1000m3d-1海水淡化可行性研究报告(电渗析技术)第一组

10000m3/d海水淡化设计方案 电渗析 环境工程 1 目 录 1.方案选取 2 1.1 处 理对象分析 海水成分分析 2 1.2 不同 处理方法方案对比分析 2 1.2.1反渗析法 2 1.2.2 离子交换法 3 1.2.3 蒸馏法 4 1.2.4电渗析法 5 1.2.5方法对比及方案选取 6 2.工艺设计 7 2.1 电渗析进水水质要求 7 2.2 电渗析海水淡化处理过程原理 7 2.3 工艺设计 8 2.3.1 海 水预处理 9 2.3.2 电渗析循环淡化 9 3. 电渗析 造水成本 分析 12 4. 电渗析 swot 分析 13 参考文献 16 环境工程 2 10000m3/d 海水淡化设计方案 针对 10000m3/d海水淡化的处理量，我们小组通过对国内外各种海水淡化处理方法的对比研究，给出海水淡化的处理方法。 1. 方案选取 1.1. 处理对象分析 海水成分分析 首先对处理对象 海水的主要成 分经行分析，通过资料查找，得出海水的主要离子成分，具体含量见表 1。 表 1 海水的主要离子成分 成分 含量 /(mg/L) 成分 含量 /(mg/L) Cl- 18980 Br- 65 Na+ 10560 Sr2+ 13 SO42- 2560 SiO2 6 Mg2+ 1272 NO3- 2.5 Ca2+ 400 B 4.6 K+ 380 F- 1.4 HCO3- 142 总含盐量约 34400mg/L 从图表中我们可以看出，海水中 Cl- 含量最多，占到总含量的55%， 其次为 Na+为 31%， SO42- 和 Mg2+分别为 7%和 4%，其他离子仅占占3%。因此海水淡化处理主要针对Cl-、 Na+ 、 SO42-、 Mg2+的去除进行方案设计。 1.2. 不同处理方法方案对比分析 目前，世界上已有 120多个国家在运用海水淡化技术获取淡水，全球有海水淡化厂 1.3万多座，海水淡化日产量约 5560 万立方米，相当于 0.5%的全球用水量，其中 以色列拥有世界最大规模的海水淡化运作设施。 而我国目前每天海水淡化总产量 3 万吨，仅为全球总产水量的 1 左右 ，关键设备仍依赖进口 。 就当前海水淡化处理技术而言 ， 10000m3/d 处理量海水淡化 可采用以下几种方法： 1.2.1. 反渗透法 环境工程 3 反渗透以利用用足够的压力使溶液中的溶剂（一般常指水）通过反渗透膜（一种半透膜）而分离出来的原理，对海水经行分离、提纯和浓缩，从而达到海水 淡化的处理效果。其具体的工艺流程如下图所示： 反渗透法的 具体 设备流程 如下图所示： 图 1 反渗透法设备流程图 海水由设在海边的深水井经深水泵将海水送入淡水厂房，经过化学加药系统投加杀菌剂和混凝剂后进入石英砂和活性炭过滤系统过滤。滤后水经过水质还原、 PH调整以及阻垢剂添加后进入 5 m的保安过滤系统，过滤后的低压海水一路进入高压泵加压，另一路进入压力交换式能量回收装置，升压后的海水经过增压泵加压后与高压泵出水混合进入反渗透膜堆系统。高压海水的膜堆的处理下一部分透过膜成为淡水，经过水质调整后进入 淡水水箱存储。其余的高压浓缩水进入压力交换能量回收装置回收能量后排放。 1.2.2. 离子交换法 离子交换法是以圆球形树脂 (离子交换树脂 )过滤原水，使水中的离子会固定在树脂上以完成离子交换。通常离子交换树脂利用氢离子交换阳离子，而以氢氧根离子交图 2 反渗透流程实图 环境工程 4 换阴离子，常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。