沿海火电厂大型膜法海水淡化系统设计及运行分析

王宏宾，王绍曾，周 宇，朱学兵，李海燕，徐兆郢，慕时荣，康少鑫

（1.西安西热水务环保有限公司，高效灵活煤电及碳补集利用封存全国重点实验室，陕西西安 710054；2.中国华能集团有限公司，北京 100031）

随着沿海城市经济深入发展和地区水资源逐渐贫乏，水资源供需矛盾日益突出，淡水资源紧缺已成为制约威海市实现更高层次发展的瓶颈因素〔1-2〕。山东省人民政府办公厅2021 年正式印发的《山东省“十四五”海洋经济发展规划的通知》提出，建设“胶东海上调水”等一批海水淡化与综合利用示范工程，打造全国重要的海水利用基地，2025 年实现全省海水淡化产能规模120 万t/d 的发展目标。

因此，威海市从城市发展及解决民生两方面出发，依托当地电厂建设海水淡化工程，利用非常规水源，采用“预处理+双膜法”海水淡化工艺生产淡水，用于企业生产用水和城市生活用水。该项目于2020 年12 月开工建设，2021 年10 月系统调试完毕并满出力运行。

1 设计水质及规模

1.1 原水水质

本工程水源为海水，进水温度按照5 ℃设计，主要原水水质指标见表1。

表1 原水水质Table 1 Raw water quality

1.2 设计规模及产水指标

本工程设计产水量为30 000 m3/d，产水水质需满足含硼质量浓度在1 mg/L 以下，产水送至市政饮用水管网系统，水质指标满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）。主要系统性能指标见表2。

表2 主要系统性能指标Table 2 Main system performance indicators

2 工艺流程及设计参数

2.1 工艺流程

由于膜法海水淡化具有过程无相变、能耗较小、运行稳定且自动化程度较高等特点〔3-5〕，在国内拥有较多工程应用。本工程项目最终采用“V 型滤池+超滤+海水反渗透+淡水反渗透”的全膜法海水淡化工艺。

本工程利用电厂原有取水设施，新增取水泵，取水泵出水进入V 型滤池，去除水中的悬浮物、胶体等物质；V 型滤池出水依次进入砂滤水池、超滤装置，超滤产水进入海水反渗透装置；海水反渗透产水一部分直接进入缓冲水箱，另一部分进入淡水反渗透装置；淡水反渗透产水进入缓冲水箱与海水反渗透产水混合后进入产品水池，经掺混后最终送至市政用水管网；海水反渗透浓水回用至电解海水制氯系统，淡水反渗透浓水回用至超滤水箱。工艺流程见图1。

2.2 主要设计参数

2.2.1 预处理系统

预处理系统主要包括取水泵、V 型滤池和砂滤水池。取水泵设置2 台，斜流泵，单台流量4 000 m3/h，采用永磁调速装置取代变频器控制，不仅提升了设备耐潮湿耐盐雾腐蚀的能力，便于运行，而且节省了占地及资金。V 型滤池设置3 套，单套流量1 245 m3/h，滤池规模36.4 m×21.3 m×5 m，配套设置有反洗水泵3 台、反洗风机2 台；V 型滤池内部装填有效粒径为0.9～1.2 mm 的石英砂滤料；反洗风机采用国际先进的磁悬浮风机，大大提升了设备的稳定性，减少了风机附属系统的投资。砂滤水池设置1 座，水池规模29 m×25 m×4.5 m，有效容积2 000 m3。

2.2.2 超滤系统

超滤系统主要包括超滤给水泵、自清洗过滤器、超滤装置和反洗水泵等。超滤给水泵设置4 台，单台流量1 226 m3/h，变频设计。超滤膜组件前设置自清洗过滤器，采用电动网刷式，过滤精度100 µm；自清洗过滤器设置3 台，单台流量1 420 m3/h。超滤膜组件采用内压式膜元件，过滤方式为死端过滤；超滤膜平均孔径0.02～0.03 µm，净通量不高于55 L/（m2·h）（5 ℃），单套净流量360 m3/h，共设置9 套；超滤系统采用母支管式供水方式，同时采用恒压同频的运行方式进行控制。超滤反洗水泵设置3 台，单台流量750 m3/h，变频设计。

