海水淡化在海岛应用的工程案例

摘 要： 以三沙市海水淡化工程为例 ，其产水量为 1000m³／d，预处理部分由斜管沉淀池、管道过滤器组成 ，深度处理采用 了PVDF管式超滤、RO系统的组合。该设备在运行的一年多时间里 ， 处理效果稳定 ，出水水质达到了《生活饮用水卫生标准》(GB5749 006)。由于采用了能量回收系统 ，使得膜法海水淡化技术具有了一定的经济效益和社会效益。

关键词 ： 海岛； 海水淡化 ； 能量回收 ； RO系统

我国的淡水资源一直处于紧缺的状态。随着技术的进步 ，海水淡化在越来越多的城市有了应用 ，尤其是沿海和岛屿地 区，向大海要淡水是大势所趋与长距离调配水源相比，海水淡化具有见效周期短水量稳定 、水质稳定等优点。 目前 ，海水淡化以膜法反渗透 、低温多效 、多级闪蒸等作为主流技术 ，其中膜法的实际应用最为广泛。能量回收技术的成熟和广泛应用 ，对膜法海水淡化的产水能耗降低起到了至关重要的作用。

三沙市是我国最年轻的地级市 ，市府位于永兴 岛，地处我国南海海域。在还没有海水淡化装置的年代 ，岛上的军民主要依靠地下水 、雨水等方式获得生活用水 ，水质、水量无法得到保障。随着交通的便 利 ，政府通过船只为驻岛人员运输淡水 。由于船运受天气等客观因素影响较大 ，经过调研 ，三沙市政府决定由天津海水淡化与综合利用研究所在永兴岛建 造 1000m／d产水量的海水淡化装置一套 ，以满足 永兴岛居民生活饮用水的需求 ，并于 2016年第二季 度开工建设 ，同年 10月投入使用 。

1 原水水质

原水为我国南海海域海水 ，电导率为 45000～ 46000uS／cm，水温 为 20～35℃ ，pH值 为 7．5～ 8．5，ORP为 -200 ~-10mV，其他指标见表 1。该 海水淡化厂处理能力为 1000m／d，原海水经过斜管沉淀池和超滤系统 的预处理后 ，进入两级反渗透进行脱盐 。一级产水作为普通生活用水 ，用于洗衣 、 洗澡等 ，二级产水用 于饮用和做饭等。产水全部供应给全岛军民使用 。由于我国尚没有关于海水淡化水的标准 ，相关的检测均 采用《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006) 。

2 工艺流程

海水淡化工艺流程见图 1。

本工程使用潜水泵在近海码头处直接取水。 原海水通过输送管路进入斜管沉淀池 。采用斜管沉 淀池可以降低原水浊度 ，同时配有絮凝剂和杀生剂加药系统 ，通过絮凝剂 的作用使胶体等悬浮物凝聚 成更大颗粒通过沉淀去除 ，投加杀生剂可以灭活原水中的微生物和藻类等 ，为后续超滤系统更稳定地运行提供了保障，同时也延长了反洗周期。

沉淀池的出水进入海水储水池 ，作为超滤前的水力缓冲。进入超滤前设置 了管道过滤器 ，以防止较大的机械颗粒 阻塞超滤中空纤维膜的进水通道 ， 导致产水量降低 ，严重时可能会损坏膜元件 。

管道过滤器的出水进入超滤系统 ，超滤系统作为海水淡化反渗透 系统的预处理工艺 ，可以去除海水中的胶体 、病毒、细菌、悬浮物等物质 ，降低原水浊度 ，以保证反渗透系统在长期运行中更加稳定。超滤产水进入两级反 渗透系统进行脱盐 ，产水再经输送管路配给到用水点。

3 主要构筑物及设备参数

3.1 斜管沉淀池及海水储水池

1座 ，钢混结构 ，长为 15m，宽为 4m，深为 4m， 采用异向流斜板 ，表面负荷 为 2.5m³／(㎡ ·h)，斜管倾角为 60°。絮凝剂加药系统包括溶液箱 、加药 泵及搅拌器 ，加药量手动调整。杀生剂通过次氯酸 钠发生器制作 ，对原海水 中的细菌、病毒等微生物进 行灭活 ，否则这些微生物会堵塞超滤膜的膜孔 ，影响超滤系统的稳定运行。

3.2 海水储水池

1座 ，钢混结构 ，长为 15m，宽为 2m，深为 4m。 储水池的设置主要是为了后端的超滤系统进行压力缓冲 ，进出口设置对夹法兰式阀门 ，并配有排空阀， 便于日常维护 。

3.3 管道过滤器

超滤前端并联安装 了两台过滤精度为 100um 的 自清洗式管道过滤器 ，可截 留预处理水池中粒径 >100 um 的机械颗粒 ，防止进入超滤装置。较大的机械颗粒会污堵超滤进水孔 ，影响进水量 ，从而降低 产水量 ，甚 至会对膜丝表面造成不可逆的划伤 ，形成串水 ，降低产水水质 ，提高维护成本 。过滤器的进 、 出口都设有压力监控装置 ，目的是在进 、出 口压差增大 ，即污堵严重时进行滤网的自清洁。当两侧的压差达到 0．05MPa时过滤器内部的旋转刷会转动 ，将截留在滤网上的机械杂质清扫下来 ，同时排污阀打开 ，排放掉杂质。整个反洗过程需要 15～60S，也可根据现场实际情况适当调整清洗排污的时间。

3.4 超滤系统

超滤装置设置两台单级离心进水泵 ，互为备用 ， 流量为 70m／h，扬程为 250kPa。进水泵采用变频控制 ，控制参数为海水储水池的液位 、超滤产水池液位以及超滤进水侧的压力。当海水储水池处于低液位时 ，进水泵会自动停止并发出报警信号 ；压力信号 的作用是调整泵的转速 ，保持各超滤装置进水压力的恒定 。

