反渗透膜法海水淡化工艺的设计

反渗透膜法海水淡化工艺的设计设计总说明：目前，水资源危机已是一个世界性的难题，很多国家淡 水资源已经相当匮乏，我国人均水资源占有量处于世界较低水平，而且淡 水资源分布及其不均匀。而发展海水淡化技术是解决水资源短缺的重要途 径之一。特别是对于部分沿海地区。本设计结合原水水质，设计了淡水产量为1000m3/d的反渗透海水淡化 工艺系统，本方案能确保出水水质符合后续设备的要求，又不需添加任何 化学试剂，与传统的预处理方法相比，不会增加新的污染物。反渗透海水 淡化技术由于设备投资省、能量消耗低、建造周期短等优点，近十年来发 展迅速，将成为海水淡化的主导技术。关键词: 反渗透；海水淡化；预处理；1 海水淡化的意义虽然地球上75%的面积被水覆盖，全球水总储量为13.86亿m3,其中 96.5%为海水，其他分布在陆地，大气和生物体中，约为2.53%，其中多储 存于冰川、雪盖和750米深度以上的地下，而可取用的河、湖水及浅层地 下水等仅占0.2%左右，这里还包括相当大一部份的苦咸水%据统计，全 国600多个中等以上的城市，不同程度缺水的就达400多个其中110个城 市严重缺水，主要分布在华北、西北和沿海地区，水已经成为这些地区经 济发展的瓶颈。2010年后，我国将进入严重缺水期，专家估计,2030年前 中国的缺水量将达到1000亿m3。因此，开发利用海水资源、进行海水淡化 就成为解决我国淡水紧缺的一条有效的战略途径。2 本设计的研究方案本文针对渤海海湾当地的自然环境条件、系统的实际生产状况及反渗 透海水淡化的国内外实例，设计了淡水产量为1000m3/d的反渗透海水淡化 工艺系统，实现了整套系统的自动控制。具体情况如下:（1）根据自然条件、系统的实际生产状况确定采用一级反渗透海水淡化装置，设计产水量为1000m3/d；（2）海水预处理方案时应充分考虑以下方面: 原水水源类型及水质情况； 合理选择预处理和过滤器类型，使预处理出水水质符合要求； 阻垢剂的种类选择与剂量的确定； 根据反渗透装置具体情况，确定是否调节给水pH值等。从上述因素出发, 确定了采用超滤作为反渗透的预处理，并根据反渗 透系统的制水量确定过滤器选型、滤料级配和过滤速度，根据过滤器的累 积流量确定其反洗周期和反洗流量。将超滤和反渗透装置相结合，改善了 预处理工艺，提高了系统的稳定性、减少维护、延长了膜的使用寿命。（3）高压泵和能量回收装置的使用能将反渗透膜对排放浓水90 -95的能量回收，能有效地降低能耗。3 反渗透原理及系统组成3.1 反渗透的基本原理反渗透膜法是一种膜分离过程，它主要分离直径小于0.001pm （10埃） 的物质。各种溶液都具有渗透压力，其渗透压力与溶液的浓度大致成正比。 自然渗透是指水从低浓度溶液向高浓度溶液渗透，直到建立起等于渗透压 差的压力平衡为止，如下图3-1 （a）、（b）所示。自然海水的渗透压力大约 为 25个大气压。典型苦咸水的渗透压力一般为0.7-3.4大气压2。图 3-1 反渗透原理示意图反渗透是通过对高浓度溶液加压，使之大于膜两侧的渗透压力差An, 这时水将优先从高浓度溶液中析出，并透过膜进入低浓度溶液。因此，反 渗透是溶剂（水）的渗透方向与自然渗透的方向相反，见上图3-1 （c）。透过 反渗透膜的透过液（产品水）含盐量减少，而膜的另一侧加压进料液（浓缩盐 水）的含盐量随之增加，这就是反渗透膜法的脱盐过程。由于没有热和相的 变化，这一过程中的主要能量是用来对进料溶液的加压。在实际工艺过程中，海水由高压泵输送至半透膜的一侧被加压。当进 料液中的纯水透过半透膜时，截留溶液（浓缩盐水）则变得越来越浓。