反渗透海水淡化技术在北方海岛的应用实例

唐 维，王立军

（1.烟台市城市排水服务中心，山东 烟台 264000；2.香山红叶集团有限公司，山东 日照 276825）

长岛，又称庙岛群岛，位于胶东、辽东半岛之间，南距蓬莱7 km，北距旅顺42 km。主要的有人居住海岛包括南北长山岛、砣矶岛、大黑山岛、小黑山岛、大钦岛、南隍城岛、北隍城岛等。南北长山岛的供水主要依靠海底输水管线从蓬莱输水；其余各岛因距离大陆较远，主要依靠船运淡水、天然雨水和苦咸水淡化等供水。近年来，随着进入海岛旅游的游客数量不断增加，南北长山岛淡水供需矛盾日益突出；因天气原因导致停航、船运淡水费用过高〔1〕、降雨量偏小、当地苦咸水水源出水量逐年减小等原因，远离大陆的海岛也面临着巨大的供水压力。而长岛的小钦岛已建成的100 t/d海水淡化项目基本解决了该岛的淡水资源供需矛盾〔2〕。为了缓解旅游高峰季节淡水需求量与供应量的矛盾，并满足长岛海洋生态文明综合试验区的发展要求，当地政府决定在上述海岛上建设海水淡化项目。

经综合研究海岛上电力、热源等公共条件，该项目决定采用以反渗透（RO）技术为核心的海水淡化工艺，出水指标达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）要求。该项目2019年7月开工建设，同年12月竣工，2020年6月份通过验收并投入使用。

1 规模及水质

长岛用水高峰出现在旅游旺季的夏季，而在旅游淡季的冬春季节，用水量较少。海水淡化水站的建设规模以满足旅游旺季的用水需求为目标。项目包括海水取水部分、海水淡化处理系统、与现有供水系统的连接部分等。项目总淡水产量为5 200 t/d，各海岛的建设规模见表1。其中，南、北长山岛和砣矶岛北村海水淡化站采用2条500 t/d的海水淡化产水线，建设规模为1 000 t/d；其他海水淡化站均为单条产水线。

表1 各岛海水淡化项目的建设规模Table 1 Construction scale of seawater desalination projects on each island

长岛海域海水的盐质量浓度约为36 000 mg/L，浊度一般不高于5 NTU，水温为10～25℃，其他指标见表2。水质符合《海水水质标准》（GB 3097—1997）中二类水质标准〔3〕。

表2 长岛海域海水水质Table 2 Water quality of Changdao sea area

2 工艺流程

海水淡化工艺流程见图1。

图1 海水淡化工艺流程Fig.1 Seawater desalination process flow

根据取水点位置的海滩类型、地形地质等特点，取水分为岸边渗井取水、岸边渗井+渗渠取水以及自吸泵取水等方式。前2种取水方式的水质较好，不设斜管沉淀池，原水直接进入原水池；采用自吸泵取水的项目，设置斜管沉淀池，上清液进入原水池。原水进入原水池或斜管沉淀池前需投加0.2 mg/L（以有效氯计）左右的次氯酸钠以杀灭海水中微生物；冬季风暴潮时，海水浊度较大，采用自吸泵取水的项目还需在斜管沉淀池加药。经原水泵提升，海水进入两级砂滤罐，去除海水中的胶体、悬浮物等，降低海水浊度。经保安过滤器处理后，出水经高压泵加压进入一级反渗透系统，反渗透系统带压浓水进入能量回收装置进行能量回收，低压浓水排出。一级反渗透系统产水进入二级反渗透脱盐系统，二级反渗透浓水返回原水池进行循环，产水通过矿化水泵进入矿化后处理系统。矿化系统出水加次氯酸钠消毒后进入产品水池，通过供水泵送入用户管网或者高位水池。

3 主要构筑物及参数

3.1 取水构筑物

3.1.1 取水位置

取水位置应考虑台风、冬季寒风大潮、洋流等对取水构筑物、取水水质的影响，同时还要兼顾投资及运行成本。在确保取水量、取水水质的前提下，取水点尽量选择在冬季寒风大潮的背侧，还应尽量远离海港、码头等登陆点，避免水质污染。此外，还要考虑取水点的地质情况、海滩情况及取水构筑物类型等。

3.1.2 取水方式

根据取水点的地质情况及现场位置，取水方式主要分为岸边取水井取水、自吸泵取水。

（1）岸边取水井取水。

海滩平缓且为卵石滩的海岛，采用岸边渗井的取水方式。取水采用非完整井，井壁和井底同时进水，井底低于低潮位2 m。此方案共设计2处：大钦岛、北隍城岛山前村，各1座，内径分别为3 m和2 m。

