海岛多元集成供水装置设计及应用示范

薛喜东，张 丹，王勋亮，李 露，卜建伟

(1. 国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192； 2. 天津欧川环保科技有限公司，天津 300392)

我国海岛众多，海岛淡水资源短缺，海岛淡水供应主要通过大陆引水(运水)和就地制水两种方式[1]，其中就地制水是指在海岛上对海水、岛水(井水)及雨水进行处理后变为可饮用的淡水，多采用混凝沉淀、介质过滤、膜分离等技术[2-4]。由于大陆引水成本较高，就地制水逐渐成为海岛供水的主要方式。海岛就地制水技术虽然成熟，但依赖单一水源不能有效保证淡水资源的安全稳定供给：如雨水收集依赖于降雨，海岛陆域面积有限，地形地貌复杂，可收集的雨水有限[5]；海岛地表径流较少，地下水的补给受限，可开采的地下水量有限，且海岛土壤层较薄，岩石层较厚，开凿水井难度较大[6]；海水资源虽然丰富，但淡化能耗较高，海岛电力供应有限[7]，难以保证稳定的电力供应等。由于各种水源的处理工艺不同，相应供水装置差异较大，若建立多套不同水源的供水装置，费用相对较高，占地面积较大。因此，海岛供水装置要结合海岛自身特点，对各种可利用的水源进行综合利用。

针对以上问题，本文介绍了一种集雨水、岛水和海水处理为一体的海岛多元供水装置，通过对水源的智能识别，自动匹配不同工艺，在单一装置内实现对多种水源的处理，并在珠海东澳岛进行了应用示范。

1 工艺设计

1.1 原水水质

本装置在珠海东澳岛进行应用示范，以现场水质作为设计基础。三种水源的来源如下：雨水来自东澳岛水库，自流至原水箱；岛水来自东澳岛大竹湾区域井水，由潜水泵输送至原水箱；海水来自东澳岛大竹湾海域，由取水泵输送至原水箱。三种水源的水质参数如表1所示。

表1 原水水质参数表Tab.1 Parameters of Raw Water Quality

由表1可知，雨水含盐量较低，需主要去除悬浮物、颗粒物和胶体等；岛水和海水含盐量(TDS)较高，需进行脱盐处理，考虑到二者的TDS差别较大，反渗透系统应设计不同的回收率。

1.2 工艺方案

针对以上水质参数，设计雨水处理工艺为“纤维过滤+活性炭过滤”，岛水处理工艺为“纤维过滤+超滤(UF)+保安过滤+一级反渗透”，海水处理工艺为“纤维过滤 +超滤(UF)+保安过滤+两级反渗透”，将以上三种工艺进行集成，可实现对雨水、岛水及海水的处理，工艺流程如图1所示。

图1 海岛多元供水装置工艺流程图Fig.1 Process Flow Diagram for Multi-Water Supply Devices

三种工艺的自动选择主要通过以下过程来实现：控制器根据电导率值判定水源，通过自动阀开关和水泵变频来选择不同的工艺和匹配工艺参数，其中岛水和海水的回收率是通过浓水调节阀的开度、高压泵变频和能量回收增压泵一体机变频来实现。

2 主要设备

基于上述工艺，建立了一套海岛多元集成供水装置，基于雨水计产水量为100 m3/d，基于海水和岛水计产水量为100 m3/d。整套设备布置在3个集装箱，分别为前处理集装箱、超滤集装箱和反渗透集装箱组成。其中前处理集装箱主要由纤维球过滤器、活性炭过滤器、原水泵等组成；超滤集装箱主要由超滤供水泵、超滤膜组、超滤反洗泵、中间水箱和中间水泵等组成；反渗透集装箱由保安过滤器、高压泵、反渗透膜组、能量回收增压泵一体机等组成。

2.1 纤维过滤器

纤维过滤器主要用来截留水中的颗粒物、悬浮物和胶体等杂质，具有高滤速、低滤阻、高出水水质、低能耗等特点。纤维过滤器反洗时，纤维滤料充分疏松，在气泡及水力的作用下，反洗再生非常彻底，反冲洗耗水量为周期滤水量的1%～3%。