其 工艺流程如下图所示： 将天然矿物海水离子交换剂加入到海水淡化离子交换装置中，将淡化后的海水输入到天然矿物海水淡化离子交换 装置内，海水中的钠和钾离子与天然矿物海水淡化离子交换剂进行交换，经沉淀澄清后得到一种清澈透明、纯净爽口的弱碱性矿化水。 离子交换法的装置设备 如下图所示： 图 3 离子交换装置设备 1 初步淡化后的海水 2 进水管 3 上盖板 4 离子交换柱的上部空间 5 上联接螺栓 6 进水管与离子交换柱的联接支架 7 溢水管 8 溢出水 9 溢出水水流方向 10 离子交换柱 11 矿化 水 12 出水管 13 下盖板 14 离子交换剂 15 三通 16 下联接螺栓 17 沉淀室 18 废渣排放管 1.2.3. 蒸馏法 蒸馏法是指把海水加热使之沸腾蒸发，再把蒸汽冷凝成淡水的过程。蒸馏法是淡化海水的最古老的方法。其采取的工艺流程如下图所示： 环境工程 5 来自锅炉 (或其他设备 )的蒸汽，首先进入第一组蒸馏器，使海水中的水蒸发。在第一组蒸馏器内一部分水蒸汽冷凝放出热量，这部分热量再传输到下一组蒸馏器，下一组蒸馏器内的温度和压力都自动低于上一组。蒸汽的压力和温度随着传输变得越来越低 ，海水的浓度变得越来越高，直到最后一个蒸馏器，将含盐浓度较高的海水排出。在整个蒸馏过程中，回收冷凝下来的水即为高浓度的淡水。 蒸馏法进行海水淡化的设备图 如下： 图 4 蒸馏法海水淡化设备 1.2.4. 电渗析法 电渗析器中交替排列着许多阳膜和阴膜，分隔成小水室。当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子就作定向迁移。阳膜只允许阳离子通过而把阴离子截留下来；阴膜只允许 阴离子 通过而 把阳离子截留下来。结果使这些小室的一部分变成含离子很少的淡水室，出水称为淡水。而与淡水室相邻的小室则变成聚集大量离子的浓水室，出水称为浓水。从而使离子得到了分离和浓缩，水便得到了 净化 。 电渗析的具体工艺流程如下： 环境工程 6 当海水流经电渗器时，在直流电场的作用下，阴离子透过阴膜向阳极方向迁移，途中被阳膜挡住去路，被水流冲洗而出；阳离子透过阳膜向阴极方向迁移，途中被阴膜挡住，也被水流 冲出。透过阳膜或阴膜的水为淡水。结果，从大约一半的夹层流出的水为淡水，从另一半流出的则为浓缩的海水。 1.2.5. 方法对比及方案选取 表 2 各种处理方法优缺点对比 处理方法 优点 缺点 反渗透法 可在一般温度下操作，没有相变 浓缩分离同时进行； 不需投加其他物质，不改变分离物质的性质； 有效的去除水中的溶解盐、胶体等大部分有机物等杂质； 预处理要求严格； 反渗透膜需要定期更换，运行成本高； 海水温度低的情况下需加热处理； 需要高压设备； 离子交换法 淡化后的水仍会保留部分人体所需要的离子，有利于人体健 康； 不排放污染环境的气、液、渣，符合环保要求； 会产生过量的再生废液； 周期较长、耗盐量大； 有机物的存在会污染离子交换树脂； 排出大量含盐废水易引起管道腐蚀； 蒸馏法 结构简单、操作容易； 所得淡水水质好； 一次只能淡化少量的海水，不能连续生产； 蒸馏器内壁易结水垢使蒸馏能力降低； 用于蒸馏的热量不能回收重复利用； 电渗析法 不需要消耗化学药品； 设备简单、操作方便； 可以同时对电解质水溶液起淡对于不导电的颗粒没有去除能力； 图 5 电渗析进行海水淡化设备图 环境工程 7 化、浓缩、分离、提纯作用 无相变过程； 工作介质不需要再生； 方案 分析 ： 通过以上对比分析，我们不难看出， 采取电渗析法对 海水 进行 淡水 处理 是最经济的。 