海島多元集成供水裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用示范

薛喜東，張 丹，王勛亮，李 露，卜建偉

(1. 國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192； 2. 天津歐川環(huán)保科技有限公司，天津 300392)

我國海島眾多，海島淡水資源短缺，海島淡水供應(yīng)主要通過大陸引水(運(yùn)水)和就地制水兩種方式[1]，其中就地制水是指在海島上對(duì)海水、島水(井水)及雨水進(jìn)行處理后變?yōu)榭娠嬘玫牡嗖捎没炷恋怼⒔橘|(zhì)過濾、膜分離等技術(shù)[2-4]。由于大陸引水成本較高，就地制水逐漸成為海島供水的主要方式。海島就地制水技術(shù)雖然成熟，但依賴單一水源不能有效保證淡水資源的安全穩(wěn)定供給：如雨水收集依賴于降雨，海島陸域面積有限，地形地貌復(fù)雜，可收集的雨水有限[5]；海島地表徑流較少，地下水的補(bǔ)給受限，可開采的地下水量有限，且海島土壤層較薄，巖石層較厚，開鑿水井難度較大[6]；海水資源雖然豐富，但淡化能耗較高，海島電力供應(yīng)有限[7]，難以保證穩(wěn)定的電力供應(yīng)等。由于各種水源的處理工藝不同，相應(yīng)供水裝置差異較大，若建立多套不同水源的供水裝置，費(fèi)用相對(duì)較高，占地面積較大。因此，海島供水裝置要結(jié)合海島自身特點(diǎn)，對(duì)各種可利用的水源進(jìn)行綜合利用。

針對(duì)以上問題，本文介紹了一種集雨水、島水和海水處理為一體的海島多元供水裝置，通過對(duì)水源的智能識(shí)別，自動(dòng)匹配不同工藝，在單一裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種水源的處理，并在珠海東澳島進(jìn)行了應(yīng)用示范。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 原水水質(zhì)

本裝置在珠海東澳島進(jìn)行應(yīng)用示范，以現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。三種水源的來源如下：雨水來自東澳島水庫，自流至原水箱；島水來自東澳島大竹灣區(qū)域井水，由潛水泵輸送至原水箱；海水來自東澳島大竹灣海域，由取水泵輸送至原水箱。三種水源的水質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 原水水質(zhì)參數(shù)表Tab.1 Parameters of Raw Water Quality

由表1可知，雨水含鹽量較低，需主要去除懸浮物、顆粒物和膠體等；島水和海水含鹽量(TDS)較高，需進(jìn)行脫鹽處理，考慮到二者的TDS差別較大，反滲透系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)不同的回收率。

1.2 工藝方案

針對(duì)以上水質(zhì)參數(shù)，設(shè)計(jì)雨水處理工藝為“纖維過濾+活性炭過濾”，島水處理工藝為“纖維過濾+超濾(UF)+保安過濾+一級(jí)反滲透”，海水處理工藝為“纖維過濾 +超濾(UF)+保安過濾+兩級(jí)反滲透”，將以上三種工藝進(jìn)行集成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水、島水及海水的處理，工藝流程如圖1所示。

圖1 海島多元供水裝置工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram for Multi-Water Supply Devices

三種工藝的自動(dòng)選擇主要通過以下過程來實(shí)現(xiàn)：控制器根據(jù)電導(dǎo)率值判定水源，通過自動(dòng)閥開關(guān)和水泵變頻來選擇不同的工藝和匹配工藝參數(shù)，其中島水和海水的回收率是通過濃水調(diào)節(jié)閥的開度、高壓泵變頻和能量回收增壓泵一體機(jī)變頻來實(shí)現(xiàn)。

2 主要設(shè)備

基于上述工藝，建立了一套海島多元集成供水裝置，基于雨水計(jì)產(chǎn)水量為100 m3/d，基于海水和島水計(jì)產(chǎn)水量為100 m3/d。整套設(shè)備布置在3個(gè)集裝箱，分別為前處理集裝箱、超濾集裝箱和反滲透集裝箱組成。其中前處理集裝箱主要由纖維球過濾器、活性炭過濾器、原水泵等組成；超濾集裝箱主要由超濾供水泵、超濾膜組、超濾反洗泵、中間水箱和中間水泵等組成；反滲透集裝箱由保安過濾器、高壓泵、反滲透膜組、能量回收增壓泵一體機(jī)等組成。

