海水淡化工艺及能量回收装置的优化选择——以枸杞乡自来水厂为例

林 华，张学俊

（浙江国际海运职业技术学院，浙江舟山 316021）

0 引言

当今世界，随着经济的不断发展，能源却在以前所未有的速度被消耗掉，从而出现了许多不可再生资源短缺的现象。以淡水资源为例，全世界约有30%的人生活在严重缺水的地区。淡水资源的短缺主要原因除了经济的快速发展、工业化水平的提高带来用水量的增加之外，淡水资源在地域上极其不均衡的分布、大量水源被人类的生活及工业活动所污染以及节约用水意识淡薄等也是重要的原因［1］。

淡水资源日益紧缺在我国也是一个普遍的现象，同时也是我国在经济快速发展过程中必须面对的问题。我国的淡水资源总量其实很大，但人均可利用的少，人均水平据世界平均水平还有很大差距。据统计我国严重缺水的城市有100多个，而且在地域上分布及其不均，从地区省份上看，内陆的省份尤其是西北部地区淡水资源紧缺的现象极其严重［2］。由此可见，我国是属于干旱、严重缺水的国家。

1 海水淡化工艺的发展

内陆地区一直以来降雨量少，水资源比较匮乏，但是近年来，伴随着经济的不断增长，许多沿海城市对淡水的需求量急剧上升，也出现了淡水资源短缺的情况。对面海水资源丰富但是淡水资源不断匮乏的现状，海水淡化项目不断被摆上台面进行论证。将含盐量较高的海水淡化为可以直接饮用的淡水需要消耗大量的电能，所以在开始阶段海水淡化项目不被看好［3］。随着材料技术、能源技术的发展，海水淡化项目慢慢变成现实。经过几十年的发展，海水淡化工艺主要有以下几种。

1.1 多级闪蒸（MSF）

多级闪蒸是早期海水淡化工程中采用的主要工艺方法，该种工艺的原理是先对海水进行加热，把冷的海水加热到一定的高温，通过管道输送到一个特定的空间里。这个空间的压力经过设定比对应海水的饱和蒸气压要低，这样就能使热的海水快速蒸发，然后通过专门的冷凝设备使蒸发的水蒸气冷凝成淡水，这就是闪蒸过程。在这个过程中一部分没有发生蒸发变成水蒸气的海水就会输送到另一个压力更低的闪蒸室，重新进行蒸发、冷凝。像这样把各个不同压力的闪蒸室逐级连接，然后把海水逐级引入各个闪蒸室进行蒸发和冷凝，产生所需的淡水。

多级闪蒸因为投入运行时间比较早，所以在技术方面已经非常成熟，安全性也比较高，而且单机的容量也可以大。但这种工艺的缺点是：（1）整机运行时温度很高。（2）由于海水需要经过多个闪蒸室，长期运行海水中的盐会腐蚀材料并且在关键部件表面结垢，很难清洗。（3）电能消耗很大，采用多级闪蒸工艺淡化1 t的海水约消耗电能300～400 kWh。（4）设备初期投资比较大。

图1 多级闪蒸原理

1.2 电渗析法（ED）

电渗析工艺相比于多级闪蒸工艺在结构上简单了很多，主要由离子交换膜、正负电极板、电源等组成，其中最关键的是离子交换膜。电渗析法的工作原理是将阴阳离子交换膜顺着正负电极板进行交替放置，然后通电，这样海水中的阳离子在电源的作用下穿过阳离子膜，同理海水中的阴离子穿过阴离子膜，于是在阴阳离子膜之间就形成一个淡水隔离室，从这个隔离室中引出的淡水就是可以供饮用的淡水（见图2）。

图2 电渗析法原理

电渗析法比多级闪蒸法抗污染能力强，对原料水的水质要求相对较低。而且该种工艺不需要多级串联，所以占地面积要来的小，运行简单，可以实现高度自动化。但其缺点也很明显：由于该方法是以电能为基本的驱动能量，所以耗电量大，而且该方法制造的淡水水质好坏很大一部分取决于离子交换膜性能的好坏。离子交换膜的性能指标没有统一的标准，不同厂家的离子交换膜性能好坏不一。

