港口海水淡化工藝研究

國家走道政策的推動為促進許多外國港口工程的發展提供了機會。其中許多項目位于低發達國家地區。市政供水設施不完善，無法提供可靠的水源。港口項目建在海邊，海水淡化是解決生活和生產用水問題的唯一可靠方法。海水淡化是指通過一定方法將海水脫鹽生產淡水的技術，海水淡化工業化至今已有50多年歷史，當前世界上海水淡化技術中較為成熟且廣泛采用的規模化生產海水淡化技術主要包括低溫多效蒸餾法（LT-MED）、多級閃蒸法（MSF）、反滲透法（SWRO)3種方式，其主要優缺點如表1所示海水淡化工程研究主要針對經濟性分析角度，是一個能耗過程，產水能耗是衡量海水淡化工藝經濟合理性選擇的重要指標，因此，將3種工藝能耗進行對比，如表2所示與其他兩種技術相比，反滲透海水淡化技術無相變過程、無需消耗蒸汽、制水能耗較低，同時，出水水質可滿足一般生活用水要求，設備相對簡單，具有能耗較低、占地面積少、設計簡潔、設備裝置易集成等特點，特別適合港區項目中中小型海水淡化設施建設需求。因此，推薦反滲透法作為港區工程項目海水淡化設計的發展方向。反滲透海水淡化方法主要是將預處理的海水通過高壓泵加壓，使給水側壓力高于滲透壓強，從而使原水中的水分子滲透到膜的另一側，除去水中無機鹽等成分，在低壓端獲得淡水，屬于物理脫鹽方法，主要特點為在海水淡化過程中溶質與溶劑分離不發生相變。我國早在1965年就對海水淡化反滲透技術展開研究，經過幾十年的發展，反滲透海水淡化膜性能的研究已經取得了巨大的進步。近年來，國內海水淡化年增長率超過8%，相關工程規模增長主要來自于新建萬t以上級別的大型工程。根據《2019年全國海水利用報告》，截至2019年底，我國現有萬t級及以上海水淡化工程共37個，工程規模為140.3848萬t/d，占全國海水淡化總規模的89.20%。從淡化工藝選擇來看，大型海水淡化工程主要以反滲透海水淡化技術為主，約占海水淡化總工程規模的3.6%1關于日本落葉松的滲透設計1.1海水取水泵房根據取水量、水文條件和工程地質構造等因素，海水取水常采用引水渠取水、海岸式取水、深海取水和陸域滲透取水等取水方式。對于港區開發同時配套建設碼頭工程，且港區用水取水量相對較小的特點，從經濟造價考慮，工程設計推薦將海水取水泵房建設于碼頭面上，取水泵選用長軸深井泵，既建造方便節省造價，還可以利用碼頭區域較好的水文條件，抽取較為清潔的海水。取水泵房選址應盡量根據水文條件和碼頭建設情況，選在碼頭上水位處，避免船舶工作停靠對水環境的影響。1.2淡化設備運行成本反滲透海水淡化是濃鹽水經過高壓，水分子由高濃度側透過選擇性滲透膜達到淡水側，無機鹽成分被截留下來的技術。然而，海水中除鹽類外，還有懸浮物、泥沙、微生物和細菌等雜質，在海水淡化過程中，上述雜質會在膜表面進行沉積甚至繁殖和侵蝕，造成滲透膜污染和堵塞，使膜滲透通量減小，膜壓差増大，滲透膜清洗頻率增加，使用壽命減小，淡化設備運行成本大幅提高。為了滲透膜長期穩定的運行，需對海水原水采用一級處理，常用的工藝為混凝沉淀和混凝澄清過濾，其主要目的是降低海水中懸浮物濃度和渾濁度，使一級處理后海水出水渾濁度≤15NTU，懸浮物濃度≤20mg/L。不同區域海水的泥沙、渾濁度和微生物含量不同，水質差別較大，為此，需結合當地的水質條件選擇適宜的一級處理工藝，以降低后續二級處理工藝負荷，提高反滲透膜組的使用壽命。根據多項目的工程實踐經驗，結合工程海水水質分析，本文對港區小規模的海水淡化一級工藝，推薦以下組合模式。1）海水渾濁度較高，渾濁度≥100NTU，推薦采用澄清池和無閥濾池組合處理工藝。2）海水渾濁度適中，15NTU≤渾濁度<100NTU，推薦采用豎流式沉淀池或者斜管沉淀池。3）海水渾濁度較低，渾濁度<15NTU，建議可不進行一級處理，直接在二級處理前投加殺菌除藻劑和絮凝劑即可。