2.1 纖維過濾器

纖維過濾器主要用來截留水中的顆粒物、懸浮物和膠體等雜質(zhì)，具有高濾速、低濾阻、高出水水質(zhì)、低能耗等特點(diǎn)。纖維過濾器反洗時(shí)，纖維濾料充分疏松，在氣泡及水力的作用下，反洗再生非常徹底，反沖洗耗水量為周期濾水量的1%～3%。

纖維過濾器設(shè)置2臺(tái)并聯(lián)，單臺(tái)外形尺寸φ750 mm×1 800 mm，設(shè)計(jì)流速20 m/s，單臺(tái)處理量為9 m3/h。當(dāng)處理海水時(shí)，1臺(tái)運(yùn)行；當(dāng)處理島水及雨水時(shí)，2臺(tái)同時(shí)運(yùn)行。反洗水使用初級(jí)水箱產(chǎn)水，反洗時(shí)兩臺(tái)交替反洗。原水泵和反洗泵均設(shè)置有變頻器，通過變頻調(diào)節(jié)進(jìn)水流量和反洗水流量。

2.2 活性炭過濾器

活性炭過濾器僅用于處理雨水，用于吸附雨水中的色素、異味和微量有機(jī)物等。活性炭采用比表面積較大的高效柱狀活性炭，既有上層特效過濾又有下層高效吸附等功能。

活性炭過濾器設(shè)置2臺(tái)并聯(lián)，設(shè)計(jì)濾速14 m/s，單臺(tái)外形尺寸φ900 mm×1 800 mm，單臺(tái)處理量9 m3/h。反洗水使用初級(jí)水箱產(chǎn)水，反洗時(shí)兩臺(tái)交替反洗，活性炭過濾器反洗泵和纖維過濾器反洗泵共用。

2.3 超濾系統(tǒng)

超濾系統(tǒng)主要包括超濾供水泵、超濾膜組、超濾產(chǎn)水箱和超濾反洗泵等，其中超濾產(chǎn)水箱和超濾反洗水箱共用。超濾膜組可有效截留水中的微生物、膠體、大分子有機(jī)物等，出水水質(zhì)穩(wěn)定，可滿足反滲透的進(jìn)水水質(zhì)要求。

超濾膜組由6支UOT-856型號(hào)膜組件組成，超濾回收率約為95%，設(shè)計(jì)通量為40 L/(m2·h)，單支膜組件產(chǎn)水量為2.25 m3/h，設(shè)計(jì)總產(chǎn)水量為13.5 m3/h。超濾膜組每30 min進(jìn)行一次反洗，反洗時(shí)間為90 s，每30次進(jìn)行一次化學(xué)加強(qiáng)反洗(CEB)，時(shí)間為270 s。

2.4 一級(jí)反滲透系統(tǒng)

一級(jí)反滲透系統(tǒng)用于處理島水和海水，且島水產(chǎn)水直接進(jìn)入產(chǎn)水箱，海水產(chǎn)水需進(jìn)一步進(jìn)入二級(jí)反滲透處理。一級(jí)反滲透系統(tǒng)包括中間水泵、保安過濾器、一級(jí)反滲透膜組、一級(jí)高壓泵和能量回收增壓泵一體機(jī)等。一級(jí)反滲透膜組設(shè)置為兩段，采用9支海水膜元件和3個(gè)3芯膜殼，膜元件型號(hào)為SW30HR-400。一級(jí)反滲透的島水設(shè)計(jì)回收率和海水設(shè)計(jì)回收率分別為60%和為48%。

保安過濾器放置于反滲透進(jìn)水前，防止顆粒型雜質(zhì)進(jìn)入反滲透膜，從而延長反滲透膜的使用壽命。保安過濾器設(shè)置1臺(tái)，外殼為玻璃鋼材質(zhì)，過濾精度為5 μm，設(shè)計(jì)處理量為13 m3/h。

一級(jí)高壓泵和能量回收增壓泵一體機(jī)均為變頻控制，具有流量可調(diào)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，一級(jí)高壓泵選用丹佛斯柱塞式高壓泵，型號(hào)為APP7.2，揚(yáng)程為550 m；能量回收增壓泵一體機(jī)選用丹佛斯isave21，由于增壓泵和能量回收裝置結(jié)合在一起，可有效減少占地面積。

