薛喜東,張 乾,馮 濤,王可寧，安子韓，邵天寶

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

1 前言

環(huán)渤海區(qū)域是我國最為缺水的地區(qū)之一，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)用水量不斷增長[1-4]，水資源短缺與經(jīng)濟發(fā)展的矛盾日益突出，海水淡化作為開源增量技術，是解決該區(qū)域水資源短缺的重要途徑，且該區(qū)域具有取水、排水等距離優(yōu)勢，其海水淡化成本要比遠距離調(diào)水成本低，天津、唐山、青島等沿海城市紛紛規(guī)劃建設大型海水淡化工程[5-7]，海水淡化規(guī)模已呈穩(wěn)步增長趨勢；此外，為推動海水淡化產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，促進海水淡化規(guī)?；?，環(huán)渤海各省市在十四五規(guī)劃中均提出了海水淡化規(guī)模化利用[8-9]。

該研究為即將在環(huán)渤海地區(qū)建設的某大型海水淡化工程開展中試研究，在實際工況下對反滲透海水淡化系統(tǒng)進行性能測試，掌握該海域水質(zhì)特點、各工藝單元性能等，為大型工程的設計和運行提供技術支撐。

2 工藝及設備方案

2.1 原水水質(zhì)

為了掌握該海域水質(zhì)大致情況，便于開展中試工藝及設備設計，在中試試驗前(2020-10)進行了兩次取樣測試，測試結果見表1。

基于以上海水測試數(shù)值初步判斷，該海域藻類、有機物等污染較輕，懸浮物含量不高，中試工藝設計中暫不考慮除藻、沉淀等工藝單元。

2.2 工藝設計

海水經(jīng)取水泵輸送至原水箱，由給水泵加壓進入石英砂過濾器，之后進入超濾膜組，超濾出水達到反滲透膜進水水質(zhì)要求；清潔海水由中間水泵加壓輸送進入保安過濾器，保安過濾器出水分成兩股，一股經(jīng)高壓泵加壓后直接進入反滲透膜組，另一股進入到能量回收中利用反滲透濃海水的余壓進行加壓，然后再由增壓泵二次加壓后進入到反滲透膜組。

工藝流程示意圖見圖1。

圖1 工藝流程示意圖Fig.1 Process flow diagram

2.3 工藝設備說明

裝置采用“砂濾+超濾+反滲透”工藝，所有設備集中布置在12英尺集裝箱內(nèi)(見圖2)，設計產(chǎn)水量2.5 m3/h。

圖2 集裝箱內(nèi)部圖Fig.2 Interior drawing of container

2.3.1 取水系統(tǒng)

取水區(qū)域位于避風港灣，海底坡度較小，水深較淺，為保證在低潮位下取水可靠，采用“浮筒懸掛潛水泵”式取水。兩個浮筒的浮力約500 kg，浮筒四角通過錨桿固定于海底，潛水泵懸掛于浮筒下方，該方式可保證取水泵始終浸沒于水中，在實際應用中，未發(fā)生因潮位變動而無法取水。取水泵設置1臺，流量10 m3/h，揚程20 m。

2.3.2 預處理系統(tǒng)

預處理系統(tǒng)包括原水箱、給水泵、砂濾罐、超濾膜組、中間水箱、超濾反洗水泵、空壓機等。砂濾罐2臺并聯(lián)，每天反洗1次，二者產(chǎn)水相互作為反洗水，濾料厚度1 000 mm，設計濾速10 m/h；超濾膜采用4支膜天UOT-856型號膜，平均孔徑30 nm，設計膜通量44.6 L/m2·h，運行工藝由制水、氣水反洗、水沖洗、排污和增強反洗(CEB)等工藝過程組成，每個工藝過程的切換通過PLC控制自動實現(xiàn)，每隔30 min反洗1次，每反洗40次進行1次增強反洗，增強反洗設置鹽酸和次氯酸鈉加藥。

2.3.3 反滲透系統(tǒng)

反滲透系統(tǒng)包括中間水泵、保安過濾器、反滲透膜組、高壓泵、增壓泵、能量回收裝置等，設計回收率為34%。保安過濾器過濾精度5 μm，過濾流量9 m3/h；反滲透膜采用6支時代沃頓SW8040LE-400型號膜，共3支膜殼，每支膜殼填充2支膜元件，膜殼采用一級三段式排列，三段產(chǎn)水量比例為5 ∶4 ∶3；高壓泵選用丹弗斯柱塞泵，流量2.5 m3/h，揚程700 m；增壓泵選用ERI離心泵，流量6.5 m3/h，揚程35 m，高壓泵和增壓泵均采用變頻器調(diào)節(jié)，過流材質(zhì)選用SS2205。為了進一步降低能耗，利用能量回收裝置將反滲透膜排出的濃海水壓力直接傳遞給原海水，能量回收裝置采用ERI功交換式能量回收裝置，型號PX-30，流量4.5 m3/h～6.8 m3/h。