2.2.3 海水反渗透系统

海水反渗透系统主要包括给水泵、保安过滤器、高压泵、增压泵、海水反渗透装置和能量回收装置。给水泵设置4 台，单台流量1 080 m3/h，变频设计。保安过滤器设置3 台，单台流量1 080 m3/h，采用折叠式大流量滤芯，过滤精度5 µm。高压泵设置3 台，单台流量433 m3/h，变频设计。增压泵设置3台，单台流量650 m3/h，变频设计。

本工程共设置3 套海水反渗透装置，单套设计产水量433 m3/h，回收率40%，单套128 支7 芯压力容器，设置能量回收装置（单套10 支ERI-PX300），脱盐率≥99.5%（运行1 a 内），单支膜面积37 m2，运行通量不高于13 L/（m2·h）。海水反渗透系统为母支管式供水方式，运行方式为恒压同频，运行方式先进、灵活。为尽可能减少后期运行维护费用，设计反渗透产水通过重力自流的方式进入近百米远的产品水池且不影响系统日常维护冲洗用水，该设计减少了动力设备及占地，降低了反渗透产水0.15 kW·h/t的耗电量。

2.2.4 淡水反渗透系统

当海水温度在25 ℃以下时，海水反渗透产水能满足水质要求。夏季海水温度升高，当水温高于25 ℃时（最高27 ℃），海水反渗透装置产水硼超标。为满足水质要求，设置淡水反渗透系统，对部分海水反渗透产水进行二次脱盐处理，淡水反渗透产水与海水反渗透产水按照1∶2 的体积比进行掺混，最终满足水质要求。本系统共设置2 套淡水反渗透装置，每套设计产水量210 m3/h，回收率≥90%；选用抗污染型反渗透膜组件，一级二段设计，脱盐率≥97%（运行3 a 内），单支膜面积41 m2，运行通量不高于30 L/（m2·h）。淡水反渗透装置配套设置3 台反渗透给水泵、2 台保安过滤器和2 台高压泵，单台流量235 m3/h，反渗透给水泵和高压泵采用变频设计。

2.2.5 其他附属系统

其他附属系统包括污泥脱水单元、加药单元、化学清洗单元、电解制氯单元等。

3 运行结果与分析

该工程于2021 年6 月进水调试，2021 年10 月调试完毕并满出力运行，2021 年12 月完成项目验收并移交用户。

3.1 预处理V 型滤池

调试运行期间，V 型滤池反洗周期设计为2 d。调试期间V 型滤池运行数据见图2。

图2 V 型滤池运行数据Fig. 2 Operation data of V-type filter

由图2 可知，预处理V 型滤池运行过程中，进水浊度在22～28 NTU，产水浊度在0.5～0.9 NTU，整体运行水质稳定，满足协议中产水浊度低于2 NTU 的性能指标要求。同时可以看出，V 型滤池系统在前12 d 反洗频繁，每周期反洗2～3 次，较设计反洗频次偏高（设计反洗周期为运行2 d 反洗1 次）。经分析，每年5 月—7 月为海洋赤潮高发期，水体中藻类、浮游微生物等代谢繁殖旺盛，海水水质恶化，浊度、COD、色度等指标增高，导致V 型滤池滤料污堵过快。调试期间增加次氯酸钠及混凝剂加药量（次氯酸钠由1 mg/L 调整至3 mg/L，絮凝剂由2 mg/L 调整至3 mg/L），以增强对进水中部分藻类、有机物、浮游微生物、胶体等悬浮物的去除。加药量调整后，V 型滤池每个运行周期反洗次数由2～3 次降低至1 次，极大提高了产水效率，保证了系统运行稳定。

3.2 超滤系统

调试期间超滤系统运行数据见图3。

由图3 可知，超滤系统运行过程中，进水浊度在0.5～0.9 NTU，产水浊度在0.04～0.08 NTU，整体运行水质稳定，满足协议中产水浊度低于0.1 NTU 的性能指标要求。运行初期，前12 d 内产水SDI（淤泥密度指数）为3～3.5，超过正常控制指标（SDI＜3）。经分析，造成该指标超标的原因主要有两点：1）SDI 取样点前管道为玻璃钢管道，安装过程中内部存在玻璃钢纤维及粉末，部分死角位置很难冲洗干净，引起SDI 升高；2）运行前期预处理V 型滤池未投加药剂，导致超滤进水中存在部分微生物和小分子有机物，这些物质透过膜最终造成SDI 升高。通过对管道进行连续冲洗并提高预处理系统加药量后，超滤系统产水SDI 连续稳定控制在3 以下。

