港口海水淡化工艺研究

港口海水淡化工艺研究

国家走道政策的推动为促进许多外国港口工程的发展提供了机会。其中许多项目位于低发达国家地区。市政供水设施不完善，无法提供可靠的水源。港口项目建在海边，海水淡化是解决生活和生产用水问题的唯一可靠方法。海水淡化是指通过一定方法将海水脱盐生产淡水的技术，海水淡化工业化至今已有50多年历史，当前世界上海水淡化技术中较为成熟且广泛采用的规模化生产海水淡化技术主要包括低温多效蒸馏法（LT-MED）、多级闪蒸法（MSF）、反渗透法（SWRO)3种方式，其主要优缺点如表1所示海水淡化工程研究主要针对经济性分析角度，是一个能耗过程，产水能耗是衡量海水淡化工艺经济合理性选择的重要指标，因此，将3种工艺能耗进行对比，如表2所示与其他两种技术相比，反渗透海水淡化技术无相变过程、无需消耗蒸汽、制水能耗较低，同时，出水水质可满足一般生活用水要求，设备相对简单，具有能耗较低、占地面积少、设计简洁、设备装置易集成等特点，特别适合港区项目中中小型海水淡化设施建设需求。因此，推荐反渗透法作为港区工程项目海水淡化设计的发展方向。反渗透海水淡化方法主要是将预处理的海水通过高压泵加压，使给水侧压力高于渗透压强，从而使原水中的水分子渗透到膜的另一侧，除去水中无机盐等成分，在低压端获得淡水，属于物理脱盐方法，主要特点为在海水淡化过程中溶质与溶剂分离不发生相变。我国早在1965年就对海水淡化反渗透技术展开研究，经过几十年的发展，反渗透海水淡化膜性能的研究已经取得了巨大的进步。近年来，国内海水淡化年增长率超过8%，相关工程规模增长主要来自于新建万t以上级别的大型工程。根据《2019年全国海水利用报告》，截至2019年底，我国现有万t级及以上海水淡化工程共37个，工程规模为140.3848万t/d，占全国海水淡化总规模的89.20%。从淡化工艺选择来看，大型海水淡化工程主要以反渗透海水淡化技术为主，约占海水淡化总工程规模的3.6%1关于日本落叶松的渗透设计1.1海水取水泵房根据取水量、水文条件和工程地质构造等因素，海水取水常采用引水渠取水、海岸式取水、深海取水和陆域渗透取水等取水方式。对于港区开发同时配套建设码头工程，且港区用水取水量相对较小的特点，从经济造价考虑，工程设计推荐将海水取水泵房建设于码头面上，取水泵选用长轴深井泵，既建造方便节省造价，还可以利用码头区域较好的水文条件，抽取较为清洁的海水。取水泵房选址应尽量根据水文条件和码头建设情况，选在码头上水位处，避免船舶工作停靠对水环境的影响。1.2淡化设备运行成本反渗透海水淡化是浓盐水经过高压，水分子由高浓度侧透过选择性渗透膜达到淡水侧，无机盐成分被截留下来的技术。然而，海水中除盐类外，还有悬浮物、泥沙、微生物和细菌等杂质，在海水淡化过程中，上述杂质会在膜表面进行沉积甚至繁殖和侵蚀，造成渗透膜污染和堵塞，使膜渗透通量减小，膜压差増大，渗透膜清洗频率增加，使用寿命减小，淡化设备运行成本大幅提高。为了渗透膜长期稳定的运行，需对海水原水采用一级处理，常用的工艺为混凝沉淀和混凝澄清过滤，其主要目的是降低海水中悬浮物浓度和浑浊度，使一级处理后海水出水浑浊度≤15NTU，悬浮物浓度≤20mg/L。不同区域海水的泥沙、浑浊度和微生物含量不同，水质差别较大，为此，需结合当地的水质条件选择适宜的一级处理工艺，以降低后续二级处理工艺负荷，提高反渗透膜组的使用寿命。根据多项目的工程实践经验，结合工程海水水质分析，本文对港区小规模的海水淡化一级工艺，推荐以下组合模式。1）海水浑浊度较高，浑浊度≥100NTU，推荐采用澄清池和无阀滤池组合处理工艺。2）海水浑浊度适中，15NTU≤浑浊度<100NTU，推荐采用竖流式沉淀池或者斜管沉淀池。3）海水浑浊度较低，浑浊度<15NTU，建议可不进行一级处理，直接在二级处理前投加杀菌除藻剂和絮凝剂即可。