海滩平缓、卵石滩层较浅的海岛，采用完整井，且沿海滩朝向海水的方向开挖渗渠，渗渠内回填当地卵石，井底及渗渠的渠底均低于低潮位2 m，渗渠内敷设穿孔花管。此方案共设计4处：南长山岛、北长山岛、大黑山岛、北隍城岛山后村。其中，南、北长山岛各设2个取水井，内径3 m；大黑山岛和北隍城岛山后村各设1个取水井，内径分别为3 m和2 m。花管材质为钢筋混凝土，直径均为0.5 m。

取水井内均采用潜水泵取水，材质为双相不锈钢。每个取水井安装2台潜水泵，1用1备。

（2）自吸泵取水。

海滩陡峭且为不透水的石英岩的海岛，采用自吸泵取水。自吸泵带有自动抽真空装置，吸程较大，取水管道采用316L不锈钢材质〔4〕。取水头设置90°向上弯头，尽量减少吸取水中的砂砾。取水头设置超声波除菌器，利用特定超声波段产生的空化、剪切作用以及微射流、自由基的氧化作用预防取水头滋长海草、牡蛎等杂质。砣矶岛、小黑山岛和南隍城岛均采用此方式。

系统的总产水率按30%计，淡化站自用水率按5%计，取水构筑物的设计参数见表3。

表3 各岛海水淡化项目取水点设计Table 3 Design of water intake points of seawater desalination projects on each island

3.2 斜管沉淀池

砣矶岛、小黑山岛及南隍城岛均设置1座斜管沉淀池，斜管倾角60°，斜管直径35 mm，表面负荷3.0 m3/（m2·h），采用多斗式排泥砂系统，设置气动排泥阀。絮凝剂投加系统包括制备和储存系统，投加量为2～5 mg/L。当取水中含有较多海藻时，投加现场制备的次氯酸钠，有效氯投加量为0.2 mg/L左右。

3.3 原水池

各设1座，钢混结构，采用“界面剂+无毒防腐涂料”为防腐层，水力停留时间为1.2 h，有效容积不小于100 m3。原水池吸水管设置在水池一半高度的位置，可以沉降一部分砂砾。原水池内配套原水泵，南、北长山岛及砣矶岛项目3台，2用1备；其余项目2台，1用1备。

3.4 砂滤罐

砂滤罐可以去除原水中的藻类、细微砂砾等，保护膜组件，延长保安过滤器的使用时间。每个站点的每个系统均设置两级砂滤罐，采用无烟煤石英砂双层滤料，滤速为10 m/h，采用气水反冲洗。各个站点砂滤罐的配置情况见表4。

表4 各岛砂滤罐配置表Table 4 Configuration table of sand filter tank on each island

3.5 保安过滤器

两级砂滤罐出水进入反渗透主机前均需经过滤精度为10 μm和5 μm的保安过滤器过滤，配置情况见表5。保安过滤器集成在膜架上，外壳材质为纤维增强复合塑料（FRP）。

表5 保安过滤器配置表Table 5 Configuration table of security filter

3.6 一级反渗透膜组

一级反渗透膜组主要包括一级反渗透供水泵、高压泵、能量回收装置、膜组件和一级反渗透产水池。一级反渗透供水泵出口压力为350 kPa，过流部件材质为2205双相不锈钢。高压泵采用柱塞泵，过流部件材质为2507超级双相不锈钢，额定出口压力6 MPa，进出口设置低压和超压保护开关。为降低系统能耗，采用等压正位移式的能量回收装置iSave系列产品，过流部件材质为2507超级双相不锈钢，能量回收总效率可达95%，与不设能量回收的系统相比可节能60%以上；该装置具有自适应能力，运行时无需人工额外调解和操作；该装置可将回收的能量用于提升低压海水的压力，但提升后海水压力仍低于高压泵的出口压力，iSave集成的增压泵可将这部分海水的压力提升至一级反渗透所需压力，增压泵扬程为50 m。

一级反渗透膜设计产水率35%，采用TM820V-400的8040高通量高脱盐节能型海水淡化反渗透膜元件，单支膜有效面积为37.16 m2，流道宽度0.863 6 mm，材质为架桥芳香族聚酰胺复合膜。膜壳材质为玻璃钢，承压能力为6 895 kPa，6芯装。采用一级一段排列。一级反渗透膜组件主要设备技术参数见表6。

