小型反渗透海水淡化简易预处理方案设计与应用

黄立维，冯宾春，张金接，符 平

（中国水利水电科学研究院 北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

1 研究背景

反渗透海水淡化技术是目前得到广泛工业化应用的海水淡化技术之一，在近年世界范围内的新增装机中，反渗透技术在众多海水淡化技术中占有明显的优势。

由于反渗透膜对进水水质有着严格的要求，工艺设计中海水预处理设计非常重要，直接关系到整个系统设计的成败[1]。近岸海域，尤其是表层海水，因受人类活动和陆上地表水的影响，成分较为复杂，通常含有较多的胶体、悬浮颗粒、微生物、细菌、有机物等，增加了海水的预处理难度。若预处理工艺设计不当，将会严重威胁膜组件的使用安全和寿命，如膜结垢、生物淤堵等，从而影响产水水质和系统运行的经济性[1-2]。

小型海水淡化系统因规模的限制，预处理工艺的投资和成本是设计中的重要考量因素，因此，在预处理方法方面有其自身的特点，需要对其进行专门的研究。本文结合独立新能源海水淡化系统示范工程，研究了多种海水淡化预处理工艺，对类似小型海水淡化工程具有一定的指导意义。

2 取水方式设计

常用的海水淡化取水方式有多种，大致可分为沙滩井取水、浅海取水、深海取水三大类[3]，各自的特点和适用规模见表1。

对于海岛小型海水淡化系统，采用传统沙滩井方案受到海岛地形、地质条件、管路铺设等方面因素的限制，不宜采用；同时，由于工程规模小，采用深海取水方式不经济。综合比较分析，推荐优先采用浅海表层取水方式。

表1 预处理取水方式对比

对于表层取水，本文结合东门屿工程近岸固定潜水泵取水方案的基础上，提出了离岸一定距离“悬泵+土工布袋”的取水方式，即将潜水泵与浮子连接，使潜水泵浮于海水表面，以保证不同潮位潜水泵与海底保持有合适的安全距离，从而避免潮位变化对进水水质和进水口流态的明显影响，示意图如图1所示。在潜水泵外部可以制作支架对潜水泵进行保护，并在支架外部包裹土工布袋，对水中较大悬浮物、鱼虾等生物起到拦截作用，同时还可避免海中贝类生物在潜水泵上的附着繁殖，一定程度上降低了潜水泵的腐蚀速度。

图1 悬泵取水

3 预处理方案设计

本文根据海岛小型海水淡化系统的具体情况，提出并研究了3种适合小型海水淡化系统的预处理方案。方案1和方案2的表层取水采用“悬泵+土工布袋”的方式，方案3采用改进的沙滩井取水方案。

（1）方案1。表层取水+自然沉淀+滤袋+多介质过滤器。首先通过蓄水池自然沉淀，去除较大悬浮颗粒物，然后再经滤袋和多介质过滤器分级过滤，进一步去除海水中的悬浮或胶态杂质。经预处理的海水最后再经过两级保安过滤器进入膜壳，膜前进水水质可满足反渗透膜的要求。方案设计流程示意图如图2所示。

图2 方案1设计流程

（2）方案2。表层取水+自然沉淀+超滤设备。随着膜过滤技术的不断发展，许多新的预处理技术不断地应用到反渗透海水淡化技术当中，膜法预处理技术已成为反渗透预处理技术的一个重要发展方向。常用的膜法预处理技术有微滤（MF）技术、超滤（UF）技术、纳滤（NF）技术、陶瓷膜过滤技术等[1-2]。综合分析系统经济性和预处理产水水质要求，本文推荐采用超滤预处理技术。该技术对超滤前进水水质要求不高，海水经自然沉淀即可。本方案流程示意图如图3所示。

图3 方案2设计流程

（3）方案3。改进的沙滩井取水+砂滤。采用沙滩井取水，其水质条件很好，但受小岛内施工条件的限制，常规沙滩井需要机械施工，施工成本高，对小型系统来说经济性较差。本文通过借鉴海水养殖业的经验对传统的沙滩井取水方式进行了一定的改进，降低了施工难度和施工成本，同时保留了沙滩井特点，对于海岛内小型海水淡化系统比较适用。

本方案需选择合适的沙滩作为取水点，然后将带有通水孔的PVC管埋至低于最低潮位时的水位即可。PVC管外采用纱网包裹，为保证足够的水量，可通过增加的PVC管管径或通水孔部位长度来保证足够的取水量，同时也可增加带有通水孔的PVC管个数，来保证取水量。本方案施工方便，低潮位在沙滩上通过开沟铺设PVC管道，而后竖向将取水的PVC管道部位插入沙层内，确保在最低潮位时，取水部分仍在海水水位以下，沙滩井取水方案示意图如图4所示。

图4 改进的沙滩井取水方案

本方案在取水初期，海水中会夹带一定数量的杂质及砂砾，通过一段时间的抽水，细小颗粒逐渐消失，随着PVC管外壁沙层的不断密实，取水水质趋于稳定。

4 工程应用与分析

4.1 工程概况本项目位于福建省东山县东门屿，岛内常住人口约40人，淡水资源缺乏。当地风资源和太阳能资源较为丰富，示范工程采用风光互补发电提供动力。系统设计容量为20m3/d，由一台产水8m3/d和一台产水12 m3/d的海水淡化设备组成，设计产水率为30%，2台海水淡化设备均设计有砂滤系统（带有自动反冲洗功能）。同时，海水淡化设备设计两级保安过滤器，确保膜前进水水质及高压泵运行安全。整个系统由一台额定流量为3.6m3/h的潜水泵取水。