1.3级处理工艺二级处理主要采用过滤方法，二级处理目的是进一步降低海水的浑浊度和悬浮物，同时为反渗透膜做最后的保护屏障，二级处理工艺含海水提升泵、多介质过滤器、保安滤器和阻垢剂、杀菌剂投加设备等。1.4反渗透+膜组法海水反渗透淡化装置主要包括高压泵、反渗透膜组和能量回收装置。经过初步处理后的海水，再经过渗透膜组处理后，浓盐水仍然具有很高的压力，如果不能将这部分浓海水中的能量加以回收利用，将造成极大的能量浪费，海水淡化经济性也会大大降低。为此，可在浓盐水的排放管路上安装相应能量回收装置，用于回收浓海水中的能量，以有效降低单位产水综合能耗。2多哈港区陆域占地面积本项目位于吉布提多哈雷港，港口位于吉布提国首都吉布提市多哈雷区，扼红海入印度洋的要冲，工程码头长度为1200m，港区陆域占地面积为1.75×102.1海水淡化站的规模确定本工程最大日生活用水量为110m2.2海水淡化站处理工艺选择本工程位于红海区域，海水盐度达4.0%，海水浑浊度较低，因此，根据水质条件，海水淡化站未采用一级预处理工艺，但为确保对渗透膜组的保护作用，二级处理工艺中选取了活性炭吸附过滤工艺，以保护后续处理中渗透膜工作效率，具体海水淡化工艺流程如图1所示。2.3海水过滤工程(1）海水取水泵系统经过选址分析，在港区码头东北角设置取水泵房1座，泵房内设置海水取水泵2台（1用1备），取水泵采用长轴深井泵，水泵采用双相不锈钢材质。以海水淡化设备产水率为40%进行估算，海水工作流量为25m(2）动投加装置根据海水取水水质情况，本工程未设置一级预处理构筑物，但设置了杀菌灭藻剂和絮凝剂的自动投加装置。杀菌灭藻剂采用二氧化氯，投加量为2～3mg/L；混凝剂采用三氯化铁，投加量为15～60mg/L；两者投加量可根据实际运行情况进行调整，投加设备分别将灭藻剂和混凝剂投加于海水箱入水管道上。海水箱采用玻璃钢FRP材质，有效容积为50m(3）反渗透浓缩系统海水二级处理包含海水加压泵、多介质过滤器、活性炭过滤器、保安滤器和阻垢剂投加设备等。加压泵采用离心泵2台（1用1备），水泵参数为Q=25m采用碳钢结构的柱形容器多介质过滤器1台，内衬橡胶，设计能力为25m采用碳钢结构的柱形容器活性炭过滤器1台，内衬橡胶，每台设计能力为25m1#反冲洗水泵1台，Q=90m保安滤器2台，串联运行，采用玻璃钢FRP材质的柱形容器，设计能力为25m还原剂和阻垢剂自动投加设备各1套。为了对原水中氧化型杀菌剂所剩余的残余游离氯等氧化性物质进行还原，使其不具备氧化能力，避免强氧化性使反渗透膜受到氧化降解破坏，投加亚硫酸氢钠，投加量为3mg/L。为防止难溶性无机盐类在反渗透海水淡化过程中出现沉淀结垢，投加硫酸作为阻垢剂，投加量为3mg/L。(4）能量回收系统反渗透系统由高压给水系统（高压泵、能量回收装置）、反渗透膜组及冲洗系统组成，本工程能量回收装置采用转子式压力交换器，能量回收效率可达90%～95%冲洗系统1套，采用1m(5）污泥和浓盐水排放活性炭过滤器和多介质过滤器进行反冲洗时均会产生一定的污泥，将其与浓盐水储存于污泥池，污泥池采用钢筋混凝土结构，污泥池内设潜污泵1台，潜污泵根据污泥池液位自动启停，将浓盐水和污泥通过压力管道排入海域。(6）设备和配件材质海水具有较强腐蚀性，本工程埋地管材采用HDPE管，海水淡化间各设备之间管材采用SCH40UPVC给水管，阀门及各类配件选用不锈钢SS316L材质，离心泵采用SS316L材质，取水长轴深井泵采用双相不锈钢DSS材质，满足使用要求。3swro系统设计应用(1)SWRO工艺设备较为成熟，具备简单、能耗低、占地面积少、设计简单、易集成等特点，非常适合港区工程中小型海水淡化设施需求，推荐反渗透海水淡化法作为港区海水淡化设计的应用方向。(2)SWRO对进水原水水质要求较高，为了减少泥沙、悬浮物、微生物和细菌等对反渗透膜组的影响