首先， 从经济效益方面说，电渗析处 水水质稳定 ， 投资费用回收时问短 ，电渗析 装置主要为一次性投资， 一般保持每年 5 ； 的离子交换膜更换翠就町以维持正常生产。经济效益明显 。 其次，在设备的实用性和可操作性方面，与其他海水处理方法比较， 电渗折工程施工方便 ，运行周期长 ，装置设计与系统应用灵活，操作维修方便 ，具有更好的工程实地应用性。 再次，电渗析 装置使用寿命长 ，其实用的 材料的绝缘性与抗腐蚀性都很好，不存在如 蒸馏 那样的装置严重腐蚀问题 。 综 合以上观点，电渗析是最佳处理方法。 2. 工艺设计 2.1. 电渗析进水水质要求 水温： 5-40 OC 耗氧量 3mg/L(高锰酸钾法 )、游离氯 0.2mg/L、铁 0.3mg/L、锰 0.1mg/L。浊度 :1.5-2.0mm隔板 0.3mg/L、 0.5-0.9mm隔板 0.3mg/L、污染指数 SDI7(EDR)。 2.2. 电渗析海水淡化处理过程原理 电渗析是利用离子交换膜在电位差推动力的作用下，从水溶液中脱除离子的一种分离技术。如图 6所示，电渗析器一般由阳离子交换膜和阴离子交换膜交替叠合在阳极和阴极之间组成，由一张阳膜和一张阴 膜组成一个膜对，可组装成一个隔室，当氯化钠水溶液流过两膜间的隔室时，在电场作用下，溶液中带正电荷的钠离子做定向连续迁移，渗透通过带负电荷的阳离子交换膜，被阴离子交换膜阻挡；与此同时，溶液中带负电贺的氯例子连续渗透通过阴离子交换膜。这种反离子的定向迁移结果是每隔一室溶液中的离子浓度增加，而与其相见的另一隔室内的溶液中离子浓度下降。一般称溶液离子浓度增加的隔室称为浓缩室，其溶液称为溶液或盐水；溶液离子浓度降低的隔室称为淡化室，其溶液称为稀溶液或淡水。从而使离子得到了分离和浓缩，海水得到淡化。 环境工程 8 图 6 电渗析 原理示意图 2.3. 工艺设计 1000m3/d 海水淡化电渗析法 具体 工艺流程 如下： 图 7 1000m3/d 电渗析海水循环淡化工艺流程简单示意图 图 8 1000m3/d 电渗析海水循环淡化工艺流程系统图 环境工程 9 2.3.1. 海水预处理 为了达到上述进水水质要求，海水预处理部分设计如下： 海水取水部分的主要设备有真空引水箱、海水泵和海水箱。第一次开泵前需将真空引水箱加满水，启动海水泵后 ，海水便进入海水箱，海水箱中装有浮球阀以控制水箱水位。 采取上述装置的原因在于： 海水中存在一些不稳定离子，若所处环境改变后，这些离子会 还原成胶状物致使原水浊度升高。因此，在原水进入淡化装置之前设置海水箱，海水与大气充分接触逐步趋于稳定， 并在海水箱中得到初步澄清沉淀。由于原水中含有微生物，在预处理前加次氯酸钠 (2mg/L)杀灭细菌，同时防止和抑制微生物的滋生。杀菌后的水加入絮凝剂 (聚合氯化铁 5mg/L)进行直流凝聚，以便后续过滤去除。 预处理部分的主要设备有原水泵，双层滤料砂滤器， 200目捕捉器和 5 0um 精滤器。正常运行时，启动原水泵，使海水箱的海水经三级过滤后，达到进水水质要求后分别向淡化箱、浓缩箱，极水箱供水。 2.3.2. 电渗析循环淡化 我国海域海水浓度高达 34400mg/L，而一台电渗析的 原水利用率为 80%，回收 率 （产 1m3的淡水所需的海水量） 为 45 -75， 脱盐率为 45%-90%。 