万吨级膜法海水淡化在钢铁行业的应用

＊陈超鹤

（河北丰越能源科技有限公司 河北 063300）

北方某钢铁公司膜法海水淡化工程采用“热+膜”海水淡化互补工艺，辅以余热回收，对膜法海淡冬季海水预热，充分利用循环冷却水、冲渣水等余热，解决冬季海水温度较低问题；同时采用“混凝斜板沉淀+V型滤池”与超滤组合强化预处理，排除解决沙滩开放式取水潮差、风浪等水质波动影响问题。目前，膜法海水淡化工程已经投入运行一年多，较好地完成了全厂生产、生活用水的保障任务。

1.系统进水水质特点

（1）受潮差、季风等影响，水质波动较大。前期调研发现淡化工程取水口附近海水泥沙含量、浑浊度较高。沿岸海水受涨、退潮影响，水中夹带大量泥沙，水质波动较大。海水淡化取水区域海水浊度通常在10～20NTU，最高达100NTU。（2）冬季水温较低，四季温差大。海水淡化取水于渤海湾河口，水温变化受北方大陆性气候影响，表层海水温度四季变化较大，1～2月在0℃或以下，8月达25℃左右。温度的波动将直接影响后续反渗透系统的出力、能耗和回收率，是海水淡化系统运行的一个非常重要的影响因素。

2.膜法海水淡化工艺系统

海水淡化工程产品水主要用于钢厂生产用水。项目工程建造六套海水淡化装置，单套产水规模1.25万m3/d，该膜法淡化工程应用了先进的双膜法工艺（UF+SWRO）。

（1）海水取水。采用开放式取水方式，取水位置位于陡河河口，利用海水潮汐变化取水。海水经一级泵站提升后进入到预沉池进行预沉，澄清水经二级泵站进入海水淡化工程进水管网。

（2）海水预处理。选用“杀菌、絮凝-沉淀-V型滤池”工艺。次氯酸钠投加点位于斜板沉淀池絮凝混合区前，絮凝剂投加在混合器前端加药口处，助凝剂投加在絮凝池第一格入口混合器前。

絮凝池内完成絮凝剂的快速混合，必要时在絮凝池第一格内投加助凝剂。絮凝池共设6座，采用钢筋混凝土结构。混合时间＞2.5s，水头损失不大于0.5m，池体絮凝部分竖向流采用星形结构，流道内设有星形设备，材质为改性PVC。絮凝剂三氯化铁投加为5～20ppm，助凝剂聚丙烯酰胺，投加量为0.5～1ppm。

絮凝池出水进入沉淀池，与絮凝池共建。沉淀池采用斜板沉淀池，穿孔集水槽集水，以保证出水均匀，再汇集到出水渠中。斜板材质为乙丙共聚/改性聚丙烯，斜板长度1.2m，倾角为60°。

（3）V型滤池。V型滤池闸门接触海水的部分采用超级双相不锈钢S25073，池内部与海水接触的组件耐海水腐蚀。V型滤池设计滤速≤10m/h。V型进水槽（冲洗时兼作表面扫洗布水槽）和排水槽沿池长方向布置，以利于布水均匀。滤料采用均匀级配石英砂，厚度为1.2m，粒径0.9～1.2mm，不均匀系数1.2～1.4；承托层采用粗砂，厚度为0.1m，粒径2～4mm。

（4）超滤。超滤系统共设置30套。超滤装置每套含56支膜组件，每支膜面积91m2，设计瞬时通量为61.5LMH，正常运行实际净通量为50LMH。超滤膜进水最大运行压力0.5MPa，正常工作压力为0.3MPa。超滤装置在运行中跨膜压差（TMP）上升，当达到设定值0.1MPa时对超滤膜进行反洗。

（5）SWRO海水反渗透。高压泵采用多级离心泵，过流部件采用高强度耐腐蚀2205双相不锈钢材料，通过DCS自动调节高压泵的转速，实现平稳起停和流量调节。

能量回收采用压力交换式能量回收装置，效率达95%。能量回收装置的出水经增压泵升压后与高压泵出水混合后进入反渗透装置。

反渗透膜采用低能耗高脱盐率的海水膜组件，以恒定产水量对所需运行压力及出水水质在设计温度5～33℃范围内进行校核。海水反渗透膜组件按“一级一段”设置，设计膜通量14LMH，运行通量13.91LMH，系统回收率为45%。其工艺流程图如下：

图1 工艺流程

图2 滤池出水浊度

3.膜法海水淡化系统运行分析

（1）水质波动分析。运行中监测发现受海域潮位差、风浪等影响，预沉出水浊度较高，“混凝斜板沉淀+V型滤池”运行过程产水通量、水质降低。为此，运行中增加系统混凝剂投加量，为更好地保证絮凝效果，形成大小适合的矾花颗粒，在絮凝池加投助凝剂，同时延长斜板沉淀停留时间，最后可以保证V型滤池出水浊度在5NTU以内。进入冬季后，采用经循环冷却、凝汽器预热后海水作为反渗透系统给水，但其进水浊度明显升高，一般增加10NTU左右，同时水体中存有粘泥性物质，实际运行中增大系统混凝剂、助凝剂投加量，延长斜板沉淀停留时间，同时降低V型滤池反洗周期时间。