纤维过滤器设置2台并联，单台外形尺寸φ750 mm×1 800 mm，设计流速20 m/s，单台处理量为9 m3/h。当处理海水时，1台运行；当处理岛水及雨水时，2台同时运行。反洗水使用初级水箱产水，反洗时两台交替反洗。原水泵和反洗泵均设置有变频器，通过变频调节进水流量和反洗水流量。

2.2 活性炭过滤器

活性炭过滤器仅用于处理雨水，用于吸附雨水中的色素、异味和微量有机物等。活性炭采用比表面积较大的高效柱状活性炭，既有上层特效过滤又有下层高效吸附等功能。

活性炭过滤器设置2台并联，设计滤速14 m/s，单台外形尺寸φ900 mm×1 800 mm，单台处理量9 m3/h。反洗水使用初级水箱产水，反洗时两台交替反洗，活性炭过滤器反洗泵和纤维过滤器反洗泵共用。

2.3 超滤系统

超滤系统主要包括超滤供水泵、超滤膜组、超滤产水箱和超滤反洗泵等，其中超滤产水箱和超滤反洗水箱共用。超滤膜组可有效截留水中的微生物、胶体、大分子有机物等，出水水质稳定，可满足反渗透的进水水质要求。

超滤膜组由6支UOT-856型号膜组件组成，超滤回收率约为95%，设计通量为40 L/(m2·h)，单支膜组件产水量为2.25 m3/h，设计总产水量为13.5 m3/h。超滤膜组每30 min进行一次反洗，反洗时间为90 s，每30次进行一次化学加强反洗(CEB)，时间为270 s。

2.4 一级反渗透系统

一级反渗透系统用于处理岛水和海水，且岛水产水直接进入产水箱，海水产水需进一步进入二级反渗透处理。一级反渗透系统包括中间水泵、保安过滤器、一级反渗透膜组、一级高压泵和能量回收增压泵一体机等。一级反渗透膜组设置为两段，采用9支海水膜元件和3个3芯膜壳，膜元件型号为SW30HR-400。一级反渗透的岛水设计回收率和海水设计回收率分别为60%和为48%。

保安过滤器放置于反渗透进水前，防止颗粒型杂质进入反渗透膜，从而延长反渗透膜的使用寿命。保安过滤器设置1台，外壳为玻璃钢材质，过滤精度为5 μm，设计处理量为13 m3/h。

一级高压泵和能量回收增压泵一体机均为变频控制，具有流量可调、效率高等优点，一级高压泵选用丹佛斯柱塞式高压泵，型号为APP7.2，扬程为550 m；能量回收增压泵一体机选用丹佛斯isave21，由于增压泵和能量回收装置结合在一起，可有效减少占地面积。

2.5 二级反渗透系统

二级反渗透系统仅用于处理一级反渗透海水产水，设计回收率为85%，包括二级反渗透膜组和二级高压泵，二级反渗透膜组采用3支苦咸水膜组件和1个3芯膜壳，膜元件型号为BW30-400。二级高压泵变频控制，选用南方泵业多级离心泵，流量和扬程分为5 m3/h和130 m。

2.6 加药系统

加药系统设计絮凝剂(聚合氯化铝)、杀菌剂(次氯酸钠)、盐酸、还原剂、阻垢剂和碳酸氢钠6个加药点。纤维过滤器前投加聚合氯化铝和次氯酸钠，超滤装置化学加强反洗(CEB)时投加盐酸和次氯酸钠，反渗透进口投加还原剂和阻垢剂，二级反渗透产水投加碳酸氢钠。

2.7 冲洗/化学清洗系统

超滤和反渗透系统共用一套冲洗/化学清洗系统，包括清洗水箱、清洗水泵和清洗过滤器。反渗透系统每次停机时，启动清洗泵(冲洗泵)，冲洗5～10 min，系统进入备用状态。超滤膜组和反渗透膜组每隔3～6个月进行一次化学清洗。

3 现场运行

为了充分掌握本装置在雨水、岛水及海水环境下运行的实际参数和验证本装置的稳定性，装置进行了12 d的稳定运行，每天运行9 h，其中三种水源各运行3 h，每隔1 h记录相关运行参数，包括流量、压力、产水水质等，各个参数的日平均值计为当天的运行值。运行结果显示，雨水原水中溶解性总固体和氯离子含量等已低于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)，采用浊度来表征产水水质；岛水和海水通过反渗透脱盐，且脱盐率在99%以上，产水中溶解性总固体和氯离子等远低于《生活饮用水卫生标准》，采用电导率表征产水水质。