为了达到国家标准饮用水 (8001000mg/L )的水质标准 ， 电渗析淡化工艺采用批量循环法， 一台电渗析的 原水利用率为 80%，回收率 为 45 -75， 回收率按 60%计算则有： 水处理量为 10000m3/d，每小时处理量为： 10000/24=417 m3/h 原水利用率为 80%，回收率 60% 则每天产水量为： 417 0.8 0.6=200.16 m3/h 折算成质量为： 200.16 m3/h 1000kg/m3=200.16t/h 由电渗析器规格性能表查得，产水量最多的电渗析器产水量为 60t/h,为满足产水量要求，选择产水量 60t/h 的电渗析器四组（产水量可达 240t/h）并联运行。 四个系列可以同时运行 ，在意外情况发生时 ， 如果 某系列出现问题 ，其他三组电渗析器的产水量为 180t/h， 仍然可以保证要求产水量的 90%。 我国海域海水浓度高达 34400mg/L，如果采用一台电渗析器，脱盐率按 85%计算： 每台电渗析器脱盐后，水含盐量为： 环境工程 10 34400mg/L 0.15=5160 mg/L 两台电渗析器脱盐后，水含盐量为： 5160mg/L 0.15=774 mg/L 由计算可以看出，一台电渗析器的脱盐量无法达到饮用水水质要求，所以 每系列由二台电渗析器串联 组成，以保证出水水质 。运转时，电渗析器分别由四台整流器供直流电。便于检修，本系统共设计四个系列，每系列由二台电渗析器串联，四个系列可以同时运行，某系列出现问题 其他装置仍可保证出水 。 批量循环淡化 当海水预处理部分处于正常工作状态后，其淡化箱，浓缩箱和极水箱都是满水位，这时调节好各水箱流量、压力，开启整流器，整套机组启动完毕。通入直流电后起动工作，可把电气旋钮板至自动位置进行自动操作淡化。通直流电后，电渗析器开始脱盐，淡水箱中的海水所含的盐不断通过电渗析器循环脱盐而迁移到浓缩箱的浓水中去，由于刚通电时淡化箱中的是海水，含盐最高，其水电阻低，故而每台电渗析器的电流较大，随着脱盐时间的延续，淡化箱中海水的浓度不断下降，其水电阻不断上升，电渗析器的电流也随之降低，当盐量计指示该淡化水已符合产品水要求时 (800mg/L) ，这时，每系列直流电流的值 ( 约为 30A)为合格水电流点，利用电流表这个触点自动调节相关电磁阀。这样，合格的淡化水不再通过电磁阀回到淡化箱，而直接送到淡水箱。在排放合格水时，电渗析主机仍然在运行，以保持产品水的水质。当淡化箱的淡化水排至水箱下限位时，调节相关阀门不断补充新的海水，此时电渗析器又恢复到循环脱盐运行，系统处在一面加水而又在淡化的过程中，直到淡化箱的水满至上限水位时，关闭阀门不再进入海水。这时由于海水浓度高，而电渗析器的电流也随之自动加大，接点电流表的电流值很快越过合格水电流点，进入 第二批量运行。值得说明的是在海水淡化中甩电渗析器的台格水电流点来控制批量运行是非常有效的，但也耍配上盐量计进行监控以便及时校正。 批量循环淡化 的主要目的是 保证进入电渗析器的水浓度始终不变。海水受到降雨或是其他因素的影响，原水浓度不断变化，批量循环淡化工艺将产品水的一都分返回淡水池，与补充的原水混合均匀后经淡化泵再 打入电渗析器，始终保持淡化箱的浓度不变。另外，电渗析产水率及耗电量和原水含盐量密切相关。原水浓度降低，则产水量增加，耗电量低；原水浓度 升高 ，则产水量下降，耗电量高，所以保证进水浓度不变能保证系 统的安全稳运行 ，同时也能降低能耗， 节约成本。 另外，浓水系统一直是在进行半循环运行，从电渗析器出来的浓水分成二路，一路回到 环境工程 11 浓缩箱，另一路通过阀门和流量计排到极水箱中，浓缩箱则由浮球阀自动补充海水，以防止浓缩箱的水浓度过高而沉淀，浓缩箱海水的补充量等于排到极水箱的浓水量。