隨著由國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家海洋局聯(lián)合在2017年12月印發(fā)的《海島海水淡化工程實(shí)施方案》的提出，海水淡化水將在2020年成為嚴(yán)重缺水海島地區(qū)的主要供水方式之一。實(shí)施方案中明確指出，將通過(guò)3～5年的時(shí)間，在遼寧、山東、浙江、福建、海南等沿海城市重點(diǎn)推進(jìn)100個(gè)左右的海水淡化工程(規(guī)模在50～1 000 m3/d)的建設(shè)和升級(jí)改造，以有效緩減海島居民的用水問(wèn)題和滿足當(dāng)?shù)夭粩嗵岣叩纳詈蜕a(chǎn)用水需求。

目前，主流的海水淡化技術(shù)有：多級(jí)閃蒸(MSF)、低溫多效(MED)和膜法反滲透(RO)。借助于靈活多變、適應(yīng)性強(qiáng)和建設(shè)維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn),膜法反滲透已經(jīng)逐漸成為“首推、首選”的海水淡化技術(shù)。

本文將針對(duì)海水淡化的取水、反滲透以及礦化材料進(jìn)行講述。

中小型海水淡化系統(tǒng)中的海灘井取水

海灘井取水是一種在沿海沙灘或海床下建造取水井，從井中抽取經(jīng)過(guò)砂層或海床滲濾后的原海水的取水方式。通過(guò)這種方式取得的原海水，由于經(jīng)過(guò)了天然砂層和海床的過(guò)濾，水質(zhì)具有低濁度、低有機(jī)物含量、低微生物含量等優(yōu)良特性。該取水方式受潮汐、海浪、海嘯等影響較小，同時(shí)可以有效避免海洋生物的撞擊和夾帶(時(shí)常發(fā)生在地表取水方式中)。取水構(gòu)筑物和設(shè)備多布置在地面以下，可以很好地融合到項(xiàng)目所在的自然環(huán)境中，減少不和諧感。

根據(jù)結(jié)構(gòu)型式和適用范圍的不同，海灘井可以分為管井、大口井、斜井、水平定向鉆井和輻射井等幾種類(lèi)型。

管井

管井是一種利用鉆井設(shè)備將井管從地表垂直打入到地下含水層中，從井管內(nèi)抽取管井周邊地下水的構(gòu)筑物(圖1)。一般適用于潛水、承壓水、裂隙水、巖溶水。通常由井室、井壁管、過(guò)濾器和沉淀管組成。管井的設(shè)計(jì)主要包括井徑、井深、井頂標(biāo)高、開(kāi)孔和終孔直徑、井壁管及過(guò)濾器的種類(lèi)、規(guī)格、材質(zhì)、安裝位置以及止水、封井等。位于阿曼的Sur海水淡化廠，生產(chǎn)容量為83 500 m3/d，是目前取水量最大的管井取水示范工程。

大口井

大口井是一種采取人工開(kāi)挖或沉井施工的方式將井筒埋設(shè)到地下含水層中，以截取淺層地下水的構(gòu)筑物。適用于地下水埋深較淺，含水層較薄且滲透性強(qiáng)的地層取水。根據(jù)取水方式的不同，大口井可以分為完整井和非完整井；大口井一般由井筒、井口和進(jìn)水部分組成。三沙市某島嶼容量為100 m3/d的海水淡化裝置，采用了大口井的取水方式(圖2)。

斜井

斜井是一種以一定的傾斜角度將管井打入到海床下方的地下含水層中，從管井周邊取水的構(gòu)筑物。適用于潛水、承壓水、裂隙水、巖溶水；斜井的組成構(gòu)造和各部件功能類(lèi)似于管井，除了與豎井相同的直接在管井內(nèi)設(shè)置取水泵的取水方式外，還可以在斜井地面端的地下設(shè)置一過(guò)渡水池，從過(guò)渡水池中取水，有利于取水設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)。圖3是Geoscience Company公司為Monterey Peninsula海水淡化廠建造的測(cè)試井施工照片。

