雨水，储存在自建雨水窖。自建雨水窖零散分布于各建筑间，部分有简单的沉淀、过滤设施。原先各雨水窖储存的雨水均通过水泵输送至工委建设的雨水净化站，经净化后使用。但淡化厂建设前雨水净化站已报废，居民一般自行加压直接将雨水用作洗涤、冲厕等饮用外的生活用水。

2 原水水质

永兴岛附近海域环境保护良好，水质清澈，原水浊度≤10 NTU，其余主要水质指标见表1。

3 工程规模及目标

本项目水厂产水规模为近期1 000 m³/d，远期2 000 m³/d。

产水目标：原水采用海水，出水水质达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)的要求。

4 技术方案

4.1 海水淡化技术

本工程近期产水规模1 000 m³/d，规模较小，工程地点位于永兴岛，路途较远，岛上物资匮乏，所有物资均需船运上岛，交通不便，岛上可用地面积较小，因此采用的海水淡化技术应具有占地面积小、工程量小、自动化程度高、安全可靠、运行过程耗材种类少、用量小的特点，分析上述工程特点，推荐采用反渗透海水淡化技术。

反渗透技术目前一般采用一级过滤，但Rodrguez通过研究认为,当原水中硼含量>3.5 mg/L时需要使用多级反渗透工艺。本工程海水硼浓度为4.5 mg/L，因此采用二级反渗透技术。

4.2 海水预处理技术

反渗透膜进水水质要求较高，海水原水一般需进行预处理。常规预处理技术采用加入絮凝剂对海水中海洋浮游生物、胶体物、固体颗粒进行沉淀后，再经过砂滤过滤。其优点是除浊的效率较高，技术比较成熟。其不足之处在于处理过程中需投加化学药剂，整套预处理构筑物占地面积较大。永兴岛处于西沙群岛，其主体由珊瑚礁及其风化产物构成，可用地面积较小，岛周围无外源污染物，絮凝过程中投加的絮凝剂部分残留在浓盐水中，随浓盐水一起排海会对当地环境造成污染。

因此，本工程从减少使用药剂保护环境、节约工程用地等方面考虑，采用电解沉淀+超滤预处理工艺。海水是理想的电解液，纳米催化电解可在短时间内氧化分解海水中的有机物，使海水脱稳，具有一定的絮凝效果，通过后续沉淀工艺去除水中的胶体物质和悬浮性物质，无需投加化学药剂。同时电解过程中产生的Cl、O等自由基，可有效杀灭藻类、微生物等，解决膜生物污染的问题。电解预处理技术已在三沙市赵述岛40 m³/d小型海水淡化工程中得到应用，效果良好。沉淀后出水采用超滤膜过滤可确保满足反渗透进水水质要求，减轻对反渗透膜的污染。

4.3 反渗透产水再矿化技术

海水经淡化处理后，钙离子含量很低，其水质不稳定且具有较强的腐蚀性，因此本工程考虑对其进行化学稳定性处理。改善海水淡化水稳定性的措施是对其进行再矿化处理，提高水中矿物质和碱度含量，使其水质稳定，不具有腐蚀性，并符合生活饮用水标准，这样既可以维护居民身体健康又能稳定水质。

矿化通常是通过过滤、投加化学药剂等措施来实现。海水淡化产水再矿化处理是调节产水pH，加入钙等矿化物，从而调节反渗透产水的碱度和硬度，适度提高pH，使产水的总碱度为80 mg/L(以CaCO₃计)，总硬度为80～120 mg/L(以CaCO₃计)。使水质既不产生结垢，也不对输水管造成腐蚀。

可用于反渗透产水再矿化处理工艺方案大致有如下5个。

(1)向反渗透产水投加CO₂和过量的Ca(OH)₂，反应式：2CO₂+Ca(OH)₂=Ca(HCO₃)₂。

(2)投加CO2后的反渗透产水通过CaCO3的滤床，反应式：CO₂ + H₂O + CaCO₃=Ca(HCO₃)₂。

(3)投加Ca(OH)₂和Na₂CO₃，反应式：Ca(OH)₂+Na₂CO₃=CaCO₃+2NaOH。

(4)投加CaCl₂和NaHCO₃，反应式：CaCl₂+2NaHCO₃=Ca(HCO₃)2+2NaCl。

(5)用处理后的含盐水与反渗透产水进行适量的勾兑。

以上5个方案，应根据工程情况、水质、处理水量和投资运行成本进行比选。方案3、方案4、方案5主要是向淡化水中投加药剂，操作运行维护较为简便，但费用较高，适用于较小型的淡化水装置。方案1、方案2适用于较大型的海水淡化厂，其中方案2具有更高的经济性。

