低能耗小型苦咸水淡化系统设计

0 引言

我国一些地区饮水存在水质严重不达标、供水保证率低、水性地方病等问题，尤其是高氟、高砷、苦咸、污染等水质问题，严重影响着人民群众的身体健康。据卫生部门和水利部门的初步调查及联合国评估，我国还有7000多万人饮水不安全，主要是高氟水、高砷水和苦咸水问题。苦咸水主要分布在我国北方特别是西部和东部沿海地区。通常将含盐量高于1000mg/L并在15000mg/L以下的天然水、地面水和自流井水称为苦咸水。据统计，我国农村饮用苦咸水的人口近4000万，苦咸水很难直接饮用，长期饮用苦咸水会引发高血压、心血管等方面的疾病，促进泌尿系统结石的形成。在农业方面，高浓度苦咸水不能直接用于农业灌溉，否则会使土壤的颗粒结构变坏，造成土壤盐碱化，抑制作物生长[1]。对苦咸水进行淡化，是缓解我国淡水资源的重要手段之一，苦咸水淡化技术也得到了长足发展[2]。

苦咸水淡化技术主要可分为膜法和热法两种。膜法包括纳滤、反渗透、电渗析和去离子处理技术等；热法包括多级闪蒸、普通多效蒸发、热力压缩耦合多效蒸发和机械蒸汽压缩蒸发技术等。膜法中的反渗透法具有出水水质高和运行稳定的优点[3]，是适合我国农村地区的苦咸水淡化技术，但能耗高问题一直是制约其发展的主要因素[4]。本文设计了一种带有压力能量回收装置的反渗透小型苦咸水淡化装置，以期为我国苦咸水淡化技术的应用和推广提供参考。

1 系统工程原理与参数设计

1.1 系统工作原理与组成

反渗透小型苦咸水淡化装置由预处理系统、反渗透和能量回收系统以及后处理系统组成。苦咸水经取水泵加压后进入预处理系统，预处理后的浓苦咸水进一步加压进入反渗透膜组件，在特定的进水压力下透过反渗透膜产出淡水，未过膜的高压浓水则进入能量回收装置，进行能量回收再利用后，从排水口排出；反渗透膜产出的淡水再经过后处理系统进行处理以保证产水水质。

系统工艺流程路线如图1所示。

图1 小型反渗透海水淡化装置工艺流程

1.2 预处理系统选型

预处理系统[5]由机械过滤器（HN-MF3-1）和保安过滤器（SZB-RO300-0164）组成。

1.3 反渗透膜组件的选型与设计

小型苦咸水淡化装置设计产水量为100L/h，按每天工作20小时计算，日产淡水2t。

1.3.1 膜组件选型

选用时代沃顿科技有限公司SW4021膜组件，平均透水量2.8m3/d，有效膜面积3.1m3，最高给水压力8.1MPa。

1.3.2膜组件数量

膜组件数量由产水数量、膜通量以及有效膜面积来确定。预处理后的进水在标准条件下（25℃）膜通量为J0=19L/（m2h），膜通量与温度密切相关。

膜组件数量的计算公式为[6]：

式中：NE为理论膜组件数；QP为设计产水量，取为100L/h；J为膜通量，取工作温度为20℃，J=0.826J0；SE为所选膜组件的有效面积，3.1m2；f为污染系数，取0.75。

由式（1）可以计算出日产2t淡水的苦咸水淡化装置需要3组膜组件。

1.3.3 膜组件排列方式

小型系统需要提高回收率，可以采用多段反渗透膜排列方式，帮采用一级多段式膜组件排列方式，即将第n段的浓水作为第n+1段的给水，每一段渗透出水汇合成系统的产水，膜组件的排列方式如图2所示。

图2 一级多段式膜组件排列方式

1.3.4 仪器仪表的选择

反渗透系统中需添加压力、流量、电导率等监测仪表，以及自动阀门等配件。

低压压力传感器置于泵或能量回收装置的前面，用于监控过滤器后进水的压力值，该值不可低于预定值1bar，否则会造成高压泵抽空，同时通过该值也可判断过滤器堵塞情况。高压压力传感器置于反渗透膜进水口，用于监控反渗透膜组件的进水压力，膜的的进水压力一般不可超过80bar，否则会对膜组件造成损害[7]。

流量计用于实时监测系统产水量，可判断反渗透膜是否污染结垢，以及时进行清洗。

电导率传感器用于监测系统的产水水质，判断产水质量是否满足生活用水标准。产出淡水电导率高于标准电导率时为不合格产水，由自动阀门排放。

1.4 压力能量回收装置设计

1.4.1 能量回收装置结构与工作原理

选用CLARK泵式能量回收装置（图3）回收系统中未过膜苦咸水浓水压力，该装置效率较高，稳定性好，常用于小流量反渗透系统的能量回收[8]。

图3 CLARK泵式能量回收装置

如图4所示，CLARK泵式能量回收装置主要由液压缸、活塞、二位四通换向阀、单向阀及先导阀构成。两个活塞共用一根单杆将两个液压缸分为4个腔室。

图4 CLARK泵式能量回收装置三维模型

如图5所示，两侧的两个腔室（1#、4#腔）为原水腔，中间的两个腔室（2#、3#腔）为高压浓水腔。当高压浓水从反渗透膜组件中排出时经二位四通换向阀进入液压缸一侧的高压（5.5～6.5MPa）浓水腔，推动活塞对相邻原水腔中的低压原水加压，完成能量交换，增压后的高压原水经单向阀进入膜组件。先导阀用于控制换向阀换向以实现活塞的连续往复运动[9]。

图5 CLARK泵式能量回收装置工作原理

1.4.2 能量回收装置主要结构参数计算

忽略沿程压力损失和局部压力损失，流入压力交换缸的高压浓苦咸水的流量为1.3L/s，压力为49bar，能量回收装置的主要结构参数如表1所示。

表1 能量回收装置主要结构参数

经初步测试，设计的CLARK泵式能量回收装置容积效率较高，在流量0.1L/s至0.2L/s、输入压力40bar至60bar范围内，装置的容积效率都可达到92%以上，总效率大于72%。

1.5 后处理系统设计

为了使反渗透产水满足生活饮用水的要求，需要对反渗透产水进行后处理，主要的后处理方式后矿化、pH值调节和杀毒消毒等。

后矿化选用为的石灰石溶解法。添加无机酸或CO2降低淡化水的pH值，然后再将酸化的淡化水通过填满CaCO3矿石，最后将矿化之后的水与淡化水成比例混合[10]。

反渗透产水的pH值约为5.5，对酸性产水中加入氢氧化钠或石灰等，调节产水的钙硬度和pH值，以解决反渗透海水淡化出水pH值低、硬度低等的问题，并且可以增加口感，消除黄水[11]。

采用杀菌波长为254nm的紫外线进行杀菌，该方法不引入药剂，只需在产水箱中安装紫外线杀菌器即可。

2 结论

针对小型苦咸水淡化系统的低能耗要求，设计了一种带有压力能量回收装置的小型苦咸水淡化系统，通过将回收的浓水压力转化为苦咸水进膜压力，降低苦咸水压力提升所需的电机功率，能量回收效率在70%以上，可为小型苦咸水淡化系统的设计和选用提供参考。