2.5 二級(jí)反滲透系統(tǒng)

二級(jí)反滲透系統(tǒng)僅用于處理一級(jí)反滲透海水產(chǎn)水，設(shè)計(jì)回收率為85%，包括二級(jí)反滲透膜組和二級(jí)高壓泵，二級(jí)反滲透膜組采用3支苦咸水膜組件和1個(gè)3芯膜殼，膜元件型號(hào)為BW30-400。二級(jí)高壓泵變頻控制，選用南方泵業(yè)多級(jí)離心泵，流量和揚(yáng)程分為5 m3/h和130 m。

2.6 加藥系統(tǒng)

加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)絮凝劑(聚合氯化鋁)、殺菌劑(次氯酸鈉)、鹽酸、還原劑、阻垢劑和碳酸氫鈉6個(gè)加藥點(diǎn)。纖維過濾器前投加聚合氯化鋁和次氯酸鈉，超濾裝置化學(xué)加強(qiáng)反洗(CEB)時(shí)投加鹽酸和次氯酸鈉，反滲透進(jìn)口投加還原劑和阻垢劑，二級(jí)反滲透產(chǎn)水投加碳酸氫鈉。

2.7 沖洗/化學(xué)清洗系統(tǒng)

超濾和反滲透系統(tǒng)共用一套沖洗/化學(xué)清洗系統(tǒng)，包括清洗水箱、清洗水泵和清洗過濾器。反滲透系統(tǒng)每次停機(jī)時(shí)，啟動(dòng)清洗泵(沖洗泵)，沖洗5～10 min，系統(tǒng)進(jìn)入備用狀態(tài)。超濾膜組和反滲透膜組每隔3～6個(gè)月進(jìn)行一次化學(xué)清洗。

3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

為了充分掌握本裝置在雨水、島水及海水環(huán)境下運(yùn)行的實(shí)際參數(shù)和驗(yàn)證本裝置的穩(wěn)定性，裝置進(jìn)行了12 d的穩(wěn)定運(yùn)行，每天運(yùn)行9 h，其中三種水源各運(yùn)行3 h，每隔1 h記錄相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，包括流量、壓力、產(chǎn)水水質(zhì)等，各個(gè)參數(shù)的日平均值計(jì)為當(dāng)天的運(yùn)行值。運(yùn)行結(jié)果顯示，雨水原水中溶解性總固體和氯離子含量等已低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，采用濁度來表征產(chǎn)水水質(zhì)；島水和海水通過反滲透脫鹽，且脫鹽率在99%以上，產(chǎn)水中溶解性總固體和氯離子等遠(yuǎn)低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，采用電導(dǎo)率表征產(chǎn)水水質(zhì)。

3.1 雨水

在12 d的運(yùn)行中，雨水產(chǎn)水濁度及產(chǎn)水量的變化如圖2所示。

圖2 產(chǎn)水流量和產(chǎn)水濁度隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation of Flow Capacity and Turbidity of Finished Water over Time

由圖2可知，裝置對(duì)雨水具有很好的處理效果，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定.纖維過濾器產(chǎn)水濁度低于0.65 NTU，活性炭過濾器產(chǎn)水濁度低于0.55 NTU，產(chǎn)水量穩(wěn)定在17.2～17.3 m3/h。

3.2 島水

在12 d的運(yùn)行中，各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的變化如圖3和圖4所示。

圖3 產(chǎn)水流量和進(jìn)水壓力變化圖Fig.3 Variation of Effluent Flow and Inlet Pressure over Time

圖4產(chǎn)水濁度和產(chǎn)水電導(dǎo)率變化圖Fig.4 Variation of Effluent Turbidity and Cnductivity over Time

在12 d的運(yùn)行中，裝置產(chǎn)水流量及產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，各個(gè)運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)較小。纖維過濾器產(chǎn)水流量和產(chǎn)水濁度分別穩(wěn)定在7.7～7.8 m3/h和0.45～0.53 NTU。超濾產(chǎn)水流量和產(chǎn)水濁度分別穩(wěn)定在7.3～7.4 m3/h和0.14～0.17 NTU，超濾產(chǎn)水滿足反滲透的進(jìn)水水質(zhì)要求。一級(jí)反滲透的進(jìn)水壓力和產(chǎn)水流量分別穩(wěn)定在18～19 bar(1 bar=0.1 MPa)和4.2～4.3 m3/h。一級(jí)反滲透進(jìn)水電導(dǎo)率和產(chǎn)水電導(dǎo)率分別穩(wěn)定在8.1～8.3 mS/cm和40～60 μS/cm，反滲透膜對(duì)離子的截留率始終保持在在99.0%以上。