水平定向鉆井

水平定向鉆井是一種采用水平定向鉆技術(shù)以一定的角度將多孔取水管拉到海床下，在重力的作用下，通過(guò)海床的自然截留能力，過(guò)濾后的原海水進(jìn)入多孔管內(nèi)而獲得原海水的一種構(gòu)筑物。適用于沙土、黏土、卵石含量較少的地層，具有施工速度快、精度高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。位于西班牙的San Pedro del Pinatar海水淡化廠，采用了水平定向鉆井的取水方式。

輻射井

輻射井是一種由集水井及水平或傾斜的輻射管聯(lián)合構(gòu)成的取水構(gòu)筑物。適用于較薄的含水層(5～10 m)和厚度小而埋深大的含水層，具有管理集中、占地省、便于衛(wèi)生防護(hù)等特點(diǎn)。輻射管一般采用人工錘打、撞錘頂進(jìn)、水射法、千斤頂法、套管法和水平鉆機(jī)鉆進(jìn)法等施工方法。位于墨西哥的Salina Cruz海水淡化廠，采用了輻射井的取水方式。

各類(lèi)井對(duì)比

表1為各海灘井類(lèi)型的適用范圍及特點(diǎn)，為項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和選型提供了參考。

反滲透海水淡化高壓系統(tǒng)

“高壓泵-正位移式功交換式能量回收-增壓泵-膜組”

“高壓泵-正位移式功交換能量回收-增壓泵-膜組”是反滲透海水淡化工程中最為典型、成熟的工藝，其中功交換式能量回收設(shè)備按市場(chǎng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式又分為轉(zhuǎn)子式、交換缸式兩種。該工藝的特點(diǎn)是高壓泵可選用小流量泵，流量約等于系統(tǒng)產(chǎn)水流量；高壓系統(tǒng)能量回收效率可達(dá)90%以上；設(shè)計(jì)形式靈活，可選擇“一對(duì)一”獨(dú)立膜堆式或“三中心”式設(shè)計(jì)；主要的缺點(diǎn)是系統(tǒng)必須配備增壓泵，將能量回收增壓后的海水進(jìn)一步提升壓力以補(bǔ)充過(guò)程中的壓力損失；增壓泵要承受進(jìn)口、出口的雙重高壓，進(jìn)口密封要求較高，價(jià)格也較一般水泵高；一般占地面積較大，工藝控制相對(duì)較復(fù)雜。

“高壓泵-水力透平能量回收-膜組”

“高壓泵-水力透平能量回收-膜組”是最早應(yīng)用的反滲透高壓系統(tǒng)工藝，該工藝的主要特點(diǎn)是高壓泵與能量回收成串聯(lián)式連接，高壓泵需具有較高的流量，但揚(yáng)程較低，無(wú)需配備增壓泵，系統(tǒng)控制、操作也相對(duì)較簡(jiǎn)便，一次設(shè)備投資也較“高壓泵-功交換能量回收-增壓泵-膜組”工藝低。但該種工藝的能量回收設(shè)備有效能回收效率低，一般在50%～70%，綜合能耗相對(duì)較高，從運(yùn)行成本來(lái)看，較上一種工藝有明顯的劣勢(shì)。從應(yīng)用規(guī)模來(lái)看，該工藝較靈活，產(chǎn)水規(guī)模從百噸級(jí)到萬(wàn)噸級(jí)以上都可選用。

“高壓泵-能量回收增壓泵一體機(jī)-膜組”

該工藝主要是基于一種新型的能量回收設(shè)備，這種能量回收設(shè)備相當(dāng)于將能量回收、增壓泵一體集成，省去了增壓泵、增壓管路、閥門(mén)、儀表等高壓設(shè)備及材料，按該產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，較適合規(guī)模為1 000 t/d級(jí)，且能量回收效率較高，可達(dá)到93%以上。能夠得到能量回收效率高、更加緊湊的高壓系統(tǒng)。由于該種能量回收設(shè)備精密度較高，在高壓系統(tǒng)進(jìn)水處應(yīng)設(shè)置絕對(duì)過(guò)濾精度為10 μm或更高的保安過(guò)濾器。另外，該產(chǎn)品在運(yùn)行時(shí)有較大的噪音和震動(dòng)，在高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)置降震、減噪的措施，如選用高壓軟管、底座設(shè)計(jì)減震墊等。

