委内瑞拉某海水淡化项目预处理工艺的选择

2020-01-06

中国资源综合利用 2019年12期

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122）

委内瑞拉位于南美洲北部，北临加勒比海和大西洋，海岸线长达2 813 km。海水、石油、矿产资源非常丰富，淡水资源却极度匮乏，“水比油贵”的局面一直困扰着当地政府。海水淡化作为解决水资源短缺的主要手段，已经为40多个国家解决了饮用水问题[1]。因地制宜，海水淡化是解决委内瑞拉淡水资源短缺的有效途径。

海水淡化主流技术有蒸馏法和反渗透膜法[2]。蒸馏法主要分为多效蒸馏、多级闪蒸和压气蒸馏。膜法海水淡化主要有电渗析法和反渗透膜法。反渗透膜法投资少、占地省、能耗相对较低，因此作为一种典型的方法在全世界广泛应用，反渗透膜法约占全球海水淡化工程的60%[3]。膜法海水淡化预处理技术是保证膜法海水淡化装置稳定、可靠、长期运行的关键因素之一。本文以委内瑞拉某海水淡化工程为例，对膜法海淡的预处理进行了比较与选择，优选出最佳的预处理方案，为膜法海水淡化系统的长期稳定运行提供必要条件，为同类型的海水淡化项目提供设计依据。

1 影响预处理工艺选择的主要因素

1.1 反渗透装置进水指标要求

膜法海水淡化的关键是反渗透膜，其原理是在高于溶液渗透压的作用下，依据其他物质过半透膜而将这些物质和水分离开来。RO膜孔径非常小（仅为0.000 1 µm左右），因此能够有效去除水中的溶液盐类、胶体、有机物、微生物等。RO膜的寿命一般只有5年，这是造成海水淡化处理成本较高的一个主要原因。

引起RO膜寿命降低的主要因素有三个方面。一是进水的温度、压力、pH值、余氯含量等参数的劣化，引起RO膜的水解及氧化；二是进水的悬浮物、有机物、胶体和可溶性高分子聚集在膜表面，使膜表面受到污染；三是进水的微生物和细菌、微生物和及细菌的残体还会以固体形式析出，降低膜的性能。

预处理的目的就是去除进水的悬浮物、有机物、胶体、可溶性高分子、微生物、细菌及某些有害物质（如钙、锰、铁、氧化物等），使其达到反渗透进水水质要求，如表1所示。

表1 反渗透进水水质指标

1.2 水水质及处理量

委内瑞拉某海水淡化项目规模为10 000 m3/d，取水水源水质较好，具体海水水质如表2所示。

表2 海水水质指标

1.3 海水取水工艺

海水取水的难点在于海水取水位置的潮位差、风浪、海水氯离子的腐蚀性及取水口微生物、细菌和贝类的生长。典型的海水取水工艺有表层海水取水、海滩水井取水、海床过滤取水和海滩水平暗渠取水[4]。各取水工艺的优缺点如表3所示。

表3 海水取水工艺的优缺点

委内瑞拉某海水淡化项目取水海滩平缓、潮位差小、水质较好，经过取水方案比选和环境评价后，选择采用表层海水取水工艺，在取水海滩修建两条明渠引水至海水取水池，然后经泵提升至海水淡化车间。在海水取水头部投加次氯酸钠杀菌剂，防止海水取水口及取水渠藻类和贝类的滋生，降解有机物并杀菌。

2 一级预处理工艺比选

2.1 气浮和混凝沉淀的比选

气浮原理是指溶气系统在水中产生大量的微细气泡，以微小气泡作为载体，黏附水中的悬浮物颗粒，造成密度小于水的状态，利用浮力原理使其浮在水面，从而实现固-液分离[5]。气浮具有预曝气、脱色、降低COD的作用，对低浊含藻水及含油废水来说，气浮处理效率高，出水水质好，占地面积小。但是，气浮池建造成本较高，运行维护费较高，对一些高密度且体积较大的颗粒（如砂砾等）去除效果很低甚至没有。

