海底隧道渗水海水淡化中试试验研究

邱冠华，汪程鹏，王生辉，周 冲，赵方晓，宋代旺，黄鹏飞，尹 菲

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

随着我国经济腾飞，交通基础设施飞跃发展，海底隧道数量逐渐增加，每天有大量海水渗入隧道内[1-2]，以厦门翔安隧道为例，其渗水量最高时超过7 000 t/d。目前，这些渗入的海水都会由水泵抽出，通过专门的管道，把海水送到隧道进出口附近地面，再顺着沟渠流向大海[3]。如此大量的海水未经过使用直接排入大海，造成资源浪费。海水取水工程作为海水淡化厂的重要组成部分，其任务是确保在海水淡化厂的整个生命周期内提供足够的、持续的、适合的源水。如果将海底渗水直接送至海水淡化厂进行淡化，可节省海水淡化过程中取水部分的资金投入。同时，从海水淡化源水水质来看，海水通过岩层和沙层以渗入方式进入隧道，相当于进行了“预处理”，其水质将优于直接从海洋中抽取的海水。采用渗入水进行海水淡化可进一步降低海水淡化预处理和处理费用。厦门翔安隧道7 000 t/d渗入水，经过海水淡化处理后每天约产生3 000 t淡水，可以用于隧道附近的生活生产用水。

因此，文章以厦门翔安隧道渗水作为试验水源，提出针对海底隧道渗水的海水淡化处理工艺及其试验装置，用于研究该类水源的回收利用技术。

1 试验设计要求

原水为海底隧道水附近海水，含盐量31 000 mg/L，渗水电导率在23 000 μS/cm～38 000 μS/cm范围间波动，浊度在3 NTU～5 NTU左右，SDI显示仅有夏季检测结果高出平均值，为13.96 NTU，其余均为4.7 NTU～5 NTU之间，渗水中微量元素及重金属盐含量大部分结果显示稳定，即随季节变化幅度很小。

海底隧道水海水淡化中试试验装置设计规模为50 m3/d，反渗透设计水回收率45%，产品水水质TDS<500 mg/L，满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)要求。

2 工艺设计

中试试验工艺流程为：海水——潜水泵——一级砂滤——二级砂滤——中间水箱——中间水泵——保安过滤器——高压泵能量回收一体机——反渗透膜组——产品水——产品水箱——水质调节——产品水泵。

文章主要对海底隧道水海水淡化中取水、预处理和反渗透装置进行设计与说明，其他工艺环节不做介绍。

2.1 取水

考虑到试验情况，采用沉箱取水方式，设置防浪坡对沉箱进行保护，以防海浪对沉箱的破坏。取水经潜水泵直接送至预处理系统，取水量为125 m3/d。

2.2 预处理

预处理采用非氧化性杀菌剂+两级砂滤+还原剂+保安过滤器方式，投加杀菌剂，防止反渗透膜元件长期运行中微生物、细菌等对反渗透膜造成污染。

通过电动隔膜计量泵将加药水箱当中的杀菌剂投加向管路中的海水，杀菌剂采用10%次氯酸钠溶液，加入量为原水量的3 mg/kg。经过管道静态混合器的充分混合，进入两级砂滤系统，去除原水中的悬浮物及粘胶质颗粒，降低水浊度。原水经过两级砂滤后进入中间水箱，中间水箱对系统起到缓冲作用。原水中的残余氯对反渗透复合膜有氧化破坏作用，设置投加还原剂可除原水中的余氯，保护反渗透膜免受氧化剂的威胁和损坏，使预处理后的水达到反渗透的进水要求，经过砂滤的原水在经高压泵进入反渗透膜之前，先进入保安过滤器。保安过滤器可拦截粒径低至几微米的微粒，确保反渗透膜安全。

2.3 反渗透装置

(1)反渗透膜组。采用大流量海水淡化反渗透膜元件，具体性能参数：产水量50 m3/d，脱盐率最低99.7%，最大运行压力8.27 MPa，进水pH值范围3～10，最大进水浊度1.0 NTU，最大进水SDI 155.0，最大进水流量125 m3/d，脱硼率92%。膜组件的排列采用两组平行的两段式排列方式，为两支两芯8040的反渗透膜并联的方式。

(2)高压泵与能量回收一体机。选用带有能量回收装置的海水高压泵，额定流量2.5 m3/h，额定扬程600 m，电机功率11 kW。一体机是由高压泵、能量回收装置和电机三个主要部分组成，其中高压泵和能量回收装置同轴连接。能量回收装置是通过高压浓水推动柱塞往复运动，利用斜盘转化为转子的转动机械能，通过联轴器传递到高压泵侧，与电机共同给低压海水加压，实现能量的回收转化[4]。此种能量转换方式使低压海水直接加压至海水淡化系统工作压力，将与能量回收装置匹配的增压泵的压力提升效果耦合到高压泵中，在设备投资成本和管路连接方面，省去一个增压泵装置，设备投资成本上降低50%以上[5]。

3 试验结果分析

试验原水来自于厦门翔安隧道渗水，装置连续运行了3个月，取10 d平均值为监测数据点，并对运行情况进行分析和讨论。

3.1 装置运行参数

(1)压力。预处理和反渗透操作压力如图1，在试验过程中，预处理和反渗透的实际运行压力平均值分别为0.43 MPa和3.8 MPa，预处理进出口压力压差最大不超过0.08 MPa，反渗透系统压力与浓水压力压差最大不超过0.10 MPa，所以在整个试验当中反渗透系统运行良好。

图1 预处理和反渗透操作压力

(2)流量与回收率。系统流量与回收率如图2，由图可知，系统进水量变化幅度不大，由最低的95 L/min到最高的97 L/min。反渗透回收率比较稳定，都在44%～45%，和系统的设计值45%基本一致。

图2 系统流量与回收率

3.2 处理水质结果分析

反渗透系统进出水电导率变化、电导率去除率、进出水浊度变化如图3，海水淡化进水电导率在36 840 μS/cm～37 200 μS/cm之间，出水电导率在506 μS/cm～556 μS/cm范围，说明反渗透系统对电导率的去除效率高。海水淡化进水浊度在1.1 NTU～1.2 NTU之间，经过反渗透处理过的水，浊度为均未检出，说明反渗透能够很好的去除悬浮颗粒物质。

图3 反渗透系统进出水电导率变化、电导率去除率、进出水浊度变化

此外，渗水经反渗透系统处理后，水质中含量较高的总含盐量由23 000 mg/L降至208 mg/L，总硬度由4 650 mg/L降至5.6 mg/L，硝酸盐、溴酸盐、氯酸盐、碳酸盐、硅酸盐、砷以及铁、锰、铅、镉等重金属离子均低于检出限，产水符合《生活饮用水卫生标准》要求。

3.3 装置性能及能耗分析

在试验过程中，设备主体额定功率为15.35 kW，正常运行功率为9.15 kW，吨水电耗约为4.39 kW·h。50 m3/d海底隧道水设备耗电情况见表1。

表1 50 m3/d海底隧道水设备耗电情况

4 结论

通过对海底隧道渗水进行海水淡化，实现水资源的增源回用，试验显示，装置的运行状况、能耗成本、产水水质等都在理想设计范围内。海底隧道海水经淡化处理后，产品水水质TDS<500 mg/L，产水回收率45%，吨水电耗约为4.39 kW·h，该技术可用于海底隧道渗水资源回收领域的推广应用。