基于反渗透法的新能源海水淡化系统设计研究

基于反渗透法的新能源海水淡化系统设计研究

涠洲岛是中国著名的风景如画的风景名胜区。2019年底，岛上约有1660名原居民，人均淡水资源不足。此外，该岛的日中游客还达到了1次，这进一步限制了没有必要捕捉的淡水资源。海水淡化是解决海岛淡水资源紧缺的有效方法。关于海水淡化系统设计，李露等设计了“自清洗过滤+超滤+一级反渗透”的工艺方案，降低了污染物冲击；叶占军介绍了岱山县长涂镇的反渗透海水淡化工程设计方法，包括设计参数及设备配置情况；邓勇针对广东某海岛设计了风光互补反渗透海水淡化系统；冯宾春等介绍了成套的风光互补式微网海水淡化技术；张海春等提出了在舟山发展新能源海水淡化技术的建议，认为舟山有海水淡化巨大需求，具备海水淡化的有利条件；周婷对基于反渗透法的新能源海水淡化系统进行了研究；刘银进行了风光互补反渗透海水淡化系统优化设计研究；靖大为等给出了反渗透膜系统结构设计的诸项指标与一般原则，得出特定膜系统在75%收率指标下系统的段容器比，给出了提高回收率的具体措施。虽然已有多位学者对海水淡化工程的设计及优化做过相应研究，但针对涠洲岛的海水淡化工程设计鲜有见闻。水质和水量原水水质本工程设计原水水质为海岛周边海水，相应的海水参数及海水离子成分，如表1～表2所示。设计水源水质和产量本工程的设计产水水质如表3所示。结合涠洲岛的淡水资源现状，设计一小型的海水淡化系统，产水量为450m系统设计水池混凝土结构本设计利用潮位差，在靠近海岸处设置一海水蓄水池，钢筋混凝土结构，规格尺寸为15m(长)×10m(宽)×8m(高)，海水经引水渠流入该水池，蓄水池前设置拦污栅，栅栏网孔面积小于1cm处理2.2.1处理工艺流程符合现水水质海水经拦污栅流入蓄水池，海水经原水泵加压进入精度为200μm的自清洗过滤器，可去除大部分泥沙颗粒物等，过滤水流入混凝沉淀池加药混凝沉淀，相对洁净的水进入孔径为0.08μm的超滤膜，使海水SDI<3，超滤水经反渗透供水泵送至精度为5μm的保安过滤器，确保海水SDI<3，过滤水经加压送至反渗透系统进行脱盐处理，脱盐产水TSD为92.86㎎/L，符合国家饮用水质标准，工艺流程如图1所示。2.2.2预处理工艺及工艺反渗透海水淡化装置的进水水质好坏直接影响整个系统的运行寿命长短，传统的海水预处理方法主要是混凝-沉淀+砂滤工艺，随着超滤技术的快速发展，超滤技术融入海水与处理已是必然趋势。本次设计采用自清洗过滤+混凝-沉淀+超滤的预处理工艺。原水泵将海水从蓄水池输送至自清洗过滤器，初级过滤后，进入混合器，与絮凝剂混合，然后流入絮凝沉淀池，洁净水进入超滤系统。设置2台原水泵，一台备用，选用尤孚VS冲压不锈钢潜水泵，最大流量为280m自清洗过滤器选用贝思锐BSRF500自动反冲洗过滤器，过滤精度200μm，设计压力为1.0MPa，设计流量大于60m絮凝沉淀池，钢筋混凝土结构，因为接触絮凝占地面积小，涠洲岛海水浊度低，选用接触絮凝处理方式，絮凝沉淀池2座，水量为600m超滤系统，选用海德能HYDRAcapMAX60型中控纤维超滤膜组件，产水流量最大为8.6m设置1台超滤反洗泵，流量为60m设置1台超滤气洗空压机，产气量为60m超滤水流入规格尺寸与原水池相同的中间水池储存。2.2.3膜元件数的确定脱盐设备是反渗透海水淡化装置的核心，包括高压泵、反渗透膜组件、能量回收装置等。高压泵选用太博不锈钢离心泵，设置2台，单台流量为45m膜元件数=产水量(GPD)/产水率推荐值/膜面积(ft其中，对于SDI<3的海水产水率推荐值为11；海德能SWC5-LD有效膜面积为400ft参照文献在反渗透高压泵之前设置保安过滤器，精度为5μm，确保进水SDI<3，设置两台，其中一台备用，单台处理流量为25m反渗透膜排出的浓水仍具有很高的压力，为了降低能耗，要利用能量回收装置将浓水能量回收，本设计采用占地面积小、效率高的转子式能量回收装置。2.2.4产水后处理系统海水淡化系统主要在预处理及产水后处理两个环节加药。预处理环节投加絮凝剂、杀菌剂。絮凝剂选择聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)，加药量要根据进水量自动调节加药泵的频率。杀菌剂选择浓度为0.1%～1.0%的戊二醛溶液，该杀毒剂适用于膜材料为聚酰胺的海水淡化系统消毒和长期保存，投加浓度为2～3mg/L。产水后处理环节，对于小型海水淡化厂主要考虑淡化水对管网的腐蚀及生活用水消毒。一般需要进行pH调节、阻垢、硬化、消毒。pH调节：选择投加食品级氢氧化钠来中和弱酸性的产水，投加质量浓度为1～2mg/L。阻垢：反渗透膜结垢会影响系统的回收率，选用艾克ENK-107海水淡化专用阻垢剂，投加量为3～8mg/L。硬化：海水淡化产水离子低于《生活饮用水卫生标准》对应的下限值，本设计投加氯化钙，投加浓度2～5mg/L。消毒：涠洲岛海水淡化产水主要供生活用水，而海水淡化产水又易被微生物污染，本次设计选用二氧化氯，投加浓度为0.5～1.5mg/L。2.2.5设计进出水检测及调节装置系统采用PLC自动控制，分别对海水淡化系统的各水池水位、水质、流量、酸碱度、等相关物理量进行自动检测、计算、存储、统计等。具体要求如下：(1)对各水池水位设置上下限水位报警值，同时联锁相应水泵，触发报警值水泵自动启停。(2)加药量根据相应水泵流量自动调节，但加药浓度能保证在上述设计范围内。(3)设置pH检测仪，并与加药装置连锁，自动调整原水与产水的酸碱度。(4)高压泵前设置低压开关，系统流量、压力低于报警值，则开关自动关停，保护高压泵及膜组件。2.2.6化学清洗和冲洗为了保护反渗透膜组件及超滤膜在长期运行及停机时不被腐蚀，需要以3～6个月为一个周期对系统设备进行化学清洗和冲洗。本次设计的化学清洗系统包括1个化学清洗水箱，容积为5m反渗透海水淡化工程及ro设计为了验证本次设计方案的正确性，采用海德能公司开发的模拟软件进行模拟验证，IMSDesign软件界面，如图2所示。该软件能灵活进行膜系统设计，可对RO、NF和UF进行不同的膜项目设计。其设计流程为分析水质→RO设计→UF设计→后处理→计算(成本及能耗)。在该软件中的分析模块，输入表2中的海水离子参数值，设置海水温度为25℃，pH设置为8.2。软件能够根据输入的阴阳离子参数自动得出电导率、各化合物成分的饱和度。在软件的设计模块的设计基础栏目中，将进水pH设置为8.2，产水回收率设置为45%，产水量流量设置为445m运行计算结果无红色标识提示，产水TSD为92.86㎎/L，其余指标均满足国家饮用水指标准，证明参数设置、膜元件选型合理。同时该软件可自动计算电力消耗，本工程总功率为93.