“高壓泵能量回收一體機(jī)-膜組”

高壓泵能量回收一體機(jī)是將高壓泵與能量回收設(shè)備一體連接，通過(guò)高壓濃水驅(qū)動(dòng)能量回收器，提高高壓泵的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行壓力，從而降低高壓泵配備電機(jī)的功率，達(dá)到能量回收利用的目的。該種工藝的最大優(yōu)勢(shì)就是結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，非常適合一體式的小型淡化裝置，最大的缺點(diǎn)就是可選擇的規(guī)模較少、靈活性較差。在選用該工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須要基于相應(yīng)產(chǎn)品的性能特點(diǎn)進(jìn)行集成，需協(xié)調(diào)好回收率、產(chǎn)水量與高壓泵能量回收一體機(jī)的匹配問(wèn)題。同時(shí)，因能量回收增壓器與高壓泵同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加防止過(guò)流、超轉(zhuǎn)速的保護(hù)措施。

“高壓泵-膜組”

“高壓泵-膜組”這種組合方式是反滲透淡化最早、最傳統(tǒng)的工藝，系統(tǒng)的運(yùn)行壓力完全由高壓泵來(lái)決定，系統(tǒng)可靠性較高，故障率較低。但該工藝最大的缺點(diǎn)就是噸水能耗高。自能量回收技術(shù)出現(xiàn)以后，該工藝已很少在反滲透海水淡化工程中應(yīng)用，目前也僅僅應(yīng)用在產(chǎn)水規(guī)模100 t/d級(jí)以下的一些特殊場(chǎng)合，比如空間有限、對(duì)可靠性要求高、維護(hù)條件簡(jiǎn)陋的船舶、平臺(tái)、島嶼等地點(diǎn)。

性能比較

海水淡化用高壓泵主要有2種形式：柱塞式高壓泵、多級(jí)離心高壓泵。

市場(chǎng)上常見(jiàn)的能量回收設(shè)備形式主要包括采用正位移功交換原理和水力透平原理的兩大類(lèi)。

天然礦化材料

高效利用淡化海水，需要對(duì)其選擇合適方式進(jìn)行礦化處理。通常淡化海水后礦化過(guò)程是通過(guò)過(guò)濾、投加化學(xué)藥劑來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要分為3大類(lèi)方法：與其他水源混合法、添加藥劑法、溶解富含碳酸鈣的礦石。本試驗(yàn)不添加化學(xué)藥劑，選取麥飯石、沸石、木魚(yú)石和扇貝殼4種礦化材料，采用溶解法對(duì)淡化海水進(jìn)行礦化處理。

礦化試驗(yàn)分為兩部分：①燒杯浸泡試驗(yàn)主要研究靜置浸泡時(shí)間和攪拌浸泡時(shí)間對(duì)礦化效果的影響。在不同條件下用淡化海水浸泡不同礦化材料，檢測(cè)礦化后水樣中礦物質(zhì)含量，與原水水樣中礦物質(zhì)含量進(jìn)行比較，選出較理想的礦化材料；②填充柱試驗(yàn)主要研究淡化海水流量和pH對(duì)礦化效果的影響。在試驗(yàn)裝置的3個(gè)柱子中填充不同的礦化材料，使流動(dòng)的淡化海水通過(guò)填充柱，檢測(cè)出水水樣中礦物質(zhì)的含量，與進(jìn)水水樣中礦物質(zhì)含量進(jìn)行比較，篩選最佳工藝條件。