（2）温度波动对膜系统影响分析。温度是影响反渗透膜性能的重要因素之一。反渗透膜系统产水通量对进水温度变化非常敏感，水通量随着进水温度的升高或降低，几乎线性地增大或减小，主要原因是透过反渗透膜的水分子随着温度的升高粘度下降，扩散能力增加。一般在其他条件不变的环境下，相同压力，温度每下降1℃，反渗透膜的产水通量降低约2%～3%。一般膜系统采用温度校正系数进行流量温度校正，如图3所示。

图3 膜系统流量温度校正系数

反渗透膜产水侧含盐量较低，0℃及以下存在结冰的危险，并且温度较低时吨水能耗较高，膜系统产水效率偏低。工程建设地所在海域冬季海水温度会逐渐降至0℃以下，没有海水预热，入冬起系统工程运行受到极大限制。

针对此问题，结合系统运行要求以及厂区条件，取水系统设计两种取水方式，一种方式海水温度较高,一般海水24h连续温度在10℃以上，直接采取二级泵站出口海水作为反渗透系统进水；另一种海水温度较低，一般海水24h连续温度在10℃以下，用经循环冷却、凝汽器等出口海水作为反渗透系统给水，有效利用系统余热，降低海水淡化系统的能耗。冬季，膜法海水淡化工程海水取水经余热预热后温度升高10～12℃，如图4。海水淡化工程SWRO系统高压部分运行性能如图5，其整体性能运行稳定，特别是受北方冬季气温较低以及季风、潮差水质波动影响较小。

图4 海水进水温度

图5 SWRO系统运行性能

（3）能量回收能耗降低分析。淡化工程单套设计产水能力为521m3/h，其中4套系统选用PX-Q300能量回收装置，以及适用的增压泵。

表1 SWRO设备参数

PX能量回收装置采用的是直接接触正位移技术，主要部件是一个无轴转子，沿轴向开有数个孔道，高低压流体在孔道中交换能量，并依靠转子的连续转动实现系统的连续运行。节能机理是在产量不变的情况下，减少高压泵流量的方式来降低系统的能耗，能量传递为压力能-压力能，而不需要机械辅助装置。

在忽略摩擦和泄漏的情况下，PX能量回收装置效率理论上可以达到100%，但能量回收转子实际运行过程中会存在一定高压浓水通过转子的渗漏及摩擦损失，从而降低回收效率；同时，高压浓水的渗漏通过进入低压海水，导致原海水盐度小幅升高，渗透压随之升高，增压了装置产水运行能耗。

由图6可以看出在海水淡化厂回收率在45%时，吨水能耗大概在2.4kWh/m3左右。对于单转子PX能量回收装置体积混和大概6%，会引起膜进水盐度升高2%～3%，导致反渗透进膜压力升高0.1～0.15MPa。致使PX回收效率损失约5%，所以PX实际效率回收可达到95%左右。

图6 PX淡化回收率对能耗影响

图7 膜法淡化工艺节点

单套12500m3/d反渗透系统主体，其中海水TDS为31800mg/L，温度15℃，反渗透回收率45%（采用高通量反渗透膜元件提高单支膜产水通量及总的回收效率），PX效率为94%～95%、采用4个PX300Q。高压泵流量500～600m3/h，压力4.9～5.30MPa；增压泵流620～720m3/h，压力提升0.2～0.3MPa。采用能量回收装置，回收反渗透浓水压力能，即使在冬季取水口海水温度为0℃，甚至更低时，采用海水预热方式可以将大型反渗透海水淡化工程能耗控制在3.0～3.5k/m3。

表2 膜法淡化系统主要节点运行参数

4.结论

海水淡化取水利用循环冷却取水系统，排除海域潮差、风浪等对水质波动的影响，设计采用海水预热措施，实现冬季海水温升10～12℃，降低了系统冬季运行能耗；“混凝斜板沉淀+V型滤池”强化预处理与超滤组合，是渤海湾泥沙滩、冬季预热海水预处理达到反渗透进水水质要求的保障；SWRO系统采用压力交换式能量回收，回收95%以上的浓水压力能，降低系统能耗。海水淡化工程的建成和稳定运行不仅实现了北方钢铁企业生产过程供水的自给自足，为今后的可持续发展奠定了重要的基础，而且为国内淡水资源匮乏地区工业生产用水提供了一个切实可行的水资源解决方案，成为我国海水淡化工程与工业制造相结合的典范。