4.2 取水方式结果分析根据现场试验，土工布袋除对水中较大悬浮物、鱼虾等生物起到拦截作用外，还可以有效截留粒径100μm以上的物质。表层直接取水与“悬泵+土工布袋”取水方案水质检测结果对比如表2所示。

表2 表层取水海水水质检测结果

从以上水质检测结果和运行情况来看，“悬泵+土工布袋”方式取水水质较好，且能保证水质的基本稳定，杂质含量较少，对小型系统来说，是一种比较经济可行的取水方案。

4.3 预处理水质对比分析本文根据以上3种预处理方案，分别对膜前进水的水质情况进行检测，其结果如表3所示。

由以上水质检测结果可知，参照《火力发电厂海水淡化设计规范》（GB/TDL98-2010）[4]对膜前进水水质条件的要求，以上3种方案进行预处理的水质条件均满足反渗透膜进水水质的要求。

4.4 适用性对比分析本文以东门屿20m3/d的海水淡化项目为例，对以上3种预处理方案的适用性进行比较分析。

表3 三种方案膜前进水水质检测结果

（1）方案1。“表层取水+自然沉淀+滤袋+多介质过滤器”预处理方案简单，设备投资少，其主要设备设施投入为袋式过滤器和蓄水池建设，在整套海水淡化系统中所占比重较小，仅占总投资的5%左右。该预处理方案取水水质相对较稳定，又经蓄水池沉淀后，其水质条件有了进一步的改善，而后通过滤袋、多介质过滤器的净化，预处理水质满足反渗透膜的进水要求。

该方案具有设备配置简单、投资小、维护方便，适用性较强等特点，其预处理水质情况较为稳定，在本项目中采用该方案已运行8个月，运行情况良好。

（2）方案2。采用膜法预处理方案，预处理的水质条件最好，但是对于小型海水淡化系统其成本最高，经济性较差。以本项目为例，采用一套处理水量为4m3/h的超滤系统，可满足20m3/d海水淡化设备的供水量要求，但设备投入在整套海水淡化系统中所占比重较大，约占总投资的20%，远大于方案1。

方案2在运行过程中需定期对超滤膜进行清洗，并且为保证预处理系统供水的连续性，应设计中间水箱，同时其运行维护相对复杂，运行维护成本也相对较高，对于小型海水淡化系统采用该方案其适用性相对较差。

（3）方案3。设备投入最少，主要成本为施工费用，相对经济，并且沙滩井取水水质稳定，预处理配置简单，预处理水质满足反渗透膜进水要求。

但该方案受工程自然条件及现场施工条件等影响较大，需根据项目具体情况而定，其影响因素主要有几个方面：①工程选址应距沙滩较近，从而能够保证沙滩井管道铺设费用低，突出该方案的经济性特点；②沙滩组成影响该方案的实施。以东门屿项目为例，本项目海水淡化系统附近沙滩在低水位处含泥量较多，取水过程中会影响取水水质，同时大量的淤泥堵塞砂层过水通道，也会对取水量产生影响；③由于潮流等自然条件的影响，沙滩组成会有一定的变化，如东门屿部分沙滩受海浪侵蚀严重，随季节变化沙滩中含泥量会有所增多，为保证取水水质需定期对沙滩井的铺设位置等进行调整，清理取水管道，从而增加了该方案的维护费用（本项目对改进沙滩井取水方式进行了试验，但因现场条件限制，未进行示范运行）。

综合以上适用性分析，对于小型海水淡化系统，在现场水质、沙滩组成等因素和施工条件允许的情况下，采用方案3是最佳的预处理方案选择；若沙滩井方案无法实施，采用方案1的经济性和适应性较好，推荐在小型系统中采用。

5 结论及建议

本文在分析海岛小型海水淡化预处理技术的基础上，结合东门屿20m3/d海水淡化项目的水质及工程条件等因素，对预处理方案进行比选和优化，在项目的试运行过程中得到以下结论及建议。

（1）根据经济性分析，表层取水和改进沙滩井取水方式较为适合小型海水淡化系统。其中方案1在经济性、适用性、易维护等方面具有较大的优势。方案3虽对工程现场自然条件及施工条件等要求较高，但具有设备设施投入少、施工费用低、经济性佳、预处理水质条件好等诸多优点，具有较好的发展前景，需在今后的工程应用中展开深入的研究。

（2）对于施工条件有限的小岛，表层取水方式实用性最强，其中“悬泵+土工布袋”取水水质明显优于近岸表层直接取水。

（3）在东门屿海水淡化项目中采用“表层取水+自然沉淀+滤袋+多介质过滤器+保安过滤器”预处理方案已运行8个月，运行情况良好。

[1]张海春，陆阿定.反渗透海水淡化预处理技术研究现状[J].能源环境保护，2010（6）：1-4.

[2]马颖颖，衣守志，曲达.反渗透海水淡化的预处理方法研究进展[J].杭州化工，2007，37（4）：21-23.

[3]王生辉，潘献辉，赵河立，等.海水淡化的取水工程及设计要点[J].中国给水排水，2009（3）：98-101.

[4]GB/TDL98-2010，火力发电厂海水淡化设计规范[J].