1.3級處理工藝二級處理主要采用過濾方法，二級處理目的是進一步降低海水的渾濁度和懸浮物，同時為反滲透膜做最后的保護屏障，二級處理工藝含海水提升泵、多介質過濾器、保安濾器和阻垢劑、殺菌劑投加設備等。1.4反滲透+膜組法海水反滲透淡化裝置主要包括高壓泵、反滲透膜組和能量回收裝置。經過初步處理后的海水，再經過滲透膜組處理后，濃鹽水仍然具有很高的壓力，如果不能將這部分濃海水中的能量加以回收利用，將造成極大的能量浪費，海水淡化經濟性也會大大降低。為此，可在濃鹽水的排放管路上安裝相應能量回收裝置，用于回收濃海水中的能量，以有效降低單位產水綜合能耗。2多哈港區陸域占地面積本項目位于吉布提多哈雷港，港口位于吉布提國首都吉布提市多哈雷區，扼紅海入印度洋的要沖，工程碼頭長度為1200m，港區陸域占地面積為1.75×102.1海水淡化站的規模確定本工程最大日生活用水量為110m2.2海水淡化站處理工藝選擇本工程位于紅海區域，海水鹽度達4.0%，海水渾濁度較低，因此，根據水質條件，海水淡化站未采用一級預處理工藝，但為確保對滲透膜組的保護作用，二級處理工藝中選取了活性炭吸附過濾工藝，以保護后續處理中滲透膜工作效率，具體海水淡化工藝流程如圖1所示。2.3海水過濾工程(1）海水取水泵系統經過選址分析，在港區碼頭東北角設置取水泵房1座，泵房內設置海水取水泵2臺（1用1備），取水泵采用長軸深井泵，水泵采用雙相不銹鋼材質。以海水淡化設備產水率為40%進行估算，海水工作流量為25m(2）動投加裝置根據海水取水水質情況，本工程未設置一級預處理構筑物，但設置了殺菌滅藻劑和絮凝劑的自動投加裝置。殺菌滅藻劑采用二氧化氯，投加量為2～3mg/L；混凝劑采用三氯化鐵，投加量為15～60mg/L；兩者投加量可根據實際運行情況進行調整，投加設備分別將滅藻劑和混凝劑投加于海水箱入水管道上。海水箱采用玻璃鋼FRP材質，有效容積為50m(3）反滲透濃縮系統海水二級處理包含海水加壓泵、多介質過濾器、活性炭過濾器、保安濾器和阻垢劑投加設備等。加壓泵采用離心泵2臺（1用1備），水泵參數為Q=25m采用碳鋼結構的柱形容器多介質過濾器1臺，內襯橡膠，設計能力為25m采用碳鋼結構的柱形容器活性炭過濾器1臺，內襯橡膠，每臺設計能力為25m1#反沖洗水泵1臺，Q=90m保安濾器2臺，串聯運行，采用玻璃鋼FRP材質的柱形容器，設計能力為25m還原劑和阻垢劑自動投加設備各1套。為了對原水中氧化型殺菌劑所剩余的殘余游離氯等氧化性物質進行還原，使其不具備氧化能力，避免強氧化性使反滲透膜受到氧化降解破壞，投加亞硫酸氫鈉，投加量為3mg/L。為防止難溶性無機鹽類在反滲透海水淡化過程中出現沉淀結垢，投加硫酸作為阻垢劑，投加量為3mg/L。(4）能量回收系統反滲透系統由高壓給水系統（高壓泵、能量回收裝置）、反滲透膜組及沖洗系統組成，本工程能量回收裝置采用轉子式壓力交換器，能量回收效率可達90%～95%沖洗系統1套，采用1m(5）污泥和濃鹽水排放活性炭過濾器和多介質過濾器進行反沖洗時均會產生一定的污泥，將其與濃鹽水儲存于污泥池，污泥池采用鋼筋混凝土結構，污泥池內設潛污泵1臺，潛污泵根據污泥池液位自動啟停，將濃鹽水和污泥通過壓力管道排入海域。(6）設備和配件材質海水具有較強腐蝕性，本工程埋地管材采用HDPE管，海水淡化間各設備之間管材采用SCH40UPVC給水管，閥門及各類配件選用不銹鋼SS316L材質，離心泵采用SS316L材質，取水長軸深井泵采用雙相不銹鋼DSS材質，滿足使用要求。3swro系統設計應用(1)SWRO工藝設備較為成熟，具備簡單、能耗低、占地面積少、設計簡單、易集成等特點，非常適合港區工程中小型海水淡化設施需求，推薦反滲透海水淡化法作為港區海水淡化設計的應用方向。(2)SWRO對進水原水水質要求較高，為了減少泥沙、懸浮物、微生物和細菌等對反滲透膜組的影響