同时， 允许部分进料水（浓缩盐水）不经过膜而被排放，如果没有这种排放，进料 溶液中溶解盐类的浓度就会逐渐增加，从而需要不断地增加泵压能量用以 克服增加的自然渗透压力。此外，浓缩盐水中超饱和组份会发生沉淀，就 会加大浓度极化，反渗透膜就会被严重污染和堵塞，水通量和脱盐率会急 剧下降。3.2 反渗透海水淡化系统的组成反渗透海水淡化系统主要由四部分构成:（ 1）取水系统；（ 2）预处理 系统；（3）反渗透系统；（4）反渗透系统的清洗3。 反渗透系统的选择是 需要考虑诸多因素的一个过程，与其它水处理工艺所不同的是，反渗透装 置对海水的预处理有它特定的要求，对后处理也需根据反渗透装置出水的 特点进行考虑。4 系统工艺说明4.1 取水系统海水反渗透的取水方式直接关系到预处理的方法和投资、运行成本， 对反渗透膜的防止污染具有极大的影响。海水的取水方式随地理环境和地 质条件而不同，典型的海水取水方法有：海滩水井取水、表层海水取水、 海床过滤取水、海滩水平暗渠取水和海滩渗井取水等方式。对于反渗透的 原水取水，最理想的方式就是海岸边打井。海岸边打井可以取得经过地层 过滤的海水，其水质悬浮物低、有机物低、溶解氧小，而且海边井水中的 生物活性低，季节变化对水温影响小（甚至可以避免），这样就减少了后继 预处理的负担。4.2 预处理系统预处理就是对进料水进行处理，使预处理的出水水质达到反渗透膜对 进水水质的要求，并且保护膜不被污染。这种预处理主要包括去除悬浮固 体、胶体、细菌、有机物等，调节 pH 值，添加阻垢剂等控制碳酸钙和硫 酸钙的结垢，可以大幅度降低进料水的浊度、硬度和 TDS 的含量，解决 海水淡化过程中存在结垢污染等问题，从而大幅度提高水回收率，降低膜 法海水淡化的成本和能耗。合适的预处理对反渗透装置的长期安全稳定运 行具有十分重要的意义4。4.3 反渗透系统反渗透系统是本流程中最主要的脱盐装置，它具有极高的脱盐能力。 反渗透系统的主要部件为反渗透（RO）膜组件，反渗透系统设置自动清洗 系统。当反渗透膜元件受到给水污染，系统性能指标下降到一定程度时， 可自行进行化学清洗，以恢复其应有优良脱盐及产水性能。反渗透过程有 两个必备的条件：一是要有一种高选择性、高透过率的膜；二是要有一定 的操作压力，以克服渗透压和膜自身的阻力。5 反渗透成套系统的设计5.1 取水系统本系统因为渤海湾周边海水污染比较严重，选用海滩水井取水。取水 构筑物由集水井和取水泵房组成。集水井地处海边, 此处海底地势比较平 坦，风浪较小，海水靠渗透进入集水井。集水井采用钢砼结构，直径1.4m, 深约8m,井底处于低潮位一下1.8m。取水泵房内设有真空泵和取水泵。 取水泵吸入管插入井深约5m，吸入口离井底0.7m。通过真空泵抽出引水管 中的空气， 然后启动取水泵将海水通过埋在地下的管道输送到原水池。取 水泵的开停由原水池液位自动控制， 保证海水淡化装置不间断的运行。考虑到海水温度随季节而变化和反渗透膜运行的最佳温度为25 °C,本 系统设置3台耐海水腐蚀（材质为耐海水腐蚀的合金材料）的取水泵（二开一 备）：取水泵：单台流量120m3/h，扬程0.55MPa，功率30 KW；原水池：长12m,宽8m，高5m；材质：钢混结构。管道：材质PVC,管径：500mm,管长180m。5.2 流程概况渤海海域海水的水质指标如表5-1所示,由该表数据可以看出,渤海海 域海水的多项指标均比一般海水要高。另外,浊度、悬浮物等指标还随着天 气、季节等的变化产生较大的波动。因此, 渤海海水淡化的难度较大。结 合反渗透海水淡化系统的系统需求及渤海湾周边的环境条件、原水水质和 出水要求,设计的工艺流程如图5-1所示。