3.1 雨水

在12 d的运行中，雨水产水浊度及产水量的变化如图2所示。

图2 产水流量和产水浊度随时间的变化Fig.2 Variation of Flow Capacity and Turbidity of Finished Water over Time

由图2可知，装置对雨水具有很好的处理效果，产水水质稳定.纤维过滤器产水浊度低于0.65 NTU，活性炭过滤器产水浊度低于0.55 NTU，产水量稳定在17.2～17.3 m3/h。

3.2 岛水

在12 d的运行中，各个运行参数的变化如图3和图4所示。

图3 产水流量和进水压力变化图Fig.3 Variation of Effluent Flow and Inlet Pressure over Time

图4产水浊度和产水电导率变化图Fig.4 Variation of Effluent Turbidity and Cnductivity over Time

在12 d的运行中，装置产水流量及产水水质稳定，各个运行参数波动较小。纤维过滤器产水流量和产水浊度分别稳定在7.7～7.8 m3/h和0.45～0.53 NTU。超滤产水流量和产水浊度分别稳定在7.3～7.4 m3/h和0.14～0.17 NTU，超滤产水满足反渗透的进水水质要求。一级反渗透的进水压力和产水流量分别稳定在18～19 bar(1 bar=0.1 MPa)和4.2～4.3 m3/h。一级反渗透进水电导率和产水电导率分别稳定在8.1～8.3 mS/cm和40～60 μS/cm，反渗透膜对离子的截留率始终保持在在99.0%以上。

3.3 海水

在12 d的运行中，各个运行参数的变化如图5和图6所示。

图5 产水流量和进水压力变化图Fig.5 Variation of Effluent Flow and Inlet Pressure over Time

图6 产水浊度和产水电导率变化图Fig.6 Variation of Effluent Turbidity and Electrical Cnductivity over Time

在12 d的运行中，装置产水流量及产水水质稳定。纤维过滤器产水浊度有一定波动，主要是由于海面受风浪影响，原海水浊度变化导致，而超滤产水浊度则几乎不受影响。纤维过滤器产水流量和产水浊度分别稳定在11.7～11.9 m3/h和0.70～1.10 NTU。超滤产水流量和产水浊度分别稳定在10.9～11.1 m3/h和0.14～0.20 NTU，超滤产水满足反渗透的进水水质要求。一级反渗透进水电导率和产水电导率分别稳定在45.5～48.2 mS/cm和240～260 μS/cm。一级反渗透进水压力和产水流量分别稳定在47～49 bar和5.0～5.1 m3/h。二级反渗透进水电导率和产水电导率分别稳定在240～260 μS/cm和4～5 μS/cm，二级反渗透进水压力和产水流量分别稳定在10～11 bar和4.2～4.3 m3/h。

4 运行费用分析

4.1 电耗分析

该装置配置有电表，3种水源的单位电耗(吨水，以产水计)以实测为准，单位电耗及电费如表2所示，其中电费以0.9元/(kW·h)计。

表2 单位电耗表Tab.2 Unit Electricity Power Consumption and Cost

4.2 药剂费用分析

3种水源的投加药剂种类和用量均不同，单位药剂费用(吨水，以产水计)差异较大，吨水药剂费用如表3所示。

表3 单位药剂费用表Tab.3 Unit Chemical Dosage Cost

4.3 综合运行费用分析

通过上述计算，海水、岛水和雨水三种水源的运行费用(暂不考虑人工费用)分别为3.855、 2.105、 0.232 元/m3。东澳岛水源主要以雨水和海水为主，岛水较少，结合东澳岛水源状况和淡水需求，雨水、岛水及海水的产水比例分别为50%、10%和40%，经计算综合运行费用约为2.80 元/m3，与全部产水为海水淡化水相比，费用降低27.4%。

5 结论

海岛多元供水装置在海岛进行了示范应用，运行结果表明，该装置可实现对雨水、岛水和海水三种水源的稳定处理，且产水流量、产水水质、设计回收率等达到设计要求。该装置工艺简单可靠，装置具有布置紧凑、智能化程度高、操作要求低等优点，且运行费用较低，通过进一步引入太阳能、风能等海岛优势能源，可进一步降低能耗，在海岛地区具有广泛的应用前景，可充分保障海岛的生活饮用水安全。