1.3 反渗透法（SWRO）

反渗透膜海水淡化的原理是利用渗透膜的性质（只能透过溶液中的溶剂），对经过预处理的海水进行加压，使海水中的淡水透过渗透膜而制造出淡水（见图3）。

图3 反渗透法原理

反渗透海水淡化工艺是目前最主流的海水淡化工艺，整套装置主要包括海水预处理装置、反渗透膜组件、能量回收装置及海水回收装置等，在采用反渗透法进行海水淡化的时候最重要的环节为海水预处理工艺及反渗透工艺。反渗透法进行海水淡化过程中反渗透膜性能的好坏和使用寿命直接影响到产水质量和产水成本。如果海水预处理做得不好，海水中的杂质可能会堵塞反渗透膜孔，一方面导致膜的透水量降低减少淡水产量，另一方面会因为增加清洗膜的次数而降低反渗透膜的使用寿命。所以做好海水预处理极其重要。主要从以下几个方面入手：（1）除菌，防止生物活性污垢污染反渗透膜。（2）除杂，过滤海水要彻底，防止杂志堵住反渗透膜。（3）稳定ph值，使渗透膜处于最适宜的ph环境中。（4）除氯，保护反渗透膜，防止被腐蚀。

2 能量回收装置的发展

在反渗透法海水淡化过程中，未透过反渗透膜的浓盐水拥有很高的压力能，针对如何有效地利用这部分能量这一问题，在后续技术改进过程中，发明了各种各样的能量回收装置。目前，最主要的能量回收技术有以下两大类。

2.1 涡轮式能量回收系统

涡轮式能量回收系统是早期海水淡化工艺中经常采用的一种能量回收系统，该系统结构相对简单，将高压浓盐水引入透平，然后利用浓盐水的高压能带动透平从而驱动与之相连的泵，进而使进料的海水压力剧增（见图4）。在能量回收的过程中，先将浓盐水的压力能转换成涡轮的机械能，再将涡轮的机械能转换成海水的压力能。此过程能量传递效率为50%～70%。主要类型有：反转泵式、透平式等。

图4 涡轮式能量回收装置原理

2.2 压力交换能量回收系统

压力交换能量回收系统装置主要结构有：压力交换器、给水泵、高压泵、增压泵等。该系统的工作原理是将未透过反渗透膜的浓盐水引入到压力交换器中，通过转换器把这部分压力能转移给压力能低的海水，使其增压作用到反渗透膜中，从而实现能量的回收利用。这种能量回收装置相比涡轮式的能量回收装置，能量回收效率高出很多，可达90%～95%左右（见图5）。主要通过两大方面进行节能：（1）对从反渗透膜中出来的浓盐水进行能量的有效吸收。（2）降低了进料海水所需的能耗。

图5 压力交换能量回收系统原理

2.3 能量回收装置的比较及选择

通过对比可以发现涡轮式能量回收装置能耗低、设备投资也较低、占地面积小，但是在最主要的指标：能量回收效率上只有50%～70%，远低于压力交换式能量回收装装置，所以这种能量回收装置更适合中小型规模的海水淡化厂。压力交换式能量回收装置能量回收效率非常高，但是由于增压泵等设备的使用增加一定的能耗和投资，同时启动运行也更加复杂，更适合规模较大的海水淡化厂（见表1）。

3 结语

枸杞乡自来水厂坐落于舟山市嵊泗县枸杞岛上，该岛四面环海，海水资源丰富。随着物质生活不断发展，全乡人民的生活水平大力改善，居民用水需求量不断增加。考虑到这个问题，乡政府引进了海水淡化工程，该工程结合小岛远离大陆，受到的污染少、海水清澈、水质好的优点，采用工艺水平最先进、对海水预处理要求最严格的反渗透膜海水淡化技术。同时由于岛上地理条件的限制，该自来水厂的占地面积不大，规模有限，在能量回收装置的选择上采用涡轮式能量回收装置，在满足居民安全用水的同时，尽可能地减少能耗、节约能源。

表1 回收装置的比较

放眼未来，地球上的淡水资源必定会随着经济的发展、人口的增多、环境的变化等因素变得越来越稀少、越来越匮乏。而海水淡化工程作为一种可行的解决方法也必定会越来越受到重视。但目前的技术及工艺水平还有很大的提高空间，相信在未来的发展过程中，随着各种技术的进步，海水淡化工艺也会不断地进步，为人们真正解决淡水资源紧缺的问题。