3.3 海水

在12 d的運(yùn)行中，各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的變化如圖5和圖6所示。

圖5 產(chǎn)水流量和進(jìn)水壓力變化圖Fig.5 Variation of Effluent Flow and Inlet Pressure over Time

圖6 產(chǎn)水濁度和產(chǎn)水電導(dǎo)率變化圖Fig.6 Variation of Effluent Turbidity and Electrical Cnductivity over Time

在12 d的運(yùn)行中，裝置產(chǎn)水流量及產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定。纖維過濾器產(chǎn)水濁度有一定波動(dòng)，主要是由于海面受風(fēng)浪影響，原海水濁度變化導(dǎo)致，而超濾產(chǎn)水濁度則幾乎不受影響。纖維過濾器產(chǎn)水流量和產(chǎn)水濁度分別穩(wěn)定在11.7～11.9 m3/h和0.70～1.10 NTU。超濾產(chǎn)水流量和產(chǎn)水濁度分別穩(wěn)定在10.9～11.1 m3/h和0.14～0.20 NTU，超濾產(chǎn)水滿足反滲透的進(jìn)水水質(zhì)要求。一級(jí)反滲透進(jìn)水電導(dǎo)率和產(chǎn)水電導(dǎo)率分別穩(wěn)定在45.5～48.2 mS/cm和240～260 μS/cm。一級(jí)反滲透進(jìn)水壓力和產(chǎn)水流量分別穩(wěn)定在47～49 bar和5.0～5.1 m3/h。二級(jí)反滲透進(jìn)水電導(dǎo)率和產(chǎn)水電導(dǎo)率分別穩(wěn)定在240～260 μS/cm和4～5 μS/cm，二級(jí)反滲透進(jìn)水壓力和產(chǎn)水流量分別穩(wěn)定在10～11 bar和4.2～4.3 m3/h。

4 運(yùn)行費(fèi)用分析

4.1 電耗分析

該裝置配置有電表，3種水源的單位電耗(噸水，以產(chǎn)水計(jì))以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)，單位電耗及電費(fèi)如表2所示，其中電費(fèi)以0.9元/(kW·h)計(jì)。

表2 單位電耗表Tab.2 Unit Electricity Power Consumption and Cost

4.2 藥劑費(fèi)用分析

3種水源的投加藥劑種類和用量均不同，單位藥劑費(fèi)用(噸水，以產(chǎn)水計(jì))差異較大，噸水藥劑費(fèi)用如表3所示。

表3 單位藥劑費(fèi)用表Tab.3 Unit Chemical Dosage Cost

4.3 綜合運(yùn)行費(fèi)用分析

通過上述計(jì)算，海水、島水和雨水三種水源的運(yùn)行費(fèi)用(暫不考慮人工費(fèi)用)分別為3.855、 2.105、 0.232 元/m3。東澳島水源主要以雨水和海水為主，島水較少，結(jié)合東澳島水源狀況和淡水需求，雨水、島水及海水的產(chǎn)水比例分別為50%、10%和40%，經(jīng)計(jì)算綜合運(yùn)行費(fèi)用約為2.80 元/m3，與全部產(chǎn)水為海水淡化水相比，費(fèi)用降低27.4%。

5 結(jié)論

海島多元供水裝置在海島進(jìn)行了示范應(yīng)用，運(yùn)行結(jié)果表明，該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水、島水和海水三種水源的穩(wěn)定處理，且產(chǎn)水流量、產(chǎn)水水質(zhì)、設(shè)計(jì)回收率等達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該裝置工藝簡(jiǎn)單可靠，裝置具有布置緊湊、智能化程度高、操作要求低等優(yōu)點(diǎn)，且運(yùn)行費(fèi)用較低，通過進(jìn)一步引入太陽能、風(fēng)能等海島優(yōu)勢(shì)能源，可進(jìn)一步降低能耗，在海島地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景，可充分保障海島的生活飲用水安全。