极水系统也是采用半循环式，补充水则是采用部分浓水，极水箱满位时可以溢流多余的极水，这也防止极水长期运行时产生氯气过高的现象以及及时排出电极沉淀物。 将以上设备及相应管路安置到厂房中，具体的平面设计图如下： 图 9 1000m3/d 电 渗析海水循环淡化工艺流程车间平面图 各装置规格选取情况如下表所示： 表 3 各装置规格选取情况 装置名称 型号规格 大小（ mm） 备注 电渗析器 DKD1- -2 x 2-250 长 x宽（ 800 x1600） 二级二段式，供 250对膜，共 8台 整流器 KGWA140A/100V 长 x宽 x高（ 810 x 510 x 1700） 立式精滤器 直径（ 1000）、总高（ 2560） 原水泵 IS80-65-160 电机（ 7.5KW） 酸洗泵 70-1 电机（ 4KW） 酸洗水箱 长 x宽 x高（ 850 x 850 x 700） 聚氯乙烯塑料制 流量计 LZB-100 砂滤器 直径（ 1200） 淡化箱 容积（ 4立方米） 聚乙烯材质 浓缩箱 容积（ 4立方米） 聚乙烯材质 极水箱 容积（ 2立方米） 聚氯乙烯塑料制 环境工程 12 不论原水浓度如何变化，由于采用批量循环淡化工艺，进入电渗析器的水浓度始终不变 。这就使电渗析器的工作不受水浓度变化的影响，同时提高产量，降低能耗。其次，本工艺用浓 水 做极水，浓水泵出口设一分支流入极水流量计，计量后进入电渗析器，从而节约成本。 本 工艺中单系列电渗折器上也能够方 便地进行产水量与脱盐。电渗柝器并联可以增加产水量，串联可以提高脱盐率， 保证出水水质。 循环或部分循环的方式可以缩短工艺流程，因此电渗柝工程适应性较强。另外，若出现问题，能迅速解体，调换部件 ， 投入正常运行。 产品水分成两种，更具科学合理性。因为电渗析过程 对不带电荷的物质如有机物、胶体、细菌、悬浮物等无脱出能力。因此，电渗析法直接用于淡化制备饮用水是不适合的。所以产品水分两种，一种卖给对水质要求不高的用户，另一种在经过超滤和消毒工艺后作为饮用水。 3、电渗析法造水成本分析 在进行水的成本分析时，电渗析设备的 使用寿命以 8年计 ，工程的折旧年限以 l 5年计 ，银行贷款的还款年限以 l 5年 、年利率以 6 计 ，装置的年利用率以 9 5 计算 ，其造水成本的各项费用分别为： (1)热力消耗 电渗析装置不需要加热，因此不存在热量消耗； (2)电力消耗 电渗析装置耗电量每吨淡水约 0.2 2.0度，电流效率 80 -84，运行费用 5.0kwh/m3，每度电价以 0.3元计 ，海水处理吨水电力成本为 2.01元； (3)职工工资福利费用 电渗析装置的预处理部分需要人工维护，装置每班设 3人操作。人员的配 备采用三班 9人制，人均年工资 20000元，每吨淡化水的劳动力费用为： 0.034元。福利费用取为工资额的 1 5 ，每吨淡水的福利费用为 0.005元。职工工资福利费用为 0.04元 t ； (4)大修及检修维护费用 电渗析淡化工程的年大修及检修维护费用为其固定资产原值的 1.6 ，则每吨淡化水的维修费用为 0.32元 ； (5)管理费 管理费取为劳动力费用的 20， 每吨淡化水的管理费用为 0.008元； 环境工程 13 (6)固定资产折旧费用 固定资产的折旧年限为 15年 ，固定资产残值为 4 ，固 定资产原值为 8 0 0 0万元，海水电渗析的折旧率为 5%，每吨淡水的固定资产折旧费用为 0.98元，电渗析的单位造水成本 5.231元 t 。 