表6 一级反渗透膜组件主要设备技术参数Table 6 Main equipment technical parameters of primary reverse osmosis membrane module

3.7 二级反渗透膜组

二级反渗透膜组主要包括二级反渗透增压泵、高压泵、膜组件和产品水池。增压泵过流部件材质为304不锈钢，出口压力为300 kPa。高压泵过流部件材质为304不锈钢，出口压力为980～1 150 kPa，进出口设置低压和超压保护开关。

二级反渗透的设计产水率为85%，采用TM720D-400的8040架桥芳香族聚酰胺复合膜，单支膜有效膜面积为37.16 m2，流道宽度0.863 6 mm，具有高脱盐率、高产水量、高化学耐久性、抗污染的性能。膜壳材质为玻璃钢，承压能力为2 068 kPa，6芯装。采用一级一段排列，浓水回流入原水池。二级反渗透膜组主要设备技术参数见表7。

表7 二级反渗透膜组件主要设备技术参数Table 7 Main equipment technical parameters of secondary reverse osmosis membrane module

3.8 矿化、消毒和供水

采用填充方解石填料的矿化罐对二级反渗透出水进行矿化，矿化罐设备技术参数见表8。采用现场制备的次氯酸钠进行消毒，有效氯投加量为2～4 mg/L。考虑到海岛对化学品运输存在一定限制，同时设置管式紫外消毒设备。各海水淡化站的供水方式不同，南、北长山岛直接由供水泵与供水管网连接，其他各岛均由供水泵将淡水输送到原有的高位水池。

表8 矿化罐设备技术参数Table 8 Technical parameters of mineralization tank

4 运行效果

自正式运行以来，系统的产水水质良好，一级反渗透出水电导率在300～600 μS/cm，二级反渗透出水电导率不超过20 μS/cm；经矿化系统后，出水pH在7左右。系统正式供水2个月后对各站点矿化罐出水进行现场例行取样，主要检测数据见表9。出水各项指标检测数据均优于设计标准（GB 5749—2006）。本项目在1.5 a的运行时间内，出水效果稳定。

表9 各站点的矿化罐主要水质检测数据Table 9 Main water quality data of mineralization tank of each station

因冬夏季海水水温差异较大，夏季运行时运行压力相对较小，产水量较设计规模偏大；冬季水温较低，运行压力较大，产水量较设计规模偏小，但冬季用水量较小，系统间断运行。

5 技术经济分析

本项目总投资4 890万元，其中设计费85万元，工程费4 805万元。运营成本包括电费、药剂费、膜更换费及人工费。其中产水耗电量为4.60 kW·h/t（含海水取水泵和淡水供水泵），山东省发展和改革委员会《关于烟台市海水淡化用电价格有关事项的通知》规定海水淡化优惠电价为0.555元/（kW·h），电费为2.55元/t；化学药剂费（含阻垢剂、消毒剂和化学清洗剂）为0.42元/t；材料更换费（反渗透膜每3 a更换1次，滤芯每3月更换1次）为0.85元/t；人工费（每个站点按3人计）为0.865元/t；设备维护费（按投资额的3%计）为0.76元/t，管理费（含日常检测、第三方检测等）为0.63元/t，总计产水成本为6.075元/t。

总体来说，我国海水淡化成本普遍在5～8元/t〔5〕，其中，最大单项成本为电力能源费用，约占总成本的41.49%〔5〕。当有光伏或风力发电等可再生能源时，总运行成本可大大降低〔6〕。另外，化学药剂费以及材料更换费也是主要的直接费用。本工程与类似项目的直接运行费用对比见表10。与较大规模（产水10 000 t/d）的海水淡化项目相比，本项目费用略高〔6-7〕。

表10 类似项目的直接运行费用对比Table 10 Comparison of the direct operating costs of similar projects

6 结论

本项目采用主处理工艺为二级砂滤+一级反渗透+二级反渗透+矿化的组合工艺进行海水淡化，年总制水量可达1.56×106t（年满负荷运转时间按300 d计），出水指标均优于设计标准（GB 5749—2006），解决了长岛有人居住岛屿用水高峰期用水供需矛盾问题。采用高效的iSave能量回收装置，电耗降低，产水电耗控制在4.60 kW·h/t左右，总计产水成本为6.075元/t，明显降低了反渗透海水淡化装置的制水成本。在1.5 a多的运行时间里，出水效果稳定，为长岛的经济发展做出了贡献。