混凝沉淀法分为凝聚和絮凝两个阶段。凝聚是指通过添加混凝剂等电解质，在水体中形成胶团，与水体中的胶体物质发生反应相互吸附在一起，凝结成团。絮凝是指通过添加助凝剂，将凝聚阶段生成的胶团转变为较大絮状颗粒的过程，使得其密度比水大从而产生沉降[6]。混凝沉淀不但可以去除原水中粒径为10-3～10-6的悬浮物，而且能够去除油分、色度、氮磷等富营养物质、微生物以及重金属等。混凝沉淀具有构造简单、管理方便等优点。

根据委内瑞拉某海水淡化项目水质，油及COD值都比较小，通过气浮与混凝沉淀法的比选，本工程选用混凝沉淀法。

2.2 V型滤池和无阀滤池的比选

过滤是预处理工艺中去除浊度的最后也是最重要的环节，根据过滤水流流向、滤料材质及其级配、阀门的配置、配水系统的形式及反冲洗方法的不同，主要分为无阀滤池、普通快滤池、V型滤池以及翻板滤池等。海淡预处理过滤采用较多的是无阀滤池和V型滤池。

无阀滤池进、出水采用虹吸原理，用虹吸管替代阀门，不需要另外设置反洗设备，易操作，造价低。但是，反洗强度不易控制，影响滤料砂层的冲洗效果，出水水质不稳定，反洗的耗水量也较大（占产水量的3.8%）。

V型滤池采用V型槽配水，另外配置气水反洗设备。反冲洗时进行表面扫洗，可进行水反洗、气水反洗、气反洗等，冲洗效果好且稳定，冲洗水量低，运行自动化程度高，管理方便。

委内瑞拉某海水淡化项目为市政供水项目，对出水水质要求高，且水厂建设规模较大，选用V型滤池作为一级预处理的过滤设备。

3 二级预处理工艺比选

海水二级预处理的目的是进一步去除海水中杂质，使出水水质达到反渗透装置的进水要求。二级预处理工艺主要有超滤和多介质滤器。

超滤基本上是按分子量大小进行分离的压力驱动膜过程，超滤膜的孔径在1～100 nm，能够有效截留水中大于该孔径的悬浮物、微生物、胶体、有机物甚至是氨氮成分，出水浊度低，一般能保证产水SVI＜3。超滤可采用模块化设计，结构紧凑，占地少，美观；超滤膜装置总体高度不高，对厂房层高要求低；自身重量轻，对土建基础要求小；超滤膜元件的外壳一般为塑料材质，防腐性能好。但超滤膜本身存在被污染的风险，膜污染导致系统运行稳定性变差、膜孔堵塞等问题，膜组件需要定期进行维护清洗，运行几年后也需要进行更换，投资及运行费用较高。

多介质滤器内填充不同级配的石英砂、无烟煤滤料。过滤过程是水通过滤料，水中胶体、絮体、藻类等颗粒在不同级配滤料层被截留，发生重叠和架桥过程，形成一层附加的滤膜，从而使过滤后的水质提高，同时过滤器进出口压差逐渐增大。当压差达一定值时，滤料需气水反洗、水正洗，恢复滤器的原工况状态。多介质滤器造价较低，运行费用低，出水水质较好，能满足反渗透进水水质要求；多介质滤器的滤料为石英砂和无烟煤，使用寿命较长。但是，多介质滤器一般为钢制结构，内部需要做衬胶防腐，外部做涂漆防腐，设备高，重量大，对土建基础要求较高。

结合近几年来反渗透二级预处理选用超滤和多介质滤器的实际运行状况，尤其是海水淡化中的实际过程，超滤的预处理效果均不理想，运行维护费用高。而采用多介质滤器作为海水淡化二级预处理，实际运行表现良好，运行维护费用低。

综上所述，本工程选用多介质过滤器作为海水淡化的二级预处理工艺。