表5-1 渤海海域海水的水质指标水质指标数值(mg/ L)水质指标数值(mg/ L)pH8.1H SiO231.4Ca2+404TDS31497Mg2+1267COD(M n)3K+10459TSS16.25Cl -18079浊度（度）20HCO3-135总阳离子525.6me/LSO42-1185总阴离子525.3 me/LCO32-14总碱度（以碳酸钙计）138Fe0.25总硬度（以碳酸钙计）6216图 5-1 反渗透海水淡化工艺流程53 预处理系统531 预处理方案海水淡化的给水预处理是保证反渗透系统长期稳定运行的关键,进水 的成分很复杂，在反渗透和超滤过程中会产生沉淀、污染膜、损伤膜等。 因此，在制定反渗透预处理方案时应充分考虑以下方面：（1）水源类型及水质情况；（2）理选择预处理和过滤器类型，使预处理出水水质符合要求；（3）阻垢剂的种类与剂量的确定；（4）根据RO装置具体情况，确定是否调节给水pH值等。根据渤海海域的水质和上述几个方面，本设计制定了如图5-2所示的预处理冃且垢剂雾介蘭活性次1 一至一 1册CD吓1孫統t图 5-2 预处理方案532 多介质过滤器预处理系统设置二台功率30 KW的原水泵（丹麦GRUNDFOS产SP125-3-1,流量120m3/h,扬程0.55MPa）抽取原水池中海水，输送到过滤系 统。过滤系统分别设置多介质过滤器和活性炭过滤器两级过滤系统。通过 滤器中的表面接触混凝除去海水中杂质、胶体及有机物。常用的多介质过 滤器过滤材料有无烟煤、石英砂、细碎的石榴石、磁铁矿等, 按不同的粒 度级配分层填装至过滤设备中, 被处理水经过滤层时通过滤料的截留、吸 附及水流的惯性、扩散、沉降和液体的动力作用而除去水中的悬浮杂质。 其优点是投资省、工艺简单、操作单一、截污能力大等5。参照国内、国外过滤器的运行情况，多介质过滤器运行流速约为610 m/h,直径约为3003200m m。本系统选用的多介质过滤器流速选8m/h, 直径选2800m m,直边长度为1800m m,滤料高度为1200m m。碳钢罐体内 衬有耐海水腐蚀的氯丁橡胶，采用石英砂和无烟煤双层滤料。上层采用无 烟煤，下层用石英砂，内部结构见图5-3，滤料级配如表5-2所示。多介质过滤装置的总处理量：Q = Q = 3714.6 m 3/d = 132.3 m 3 / hs式中，Qs为超滤系统的进水量。单台多介质过滤器流量Q =冗R 2U = 3.14 x f 2800 % 10 -3 丫 8 = 49.24 m 3/h滤料粒径（mm）密度高度(mm)石英砂0.50.62.6400无烟煤0.8 1.21.4 1.6800经计算系统需配置四台多介质过滤器（三用一备），采用气水反冲洗 的方式，根据经验值，反洗流量250m3/h,气洗流量14m3/h,气源由罗茨风 机提供，本系统设置两台罗茨风机一用一备，风量14m3/m in,风压 0.07MPa,功率22 KW,反洗周期为1024h。反冲洗泵两台型号为ANSI 8x6x11，流量250 m3/h,扬程0.17 MPa,功率22KW，材质为ALLOY 20。 反洗时, 一次反洗一台, 使反洗流量达到运行流量的三倍, 保证反洗彻底。533 活性炭过滤器活性炭过滤器是利用活性炭的吸附作用，去除水中对反渗透系统敏感 的胶体、悬浮物、有机物、细菌等，同时进一步降低反渗透系统进水的SDI 值。过滤器的底部可装填0.20.3 m高的卵石或石英砂作为吸附剂的支持 层。活性炭过滤器一般运行流速为815m/h，直径约为3003200m m。原 水从上而下顺流进行。为了提高过滤效果，可将两个或两个以上的过滤器 串联使用。活性炭过滤器选用直径为2800m m,直边长度为1800m m,滤料高度 1400mm,运行流速为14m/h。本系统活性炭过滤