3.3 反渗透系统

海水反渗透系统运行情况见图4。

由图4 可知，运行初期，前6 d 内，海水反渗透产水电导率在420～425 µS/cm，脱盐率为98.8%，未达到膜元件脱盐率≥99.5%（运行1 a 内）的性能指标要求。经分析，部分膜组件存在密封圈泄露的问题，现场对各个膜组件产水进行取样分析，对有问题的膜组件重新安装后，产水电导率稳定在345～350µS/cm，脱盐率为99.8%，硼质量浓度约0.7 mg/L，产水水质满足性能指标要求。

经检测，淡水反渗透系统产水电导率约10 µS/cm，脱盐率约97%，硼质量浓度约0.28 mg/L。淡水反渗透产水与海水反渗透产水按照1∶2 的体积比掺混，掺混后电导率约270 µS/cm，硼质量浓度约0.56 mg/L。

4 工程优势及特点分析

1）项目取水利用电厂原有取水设施，不需额外增加设施，节省项目投资费用。

2）海水反渗透系统后设有淡水反渗透装置，系统灵活性强，可有效适应原水水质变化情况，保证系统产水水质（主要为硼含量指标）满足要求。

3）该工程设置电解制氯单元并用于原水杀菌，可有效利用系统产生的浓盐水，减少系统浓盐水处理费用和药剂费用，降低运行成本。

4）采用PX 能量回收装置，能量回收效率高达98%，最大化实现了能量回收，降低了系统能耗。

5）采用先进的磁悬浮风机设备，设备智能化程度高，噪音更低，更加节能。

6）利用缓冲水箱及产品水池的高度差，使反渗透产水通过重力自流的方式首先进入缓冲水箱维持合理水位，满足系统日常维护冲洗用水需求，后续进入近百米远的产品水池，减少了动力设备、占地面积及总投资。

5 经济技术分析

5.1 社会效益

本项目将海水淡化水作为原有淡水资源的补充，为当地居民提供符合国家标准的生活用水，能够有效缓解该地区缺水问题，促进由于缺水问题而搁浅的大型工业项目上马，并增加就业。项目投产运行后，可为当地的国民经济发展提供可靠的水源保障，对当地经济发展和电厂开创新盈利模式具有积极推动作用。

5.2 经济效益

本项目满负荷运行时系统处理水量为30 000 m3/d，吨水投资费用约8 000 元，主要工程及设备投资见表3。

表3 主要工程及设备投资Table 3 Major engineering and equipment investment

综合考虑能耗、药品、膜组件更换、人工、检修维护等各方面因素（表4），本项目吨水运行成本约4.2元，吨水电耗经核算约4 kW·h，达到国内先进水平，对电厂实现水电联产和转型寻找到新的盈利点，具有较好的经济效益。

表4 主要运行成本Table 4 Main operation cost

6 结论

本项目采用“V 型滤池+超滤+海水反渗透+淡水反渗透”全膜法工艺，通过在海水反渗透后增设淡水反渗透单元并将二者产水掺混，可保证夏季系统产水中硼质量浓度低于1 mg/L；采用电解海水淡化后的浓盐水制氯并用于原水杀菌，可以降低系统运行费用。经核算，该系统海水淡化工艺吨水投资费用约8 000 元，吨水运行成本约4.2 元，吨水电耗约4 kW·h。

沿海火电厂拥有现成的取水设施和经验丰富的运维人员，电耗成本较其他水厂更有优势。采用海水淡化水供应市政用水具有较好的社会效益和经济效益，可为沿海火电厂带来新的利润增长点。此外，火电厂相比其他海水淡化厂具有丰富的余热资源和充沛的电力资源可供利用，今后新建海水淡化系统时也可对热膜耦合海水淡化技术进一步研究或选择。