滄化集團18000m3/d苦咸水淡化設計方案
某化學股份有限公司為保證全國最大的PVC生產裝置項目的供水及解決企業長期發展免受水資源的限制，同時為解決黃驊市部分地區常年飲用高濃度苦咸水的難題，決定開發儲量豐富、可通過降雨及海水滲入自然補充的50～250 m地下高濃度苦咸水。
1 方案的選取
雖然淺層地下水(井深50～250 m)的供水量能滿足需求，但水質惡劣，距生產工藝要求的水 質相差甚遠，其水質情況見表1。
表1 原水水質指標
項目 數值 項目 數值
K+、Na+ 3500.32 Ca2+ 272.99
Fe3+ 0.26 SO42- 1071.18
Cl- 6618.75 I- 0.74
NO2- 0.003 HPO42- 0.027
暫時硬度 462.45 負硬度 11.40
可溶SiO2 10.33 懸浮物 42.81
硫化物 0.06 COD 1.83
Mg2+ 640.63 Fe2O3 0.70
NH4+ 0.11 Ba2+ 0.26
HCO3- 573.76 Sr2+ 7.19
F- 1.84 NO3- 0.07
全硬度 3317.93 永久硬度 2678.81
總堿度 470.52 TDS 12402.25
注 細菌總數＞100個/mL；濁度=5NTU；pH=7.51；水溫=16.6℃
從表1可見，原水含鹽量為12402.25mg/L，為高濃度苦咸水，其淡化方法可采用電滲析法、反滲透法和蒸餾法。對于該水質而言，如采用電滲析方法脫鹽，其耗電指標介于7.0～18.5kW•h之間，比我國島嶼現有實際運行的反滲透海水淡化工程能耗還要大，故而不予采用。蒸餾法中多級閃蒸淡化技術動力消耗大、運轉費用高；壓汽蒸餾成熟產品的最大產量為3000m3/d，需6臺并聯才能達到產水要求，缺乏規模效益；低溫多效蒸餾淡化方法雖適用于該項目的 苦咸水淡化，但經初步計算得知針對該水質的設備投資高達19000萬元，單位造水成本也達67元/m3。同樣規模的反滲透淡化裝置投資則在2200萬元左右，單位造水成本25元/m3，遠比低溫多效蒸餾淡化方法便宜。其原因是：
①產品水的水質達到國家飲用水要求即可，不需要生產高純水；
②多效蒸餾設備還不具備國產化條件，設備引進的價格較高；
③原料水含鹽量較低，使得反滲透可在較低壓力下操作，達到了節能目的。因而決定選用反滲透處理工藝。
2 工藝設計
2 1預處理系統
根據有關方面提供的水源地水文地質詳查情況，局部水源井的濁度較高，在室內放置4～24 h后濁度高達40 NTU。這可能是原水中存在一些不穩定離子，所處環境改變后還原成膠狀物所致。因此，在原水進入淡化裝置之前設置集水、澄清沉淀池，以使原水與大氣充分接觸， 并得以澄清沉淀。由于原水中含有微生物，在預處理前加次氯酸鈉(2mg/L)殺滅細菌，同時防止和抑制微生物的滋生。殺菌后的水加入絮凝劑(聚合氯化鐵5mg/L)進行直流凝聚，以便后續過濾去除。過濾系統分別設置多介質過濾器和細砂過濾器兩級過濾系統。參照國內、國外過濾器的運行情況，多介質過濾器的濾速選用10m/h，細砂過濾的濾速選用5m/h,控制出水污染指數SDI＜3，Fe＜0.05mg/L，CODMn＜1.5mg/L，p＝2～11，達到反滲透淡化系統要求的進料指標。預處理反沖洗水采用已經過多級過濾和防結垢處理的反滲透濃水，從而使系統自用原水量降至最低，使系統具有較高的回收率。
2 2 反滲透系統