本工程产水规模为1 000 m³/d，属于小型海水淡化工程，且距离陆地比较远，CO2的储存及运输比较困难，且操作难度大，因此方案1和方案2不适用。Ca(OH)2需用生石灰制备，制备原料需要从陆地运输上岛，且使用过程中会产生大量的石灰渣，造成新的污染和破坏，因此方案3不适用。方案5采用自来水与海水淡化水进行勾兑，勾兑比例为1∶5～1∶10(淡化海水∶自来水)，但岛上船运淡水量不足，该方案不适用。

通过以上对比分析，本工程采用方案4，通过投加CaCl2和NaHCO3实现淡化水的矿化处理。

4.4 浓海水处理

本工程规模较小，周边海水量巨大，浓海水采用排海处理。

5 系统流程

海水淡化系统由纳米催化电解絮凝沉淀系统、超滤系统、海水淡化膜系统、后处理系统、药剂投加系统组成。海水通过取水系统进入纳米催化电解机，电解机出水进入斜板沉淀池，再经过柱式超滤系统过滤后，作为海水淡化膜系统的进水。在反渗透海水淡化膜分离设备进行一级脱盐处理;一级脱盐处理后的水一部分直接作为饮用水，另一部分则进行二级脱盐;脱盐处理后的淡水作为饮用水供给岛上军民使用，浓缩海水进行排放。系统流程如图1所示。

6 主要构筑物设计参数

6.1 综合池

综合池包括纳米催化电解系统、絮凝沉淀池、海水储水池、预留水池、滤后海水池、一级淡水池、二级淡水池，组合建设。

(1)纳米催化电解机。考虑海岛运输困难，同时减少排放浓海水对周边环境的影响。沉淀池设计不投加混凝药剂，采用纳米催化电解机电解海水助凝。电解机设于絮凝沉淀池上部，设计处理能力115 m³/h，产生NaClO浓度0.8%。共设2组，单组处理能力57.5 m³/h，停留时间4.5 min，有效接触时间3 min。

(2)絮凝沉淀池。3座，每座尺寸4 m(宽)×7 m(长)×5 m(深)，蜂窝斜管50×1 000，斜管90 m²，表面负荷1.46 m³/(m²·h)。

(3)海水储水池。接收沉淀池出水，1座，钢筋混凝土(防腐处理)材质。尺寸4 m(宽)×8 m(长)×5 m(深);有效容积145 m³。

(4)滤后海水池。接收超滤系统出水，规格与海水储水池相同。

(5)一级淡水池。接收一级反渗透系统出水，规格与海水储水池相同。

(6)二级淡水池。接收二级反渗透系统出水及部分一级反渗透系统出水。永兴岛上用水时变化系数较大，二级淡水池容积应满足水量调节需求，有效容积按日供水量的20%取值。水池进水管上投加次氯酸钠，最大投加量2 mg/L。1座，钢筋混凝土(防腐处理)材质。尺寸5.5 m(宽)×8 m(长)×5 m(深)，有效容积200 m³。

(7)预留水池。可同时接收二级反渗透系统出水或其他淡水(如岛外运水等)。1座，钢筋混凝土(防腐处理)材质。尺寸4 m(宽)×8 m(长)×5 m(深)，有效容积145 m³。

6.2 综合净水车间

综合净水车间内设超滤及反渗透系统。

6.2.1 超滤系统

采用压力式膜，设2套膜主机，主要设计参数如下：

设计水温5～40 ℃，运行压力<0.15 MPa，产水率≥90%，膜组件材质为聚偏氟乙烯(PVDF)，膜组件数量80支，设计通量30 L/(m²·h)。

6.2.2 反渗透系统

(1)一级反渗透系统。设计回收率43%，日运行时间24 h/d，工作温度5～40 ℃，运行压力≤0.65 MPa，膜组件设计产水通量0.6 m³/(h·支)。采用1堆膜组件，膜壳采用6芯装，13支膜壳，78支膜芯。

(2)二级反渗透系统。设计回收率90%，日运行时间24 h/d，工作温度5～40 ℃，运行压力≤12.5 MPa。膜组件设计产水通量0.9 m³/(h·支);设计按1堆膜组件，膜壳采用6芯装，6支膜壳，36支膜芯。

7 小结

三沙市永兴岛海水淡化厂于2016年12月建成通水。现已正常运行一年多，产水1 000 m³/d，运行中不投加混凝剂，消毒采用电解海水产生次氯酸钠，全厂电耗3～5 kW·h/m³。水质满足国标要求，饮用口感良好，较好地满足了岛上居民的生活用水需求。