2.3.4 沖洗/化學清洗系統(tǒng)

沖洗/化學清洗系統(tǒng)主要包括沖洗/化學清洗水箱、水泵、保安過濾器及其附屬設備。當反滲透停止運行時，用反滲透產(chǎn)水自動沖洗膜內(nèi)和管道中的濃鹽水，使膜完全浸泡在淡水中，形成對膜和裝置的有效保養(yǎng)；為更好地保證系統(tǒng)正常運行，一般情況下，3個月～6個月進行一次化學清洗。

2.3.5 加藥系統(tǒng)

加藥系統(tǒng)包括加藥箱、加藥泵級附屬管件等。取水管路設置次氯酸鈉殺菌加藥點，加藥量1.5 mg/L；超濾增強反洗設置次氯酸鈉和鹽酸加藥點，加藥量分別為400 mg/L和500 mg/L；反滲透(保安過濾前)設置阻垢劑和還原劑加藥點，加藥量分別為3 mg/L和4 mg/L；另外，為了預防反滲透膜生物污染，設置反滲透非氧化殺菌加藥點，每隔2 d沖擊投加1次，加藥量為50 mg/L。

2.3.6 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)設置1面控制柜，內(nèi)附配電單元和控制系統(tǒng)，采用“PLC+觸摸屏”控制方式，具備手動和自動兩種功能，配置各類遠傳儀表，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線采集。在手動模式下，系統(tǒng)將根據(jù)現(xiàn)場操作情況決定各設備的啟停；在自動運行模式下，系統(tǒng)采用邏輯程序控制，各部分程序均根據(jù)相應水箱的液位高低情況決定相應程序的運行狀況。

3 試驗研究

中試試驗在2020-11-18～12-18開展，每天運行時間為上午9時至下午17時，每小時記錄一次數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)由在線儀表或遠傳儀表直接讀取。

3.1 原水水質(zhì)分析

原水溫度、原水濁度、原水電導率的變化見圖3，為了比較整體的運行趨勢，取每天各時間點的平均值進行比較。

從圖3 可以看出，隨著冬季推移，原水溫度逐漸降低，由14.2 ℃降低至-0.4 ℃，其中原水溫度階段性上升、下降主要是受氣溫的階段性變化影響；測試結果表明，原水溫度在每天內(nèi)變化波動差異不大，波動范圍2 ℃～4 ℃。

圖3 原水水質(zhì)變化圖Fig.3 Variation diagram of raw water quality

從圖3還可以看出，原水電導變化幅度較大，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，取水附近有鹽場不定時排放濃鹽水，由于取水區(qū)域?qū)儆诒茱L港灣，濃鹽水擴散較慢，因此濃鹽水排放在潮位較低時會持續(xù)影響后續(xù)幾天的原水電導率。如若不考慮濃鹽水排放時間段的影響，從整體來看，原水電導率保持在31 mS/cm～39 mS/cm。此外，如若不考慮濃鹽水排放時間段，原水電導率在每天內(nèi)波動不大，波動范圍為0.5 mS/cm～1.5 mS/cm。

從圖3濁度數(shù)據(jù)可以看出，原水濁度波動較大，最小值為3.6 NTU，最大值為17.0 NTU，90%時間濁度保持在10 NTU以下。試驗中發(fā)現(xiàn)，在海面風浪較大和下大雨時濁度較高。從結果來看，原水濁度在每天內(nèi)變化波動差異較大，最小波動小于1 NTU，最大波動大于10 NTU。

綜上分析，該海域大型海淡工程設計中，預處理工藝設計需考慮冬季低溫低濁的水質(zhì)特點，確保產(chǎn)水水質(zhì)滿足反滲透進水要求；反滲透高壓泵選型需考慮冬季低溫運行工況下的揚程，確保冬季產(chǎn)水量滿足用水要求；取水區(qū)域濃鹽水排放對原水電導率影響較大，工程建設中取水頭部需盡可能遠離該濃鹽水排放口。

3.2 預處理運行分析

砂濾在每天停機后反洗一次，超濾采取錯流運行，期間主要考察砂濾和超濾的產(chǎn)水水質(zhì)及穩(wěn)定性，試驗結果見圖4。

圖4 砂濾及超濾產(chǎn)水水質(zhì)變化圖Fig.4 Variation diagram of produced water quality of sand filtration and ultrafiltration