4.电渗析 swot 分析 以上是电渗析设计方案， 针对我们设计的电渗析海水淡化处理方法，我们进行了 swot 分析，准确定位电渗析海水淡化的优势、及发展方向。 电渗析海水淡化 swot 分析 当前的形式是什么 当前全球可利用的淡水资源短缺，海水淡化技术不断更新发展，全世界都在经行海水淡化方法的研究以缓解用水困难问题。 当前的战略是什么 在满足客户要求的基础上，经济效益好 ，可行性高的产品可迅速占领市场。 我们的 优势 Strengths 1、电渗析海水淡化能量消耗少，经济效益显著，尤其对于 10000 30000mg/1的海水脱盐后可达至含盐量可达 500mg/l，该方法经济可行，有效降低工程耗资量。 2、电渗析装置主要为一次性投资，一般保持每年 5的离子交换膜更换率就可以维持正常生产，并且装置使用寿命长，大大降低了实际运行中的资金消耗。 3、电渗析装置设计与系统应用灵活，操作维修方便，具有较强的工程实地应用性。 4、电渗析优于其他海水淡化方法的地方是：它工艺简单、除盐率高、制水 成本低、操作方便、电极可以再生后重复使用 、且不污染环境，保证了工艺运行的持续性。 劣势 Weaknesses 电渗析过程对不带电荷的物质如有机物、胶体、细菌、悬浮物等无脱除能力，不适宜用于饮用水的海水淡化的处理。 机会 Opportunities 当今社会注重经济效益和工程方案可行度，在满足用户要求的情况下，哪个方案投资最少收效最快，哪个方案最简单易行，操作容易，哪个方案就会迅速的占领市场，成为海水淡 环境工程 14 化的主导方向。 电渗析法最切合当前社会发展形势，其能耗小，装置灵活操作简单的特点刚好符合市场需求，采用电渗析 海水淡化法可以为企业节省资金，减少实地工程的实行困难，带来良好的经济效益，因此备受大家青睐。 新技术或者产品的开发研制，在弥补老技术的同时又新添很多优势，目前应用较好的有 EDR技术、极限电流测试方法、具有我国特色的定时倒换电极和酸洗相结合的操作方法等。 威胁 Threats 随着科技的发展，其他海水淡化方法逐步出炉，比如反渗透法、蒸馏法等等带来了强大的竞争力。尤其是膜技术的不断更新，使得反渗透海水淡化方法逐步显示出优势。 电渗析装置进水要求 将结果在 SWOT 分析图上定位 优势（ Strength） 劣势（ Weakness） 能量消耗少 ，经济效益显著 除盐率高、制水成本低 灵活 ，操作简单 电渗析过程对不带电荷的物质如有机物、胶体、细菌、悬浮物等无脱除能力 不适宜用于饮用水的海水淡化的处理 机会（ Opportunities） SO WO 当今社会注重经济效益和工程方案可行度 新技术或者产品的开发研制，在弥补老技术的同时又新添很多优势 研制开发电渗析新技术，通过不同组件的更新提高设备的整体性能 开发再生电极，降低运行成本 提升部分组件性能或者与其他组件工艺相结合，去除这些不带电荷的 物质 在原设备的基础上增加截留、杀菌等辅助设备以达到饮用水水质标准 风险（ Threats） ST WT 内部能力 外部因素 环境工程 15 其他海水淡化方法逐步出炉，反渗透法、蒸馏法等等带来了强大的竞争力 突出电渗析法海水淡化装置的灵活性和可操作性，使其在同类产品中脱颖而出 通过技术更新，继续降低之水成本，占领非非饮用水海水淡化的大部分市场 环境工程 16 参考文献 : 1 李明 . 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