燒杯試驗(yàn)結(jié)果與分析

靜置浸泡時(shí)間對(duì)礦化效果的影響

礦化效果如表4所示。

由圖6～圖7可知，與原水相比較，4種礦化材料礦化水中溶解性總固體和總硬度均有提升，其中扇貝殼組試驗(yàn)最為明顯，礦物質(zhì)含量增長(zhǎng)量最大，木魚(yú)石礦物質(zhì)含量增長(zhǎng)量最小。同種礦化材料的不同靜置浸泡時(shí)間下的試驗(yàn)結(jié)果相互對(duì)比，礦物質(zhì)含量相差不大，說(shuō)明此試驗(yàn)條件下8 h的浸泡時(shí)間已經(jīng)足夠長(zhǎng)。

4種礦化材料均有偏硅酸溶出。麥飯石溶出偏硅酸較多，可達(dá)4～6 mg/L。沸石溶出偏硅酸為2～3 mg/L，木魚(yú)石溶出偏硅酸為1～2 mg/L。扇貝殼溶出偏硅酸較少，但溶解性總固體、堿度、總硬度等指標(biāo)增量都較大，具有研究?jī)r(jià)值。木魚(yú)石各種礦物質(zhì)元素溶出量均不突出，不適用于淡化海水的礦化處理。

攪拌浸泡時(shí)間對(duì)礦化效果的影響

礦化效果如表5所示。

對(duì)比表7、圖8、圖9中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，各種元素溶出量較低且差別不大；礦物質(zhì)總量指標(biāo)總硬度、溶解性總固體等除扇貝殼外基本與原水差別不大；幾種礦化材料在該條件下均無(wú)偏硅酸溶出；沸石和扇貝殼有有益元素鍶元素溶出，含量約為0.05～0.07 mg/L。主要原因是攪拌時(shí)間較短且pH接近中性，礦物質(zhì)很難溶出，礦化效果不明顯。

填充柱試驗(yàn)結(jié)果與分析

礦化效果如表6所示，混合組為麥飯石組、沸石組和扇貝殼組的混合水。

對(duì)比表4、圖10、圖11中A、B兩組試驗(yàn)可知，pH對(duì)扇貝殼的礦化效果影響較大，不添加二氧化碳調(diào)節(jié)pH時(shí)，幾乎無(wú)礦物質(zhì)溶出(A組)，加入二氧化碳調(diào)節(jié)pH值為4.3后，礦物質(zhì)溶出量明顯增多(B組)。對(duì)比B、C兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，水在填充柱中的流量對(duì)扇貝殼的礦化效果有影響，流量小，礦物質(zhì)溶出量更大，原因是流量變小，流速變慢，水力停留時(shí)間增長(zhǎng)，礦化材料的浸泡時(shí)間相應(yīng)增大，礦物質(zhì)溶出量增多。因此，降低pH并增大水力停留時(shí)間，有利于礦物質(zhì)溶出。

總之，3種礦化材料僅扇貝殼有明顯的鍶元素溶出，其他2種礦化材料無(wú)鍶溶出。

結(jié)論

(1)靜置浸泡試驗(yàn)結(jié)果得出，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，礦化材料中元素溶出量越多?？紤]有益礦物質(zhì)元素的溶出量時(shí)，麥飯石溶出偏硅酸較多、沸石溶出鍶和偏硅酸均較多，扇貝殼鍶和其他礦物質(zhì)指標(biāo)如溶解性總固體、堿度、總硬度等增量都較大，均有研究?jī)r(jià)值，而木魚(yú)石各種礦物質(zhì)元素溶出量均不明顯。

(2)攪拌浸泡試驗(yàn)結(jié)果得出，攪拌浸泡試驗(yàn)各種元素溶出量較低且差別不大；幾種礦化材料在該條件下均無(wú)偏硅酸溶出；沸石和扇貝殼有有益元素鍶元素溶出。

(3)填充柱試驗(yàn)試驗(yàn)表明，降低pH且增長(zhǎng)水力停留時(shí)間，有利于礦物質(zhì)溶出。3種礦化材料僅扇貝殼有明顯的鍶元素溶出，并達(dá)到了《飲用天然礦泉水國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8537—2008)標(biāo)準(zhǔn)。扇貝殼的鈣元素溶出量很高，使礦化水的總硬度大大提升，但存在菌落數(shù)超標(biāo)、濁度較高的問(wèn)題，需要再處理。

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