反滲透技術(shù)在以色列Ashkelon海水淡化項目中的應(yīng)用
1 背景
地球上水體總量約為13．6×1012rn3，海水約占97．2％。在2．8％的淡水中，僅有0．23％可以被人類生命活動所利用。隨著世界各國經(jīng)濟高速發(fā)展和人口的迅速增長與集中，對淡水的需求也日益增加，海水淡化作為未來沿海淡水資源開發(fā)的首選，將成為沿海地區(qū)解決供水不足的重要途徑之一[1]。膜法與其他海水淡化方法相比，具有投資少、能耗低、淡化成本低、建設(shè)周期短等優(yōu)點，可用于各種濃度的海水淡化和建造不同規(guī)模的海水淡化工程。隨著膜技術(shù)的不斷發(fā)展，采用膜法進行海水淡化的投資和運行成本將不斷下降。
Ashkelon海水反滲透廠建成于2005年，是當(dāng)時世界最大的采用膜技術(shù)進行海水淡化的工廠，目前該廠可提供飲用水量為33×104m3／d。該項目作為以色列2000年啟動的海水淡化規(guī)劃的一部分，旨在解決該國長期存在的供水問題。
Ashkelon海水淡化廠位于以色列南部地區(qū)，每年為南部城市提供1×108m3的飲用水，相當(dāng)于以色列生活用水總量的15％。
Ashkelon海水淡化廠由VID海水淡化有限公司運營，該公司是由威立雅水務(wù)及其以色列合伙人(IDE技術(shù)有限公司和Elran基礎(chǔ)設(shè)施有限公司)組成的合資公司。25年的運營協(xié)議期滿之后，海水淡化廠將移交給以色列政府。該項目造價近2．12億美元，資金來源包括入股和貸款兩部分。
海水淡化廠包括膜海水淡化單元和海水提升、濃鹽水排放、原水預(yù)處理和產(chǎn)水后處理等設(shè)施，此外還建有一個專門的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(聯(lián)合發(fā)電)發(fā)電廠，提供80 MW的電力，其中56 MW供海水淡化處理使用。
先進的反滲透技術(shù)和一流的能量回收系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了Ashkelon海水淡化廠的運營成本，其噸水處理成本為0．53美元／m3，為同類工藝噸水成本最低。
2 工藝設(shè)計
運行的連續(xù)性和可靠性是工藝設(shè)計的重點。由于該廠設(shè)計的飲用水生產(chǎn)能力是設(shè)想中的兩倍，因此該廠差不多由兩個獨立的部分組成，每部分提供165000 m3／d的飲用水。這兩部分共用海水取水系統(tǒng)、海水提升泵站和最終的后處理(再礦化和消毒)設(shè)施，這些設(shè)施和泵站都具備足夠的能力以確保各部分獨立運行。整個海水淡化系統(tǒng)平穩(wěn)的運行和產(chǎn)水水質(zhì)是由眾多因素所保證的，包括海水取水、海水預(yù)處理和后處理、連續(xù)的監(jiān)控、基于多年經(jīng)驗的工藝優(yōu)化以及有效的系統(tǒng)維護。
Ashkelon海水淡化項目的處理工藝包括5個主要部分，工藝流程如圖1所示。
 |
2．1海岸取水設(shè)施
考慮到工廠選址的限制和處理量的規(guī)模效應(yīng)，選用了敞開、浸沒式的取水裝置，包括3條平行的高密度聚乙烯管道(管徑為DN1 600，長度為1 km)，以及為了保證安全取水的特殊構(gòu)造。聚乙烯管道便于清潔，對海洋生物的生長具有一定的抑制作用。
2．2海水取水與預(yù)處理
進水泵站配有5臺流量為35000m3／h的立式泵，通過兩根管線將海水送到預(yù)處理設(shè)施，每根管線對應(yīng)著20個雙層濾料重力濾池。過濾前添加化學(xué)藥劑，并通過靜態(tài)混合器混合。在預(yù)處理階段采用硫酸亞鐵作為混凝劑、硫酸作為pH調(diào)節(jié)劑，以便在預(yù)處理階段有效地降低SDI值。此外，還安裝有其他化學(xué)藥劑投加設(shè)備(沖擊加氯、聚合物)以便在海水水質(zhì)惡化時使用。
化學(xué)處理系統(tǒng)可以根據(jù)流速進行實時調(diào)節(jié)，并有適當(dāng)冗余以確保系統(tǒng)的有效性。重力濾池通過石英砂和無煙煤介質(zhì)實現(xiàn)過濾，濾速為8 m／h。這種慢濾速、長停留時間以及避免形成短流的配水和集水系統(tǒng)保證了過濾的高效率。即使在暴雨的濁度情況下，用這種方式過濾的海水也滿足后續(xù)處理的要求。這些濾池每兩天自動反沖洗一次。
微孔過濾器構(gòu)成第二級過濾，也是膜處理之前的最后一道安全屏障。
2．3高壓泵和能量回收系統(tǒng)
反滲透系統(tǒng)所需的進水壓力為7 MPa，是最為耗能的一個部分，因此任何可以減少能耗的措施都可以優(yōu)化產(chǎn)水的成本。ERD(能量回收裝置)的引入為降低能耗提供了可能。
在工廠設(shè)計初期，ERD裝置就被引入處理系統(tǒng)，該裝置對排放濃水中機械能的回收率可達(dá)96％。ERD裝置大大降低了噸水能耗，同傳統(tǒng)工藝相比，噸水能耗可降低35％左右。