由于淡化系統采用反滲透復合膜，對氯的耐受程度只有1000mg/(L•h)，而過濾器 出水通常含余氯0.1～1.0 mg/L，故需在過濾器出水中加入亞硫酸氫鈉(3mg/L)還原水中余氯，使游離氯含量＜0.1mg/L，滿足反滲透裝置的進水要求。另外，原水中Ca2+、SO42-、Mg2+、a2+、Sr2+等離子含量較高，在反滲透脫鹽過程中極易形成難溶組分沉積于反滲透膜表面，造成裝置性能下降。因此采用性能 較傳統阻 垢劑六偏磷酸鈉為好的阻垢分散劑Flocon260(27mg/L)，必要時配合加入鹽酸(30%鹽酸)可有效防止膜內碳酸鈣、硫酸鈣、鋇等各種難溶鹽類的結垢，并防止鐵鋁氧化物及其他污染物的沉積。
淡化裝置的總容量為18000m3/d，選用數臺裝置并聯運行。考慮到原水水質的特性，采用介于海水及一般水處理之間的系統回收率65%，既保證水源的充分利用，又防止回收率過高對膜的損害。為實現回收率＞65%的目標，需采用二段工藝操作。考慮到該水質的反滲透操作壓力較高，濃水排放較海水處理相對較少，排放量較大，在一、二段膜中間增設能量回收裝置，從而減少系統的能量消耗。
鑒于該水含鹽量為12400 mg/L，屬于高濃度苦咸水，且不到常規海水含鹽量的一半，無法 照搬傳統意義苦咸水及海水的處理方式。因此采用苦咸水和海水反滲透膜一級一段、一級二段和二者的混合工藝分別計算。
從計算結果可知，無論采用幾臺裝置并聯，從裝置能量消耗的角度看，對于一級一段流程，每個壓力容器內安裝6組反滲透膜最佳；對于一級二段流程，每個壓力容器內安裝4組膜最佳。從投資的角度看，每個壓力容器內安裝的膜組件數越多，壓力容器的個數越少，同樣膜組 件數的投資越少；因為6m長壓力容器與4m長壓力器的價格并不呈比例增長。綜合考慮各方面因素，一級二段流程也選用6m長的壓力容器，即每個壓力容器內安裝6組反滲透膜組件。
完全使用海水膜，淡化系統的能量消耗較高，第一段采用苦咸水膜、第二段采用海水膜的能量消耗與兩段均采用苦咸水膜的能量消耗相當。完全采用苦咸水膜時，操作壓力為294N，到第二段的進口濃度達到24000mg/L，雖然從理論計算上沒有問題，但缺乏工程實例，風險較大。因而，反滲透膜堆的排布形式采用第一段苦咸水膜，第二段海水膜。
從能量回收透平的效率曲線上看，透平的容量越大，回收效率越高。裝置的并聯數量越多，其操作彈性越大，但投資也相應加大；并聯數量太少時，操作彈性變小。因此，綜合考慮裝置效率、供水穩定性等各方面因素，裝置的并聯數量以三臺為佳。最終確定出水水質為(mg/L)：鈣＝1.2，鎂＝2.7，鈉＝70.9，鉀＝0.0，硫酸根＝4.4，氯根＝109.0，重碳酸根＝15.3，總溶解固體＝203.6，出水p＝5.60。
根據透過水的水質情況，后處理采用p值調節。透過水加入Na2CO3調節p值，加入量為145 mg/L，加入后把p值調節到7.43，以符合循環水的水質要求及減少對管路的腐蝕。由于調節p值而加入了純堿，處理后水的總固溶物含量將有所增加，最后加入1mg/L液氯以防止微生物的污染，提供給用戶使用。反滲透裝置主體電力消耗20kW•h/m3(產水)，加入引水及其他附屬設備用電共計2.5kW•h/m3，單位造水成本則為2.48元/m3。
3 結論
滄化集團18000m3/d苦咸水淡化工程采用一級二段反滲透處理方式(一段為苦咸水反滲透膜，二段為海水反滲透膜)較為合理。三臺裝置并聯運行時，電力消耗為25kW•h/m3，單位造水成本＜25元/m3。故而采用反滲透淡化工藝提供滄化集團的循環冷卻水是可行的技術路線。
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