超滤系统采用外压式进水 ，原水从膜丝外表面 渗入膜丝内部 ，产水从 中心管流 出，汇集到产水 池。 浓缩的原水被截留在膜丝外部 ，为了提高错流速度 ， 在一定程度上起到冲刷外表面的作用 ，该系统将一 部分浓缩液排回原海水箱 ，提高了浓缩水的流速 ，可以降低浓差极化现象 ，减少污染物的积累。通过这种方式 ，降低了超滤系统频繁反洗的频率 ，提高了回收率和产水效率。

超滤系统设备采用框架式结构 ，系统共配 置 2 组超滤装置 ，每组设置 36只膜组件。超滤系统设计的单套恒定出力为 1350m³／d，当其 中一套超滤设备处于正冲、反冲或化学清洗过程时 ，另外一套超滤装置可通过采用提高工作流量的方式保持系统的恒定产水量 。

超滤系统配有反洗设备 ，主要包括 ：反洗泵 2台 以及阀门、仪表、管路等。反洗泵 1用 1备 ，流量为 90m³／h，扬程为 300kPa。反洗泵采用变频控制。

另外 ，超滤系统还设置化学清洗设备 ，包括 ：清洗罐 1个 ，有效容积为 7m³；清洗泵 2台，流量为 30m³／h，扬程为 300kPa，两台泵同时工作。化学清洗周期一般为每两个月进行药洗一次 ，一次清洗时间 为 l0～24h。

3.5 RO 系统

① 一级 RO系统 一 级反渗透供水泵为卧式离心泵 ，出力为56．25 m³／h，扬程为 250kPa。采用变频控制 ，可根据系统 设定调节出水量。一级反渗透高压泵为反渗透膜组 提供足够的进水压力 ，维持 反渗透膜 的正常运行 。 其出力为 22．5m³／h，压力为 5．50MPa。进、出口安装高低压保护开关 ，进水压力过低或出水压力过高时将停泵 ，并将报警信息传送给操作人员。 在膜法海水淡化过程中 ，浓缩水侧有着非常高 的压力 ，数值非常接近进水侧 ，最低要 40MPa以上。

这部分能量如果直接排出系统 ，会造成非常大的浪费。本装置安装了浓水能量回收装置 (PX)，能量回收率 >93％。基本原理是高动能浓缩水在回收装置中通过多个液缸将能量传递 给低压力 的原海水 ，使低压原海水具有了较高的动能量。但是这个压力还是低于高压泵的出口压力 ，为了补偿这部分压力 ，还另外配备了增压泵 。每个膜堆设置 1台增压泵，把这部分海水的压力提升至 RO膜所要求的压力值 。 泵出力为 33．75m³／h，扬程为400kPa。采用变频控制 ，可根据设定水量及压力自动调节。

一级反渗透共设置 3组膜堆 ，2用 1备 ，每组膜堆采用一级一段排列 ，膜 126支 ，膜壳 21根 ，系统 回 收率≥40％。

根据工艺需要系统设置了海水淡化一级反渗透 产水池 1座 ，容积约 150m³，用来缓存部分一级反渗 透产水 ，并为二级反渗透提供一定的缓冲。 ② 二级 RO系统 二级反渗透 系统单独配有立式离心供水泵 ，为 高压泵提供一定给水压力的进水。泵 出力为 16．25 m³／h，扬程为 200kPa。 二级反渗透膜组高压泵出力为 16．25m³／h，扬程为 820kPa。进、出 口同样加装压力保护开关 ，在进水压力过低或出水压力过高时将报警及停泵 ，对膜进行保护。

根据一级产水的含盐量选择低压反渗透膜 。二级反渗透设置两组膜堆 ，采用二段式排列 (2：1)， 膜36支 ，膜壳 6根 。 二级反渗透浓水排水侧安装有流量控制阀，可以手动调节 ，以控制水的回收率≥85％。 根据工艺需要 ，系统设置了二级反渗透产水池 1座 ，容积约 350m³，用来储存系统产出的淡化水 。

4 运行效果

该海水淡化反渗透系统处理量 为 3000m³／d， 包括预处理系统、超滤膜系统 、反渗透脱盐系统 ，运行一个月后的效果见表 2。从表 2可以看出，经过膜法深度处理后 ，脱盐率 >99％，主要离子去除率 > 98％。 目前该设备已经运行 1年左右 ，中途由于产水电导率的提高进行了膜清洗 ，基本恢复了最初的运行效果。

5 效益分析

运行成本包括电费、药剂费用、膜更换费用。其中每吨产水耗电量为 3．7kW ·h，永兴岛的电价为 1．8元/（kW ·h），每吨产水药剂 、保安过滤器滤芯等耗材费用为 3.2元 ，反渗透膜使用寿命 以 3年计 ， 每吨产水膜更换费用为 0．54元／m³。，人工费约 3元／m³，总计产水成本约 13 元/m³。通过能量回收装置的应用 ，系统的能耗相 比于以往未采用该装置 的淡化工程降低 了 60％左右 ，节能效果 突出，吨产水费用也同时降低了 40％左右。

6 结 论

双膜法的反渗透代表了国际海水淡化的发展方 向，连续超滤作为预处理降低了化学药剂的加入量 ， 体现了环境友好性 。在反渗透装置 中采用高效的PX能量回收装 置 ，先进的能量回收技术 降低了电 耗 ，使每吨产水 电耗控制在 4kW ·h以下 ，明显降 低 了反渗透海水淡化装置制水成本 。在一年多的运行时间里 ，出水效果稳定 ，为全岛军 民的生活用水提供了可靠保障。