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(dòng)所利用。隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人口的迅速增長(zhǎng)與集中，對(duì)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(diǎn)，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(jìn)行海水淡化的投資和運(yùn)行成本將不斷下降。

Ashkelon海水反滲透廠建成于2005年，是當(dāng)時(shí)世界最大的采用膜技術(shù)進(jìn)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(xiàng)目作為以色列2000年啟動(dòng)的海水淡化規(guī)劃的一部分，旨在解決該國(guó)長(zhǎng)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(yùn)營(yíng)，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(yùn)營(yíng)協(xié)議期滿之后，海水淡化廠將移交給以色列政府。該項(xiàng)目造價(jià)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(gè)專門的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(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(jìn)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(yùn)營(yíng)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(jì)

運(yùn)行的連續(xù)性和可靠性是工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。由于該廠設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)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(dú)立運(yùn)行。整個(gè)海水淡化系統(tǒng)平穩(wěn)的運(yùn)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(yàn)的工藝優(yōu)化以及有效的系統(tǒng)維護(hù)。

Ashkelon海水淡化項(xiàng)目的處理工藝包括5個(gè)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(zhǎng)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(duì)海洋生物的生長(zhǎng)具有一定的抑制作用。

2．2海水取水與預(yù)處理

進(jìn)水泵站配有5臺(tái)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(duì)應(yīng)著20個(gè)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(shí)使用。

化學(xué)處理系統(tǒng)可以根據(jù)流速進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)過濾，濾速為8 m／h。這種慢濾速、長(zhǎng)停留時(shí)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?jī)商熳詣?dòng)反沖洗一次。

微孔過濾器構(gòu)成第二級(jí)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(jìn)水壓力為7 MPa，是最為耗能的一個(gè)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(jì)初期，ERD裝置就被引入處理系統(tǒng)，該裝置對(duì)排放濃水中機(jī)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(jìn)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(dú)立運(yùn)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(jì)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(jìn)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(gè)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(jìn)入第二階段，采用高pH值，提高膜對(duì)硼的去除率，此階段的回收率為85％，在這個(gè)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(jìn)入第三處理階段，主要是對(duì)第二階段處理的濃鹽水進(jìn)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(shí)也不必?fù)?dān)心膜表面上會(huì)結(jié)垢。但是由于pH值低，硼去除率很低，部分硼會(huì)隨滲透水進(jìn)入下一階段。因此在這個(gè)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(gè)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(jìn)入第一階段的進(jìn)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(jì)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(jì)的一個(gè)主要考慮因素。

海水淡化設(shè)施由第一階段的32個(gè)反滲透裝置、第二階段的8個(gè)裝置、第三階段的2個(gè)裝置和第四階段的2個(gè)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(gè)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(jìn)行的后處理主要用于在將出水送入國(guó)家供水系統(tǒng)之前使之礦化。這個(gè)礦化過程以及堿度、硬度和pH值的調(diào)節(jié)過程對(duì)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?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)

傳統(tǒng)的反滲透設(shè)備主要由高壓泵、能量回收輪機(jī)和膜構(gòu)成，并不適合大規(guī)模的反滲透處理廠。改進(jìn)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(jì)實(shí)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(gè)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(gè)部分中每個(gè)都配有3個(gè)高壓泵，組成1個(gè)泵送中心，將海水通過共用管線送往各個(gè)反滲透裝置，另有1臺(tái)泵作為備用。40個(gè)DWEER裝置構(gòu)成一個(gè)能量回收中心，該中心收集來自各個(gè)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(jìn)水管泵送至各個(gè)反滲透裝置。這種方法有助于提高各個(gè)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(shí)達(dá)到88．5％)。40個(gè)DWEER構(gòu)成能量回收中心，分成10組，每組4個(gè)，其中一組備用。這樣便于在較大范圍內(nèi)進(jìn)行能量回收，并提高系統(tǒng)的效率和靈活性。

由于Ashkelon項(xiàng)目的規(guī)模效應(yīng)，以及近年來反滲透膜價(jià)格的降低、ERD系統(tǒng)對(duì)能量有效的回收和運(yùn)營(yíng)者對(duì)運(yùn)營(yíng)成本的合理控制，本項(xiàng)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(guó)防工業(yè)出版社，2007．

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