從圖4可以看出，超濾產(chǎn)水濁度受原水濁度的影響較小，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.10 NTU～0.20 NTU；砂濾在運行初期，產(chǎn)水濁度較高，且受原水濁度變化的影響較大，之后砂濾產(chǎn)水濁度逐漸穩(wěn)定，受原水濁度變化的影響減小，基本保持在1.0 NTU～2.5 NTU。此外，就每天運行的測試數(shù)據(jù)來看，砂濾及超濾的產(chǎn)水濁度在每天設備開機階段較高，之后逐漸降低并趨于穩(wěn)定。綜上分析，該海域大型海淡工程設計中，針對冬季低溫低濁的水質(zhì)特點，預處理采用“濾料過濾+超濾膜過濾”工藝可滿足反滲透進水水質(zhì)要求。

通過一個月的連續(xù)運行，超濾跨膜壓差由0.03 MPa上升至0.08 MPa，試驗比較了“0.15%鹽酸”和“0.2%次氯酸鈉+0.1%氫氧化鈉”兩種清洗方案的效果，結果見表2。

表2 超濾膜清洗方案對比Tab.2 Comparison of ultrafiltration membrane cleaning schemes

通過表2可以看出，使用“0.2%次氯酸鈉+0.1%氫氧化鈉”清洗方案較“0.15%鹽酸”的清洗效果顯著，說明超濾膜的污染主要以有機污染物為主，并未發(fā)生顯著的無機鹽結垢等現(xiàn)象。

3.3 反滲透運行分析

試驗選取34%、50%、55%、60%四個回收率值分別運行，反滲透產(chǎn)水流量恒定為2.5 m3/h，運行數(shù)據(jù)見圖5～圖8。

從圖5～圖8可以看出，進水電導率受取水區(qū)域濃鹽水排放的影響，波動幅度較大，進水電導率對進水壓力、產(chǎn)水電導率的影響也較大。在進水電導率相對穩(wěn)定的時間段內(nèi)，隨著進水溫度的降低，產(chǎn)水電導率降低，運行壓力上升；在進水溫度相對穩(wěn)定的時間段內(nèi)，隨著進水電導率的升高，產(chǎn)水電導率升高，運行壓力上升；從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在回收率一定時，與進水溫度相比，進水電導率對產(chǎn)水電導率、運行壓力的影響更為顯著。此外，從每天測試數(shù)據(jù)來看，產(chǎn)水電導率在每天設備開機階段較高，之后逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

圖5 反滲透34%回收率下運行曲線Fig.5 Operating curve at 34% recovery

圖6 反滲透50%回收率下運行曲線Fig.6 Operating curve at 50% recovery

圖7 反滲透55%回收率下運行曲線Fig.7 Operating curve at 55% recovery

圖8 反滲透60%回收率下運行曲線Fig.8 Operating curve at 60% recovery

反滲透在不同回收率下的運行數(shù)據(jù)見表3。

表3 反滲透在不同回收率下的運行數(shù)據(jù)Tab.3 Operating data of RO at different recovery rates

綜上分析，回收率對反滲透運行壓力影響較大，而對產(chǎn)水水質(zhì)影響較小，在大型海淡工程設計中，需結合噸水能耗優(yōu)化設計回收率。

4 結論及建議

1)原水溫度變化范圍為-0.4 ℃～14.2 ℃，每天波動范圍2 ℃～4 ℃；原水濁度變化范圍為3.6 NTU～17.0 NTU，90%時間濁度保持在10 NTU以下，每天波動差異較大；原水電導率受附近鹽場不定時排放濃鹽水的影響較大，若不考慮濃鹽水排放時間段的影響，原水電導率變化范圍為31 mS/cm～39 mS/cm，每天波動范圍0.5 mS/cm～1.5 mS/cm。

2)超濾產(chǎn)水濁度不受進水濁度的影響，產(chǎn)水濁度基本保持在0.1 NTU～0.2 NTU；砂濾產(chǎn)水濁度受進水濁度的影響較大，在運行初期，產(chǎn)水濁度較高，之后逐漸降低，產(chǎn)水濁度基本保持在1.0 NTU～2.5 NTU。

3)反滲透進水壓力、產(chǎn)水電導率受進水溫度和進水電導率的影響較大；隨著進水溫度的降低，產(chǎn)水電導率降低，進水壓力上升；隨著進水電導率的升高，產(chǎn)水電導率升高，進水壓力上升；與進水溫度相比，進水電導率對產(chǎn)水電導率、進水壓力的影響更顯著。

4)針對該海域水質(zhì)，“砂濾+超濾+反滲透”工藝路線在冬季可行，其它季節(jié)還需密切關注藻類，必要時在砂濾工藝前增加氣浮除藻工藝，并開展試驗研究考察除藻性能；此外，取水區(qū)域濃鹽水排放對原水電導率影響較大，工程建設中取水頭部需盡可能遠離該濃鹽水排放口。