2．4反滲透
過濾后的海水經(jīng)過高壓泵流向反滲透設(shè)備，這些設(shè)備與先進的雙工作交換能量回收(DWEER)設(shè)施聯(lián)系在一起。高壓泵和能量回收設(shè)備可以各自獨立運行，這有助于提高系統(tǒng)的靈活性和效率。
海水淡化設(shè)施由四階段系統(tǒng)組成，這種設(shè)計是在考慮到出水水質(zhì)的情況下采用的(氯化物＜20mg／L，硼＜0．4 mg／L)。
①第一階段是傳統(tǒng)的海水反滲透系統(tǒng)，回收率約為45％。部分滲透水來自壓力容器的進水側(cè)(前端透過水)。這部分水的鹽濃度(尤其是硼的濃度)低于整個滲透水的濃度，可以直接與其他階段的滲透水混合。
②經(jīng)過第一階段處理后的滲透水進入第二階段，采用高pH值，提高膜對硼的去除率，此階段的回收率為85％，在這個階段處理的滲透水成為最終水的一部分。
③經(jīng)過第二階段處理后的濃鹽水進入第三處理階段，主要是對第二階段處理的濃鹽水進行軟化，在低pH值下回收率為85％。由于處于酸化環(huán)境，因此在高回收率和高濃度時也不必?fù)?dān)心膜表面上會結(jié)垢。但是由于pH值低，硼去除率很低，部分硼會隨滲透水進入下一階段。因此在這個階段形成的滲透水還不能被視作成品水，而必須經(jīng)過第四階段的處理。
④第四階段的回收率達(dá)到90％。在這個階段采用高pH值，以便去除濃水中的硼。經(jīng)過第四階段處理后的水可以與成品水混合。
在“標(biāo)準(zhǔn)”的兩階段法海水處理中，第二階段產(chǎn)生的濃水直接進入第一階段的進水，由于濃鹽水的硼濃度太高，因此這種方法未被采納。
在設(shè)計階段還考慮過其他方案，其中有將濃鹽水直接排放或使用硼選擇性離子交換劑等。制水成本是確定最佳工藝和設(shè)計的一個主要考慮因素。
海水淡化設(shè)施由第一階段的32個反滲透裝置、第二階段的8個裝置、第三階段的2個裝置和第四階段的2個裝置組成。該設(shè)施共采用25600支海水膜和15100支苦咸水膜。最終采用了DOW(陶氏)公司的Filmtec膜用于反滲透處理。
反滲透膜走廊如圖2所示。
 |
2．5后處理
經(jīng)過多個階段反滲透系統(tǒng)的處理，從硼和氯化物含量的角度來看，出水水質(zhì)已經(jīng)符合要求，而采用石灰進行的后處理主要用于在將出水送入國家供水系統(tǒng)之前使之礦化。這個礦化過程以及堿度、硬度和pH值的調(diào)節(jié)過程對于滿足飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是必不可少的，可以有效防止供水管網(wǎng)的腐蝕。
3 主要創(chuàng)新技術(shù)和運營經(jīng)驗
傳統(tǒng)的反滲透設(shè)備主要由高壓泵、能量回收輪機和膜構(gòu)成，并不適合大規(guī)模的反滲透處理廠。改進的辦法之一是從本地模式轉(zhuǎn)換成中央模式，采用集中泵輸送海水到高壓系統(tǒng)比傳統(tǒng)方法更經(jīng)濟實惠，能量回收也同樣如此。
海水的供應(yīng)通過建造于海床的3條管線向海水淡化廠輸送，經(jīng)過雙層濾料濾池的預(yù)處理后，海水被送入32組反滲透單元，每個單元具有10000 m3／d的生產(chǎn)能力。
除了去除總鹽度，反滲透系統(tǒng)還去除了細(xì)菌、病毒和硼，可以獲得良好的產(chǎn)水水質(zhì)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。
 |
構(gòu)成海水淡化廠的兩個部分中每個都配有3個高壓泵，組成1個泵送中心，將海水通過共用管線送往各個反滲透裝置，另有1臺泵作為備用。40個DWEER裝置構(gòu)成一個能量回收中心，該中心收集來自各個反滲透裝置的加壓濃鹽水，將能量傳輸給海水，并通過共用進水管泵送至各個反滲透裝置。這種方法有助于提高各個系統(tǒng)的效率。泵的效率是速度和流量的函數(shù)，效率高的泵轉(zhuǎn)速和流量都很高。Ashkelon高壓泵達(dá)到了最大限度的泵效率(最佳工況時達(dá)到88．5％)。40個DWEER構(gòu)成能量回收中心，分成10組，每組4個，其中一組備用。這樣便于在較大范圍內(nèi)進行能量回收，并提高系統(tǒng)的效率和靈活性。
由于Ashkelon項目的規(guī)模效應(yīng)，以及近年來反滲透膜價格的降低、ERD系統(tǒng)對能量有效的回收和運營者對運營成本的合理控制，本項目的噸水成本被控制在較低的水平，約為0，53美元／m3。
參考文獻(xiàn)：
[1] 陳觀文，徐平．分離膜應(yīng)用與工程案例[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2007．
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
