海水淡化工藝及能量回收裝置的優化選擇
——以枸杞鄉自來水廠為例

林 華，張學俊

（浙江國際海運職業技術學院，浙江舟山 316021）

0 引言

當今世界，隨著經濟的不斷發展，能源卻在以前所未有的速度被消耗掉，從而出現了許多不可再生資源短缺的現象。以淡水資源為例，全世界約有30%的人生活在嚴重缺水的地區。淡水資源的短缺主要原因除了經濟的快速發展、工業化水平的提高帶來用水量的增加之外，淡水資源在地域上極其不均衡的分布、大量水源被人類的生活及工業活動所污染以及節約用水意識淡薄等也是重要的原因［1］。

淡水資源日益緊缺在我國也是一個普遍的現象，同時也是我國在經濟快速發展過程中必須面對的問題。我國的淡水資源總量其實很大，但人均可利用的少，人均水平據世界平均水平還有很大差距。據統計我國嚴重缺水的城市有100多個，而且在地域上分布及其不均，從地區省份上看，內陸的省份尤其是西北部地區淡水資源緊缺的現象極其嚴重［2］。由此可見，我國是屬于干旱、嚴重缺水的國家。

1 海水淡化工藝的發展

內陸地區一直以來降雨量少，水資源比較匱乏，但是近年來，伴隨著經濟的不斷增長，許多沿海城市對淡水的需求量急劇上升，也出現了淡水資源短缺的情況。對面海水資源豐富但是淡水資源不斷匱乏的現狀，海水淡化項目不斷被擺上臺面進行論證。將含鹽量較高的海水淡化為可以直接飲用的淡水需要消耗大量的電能，所以在開始階段海水淡化項目不被看好［3］。隨著材料技術、能源技術的發展，海水淡化項目慢慢變成現實。經過幾十年的發展，海水淡化工藝主要有以下幾種。

1.1 多級閃蒸（MSF）

多級閃蒸是早期海水淡化工程中采用的主要工藝方法，該種工藝的原理是先對海水進行加熱，把冷的海水加熱到一定的高溫，通過管道輸送到一個特定的空間里。這個空間的壓力經過設定比對應海水的飽和蒸氣壓要低，這樣就能使熱的海水快速蒸發，然后通過專門的冷凝設備使蒸發的水蒸氣冷凝成淡水，這就是閃蒸過程。在這個過程中一部分沒有發生蒸發變成水蒸氣的海水就會輸送到另一個壓力更低的閃蒸室，重新進行蒸發、冷凝。像這樣把各個不同壓力的閃蒸室逐級連接，然后把海水逐級引入各個閃蒸室進行蒸發和冷凝，產生所需的淡水。

多級閃蒸因為投入運行時間比較早，所以在技術方面已經非常成熟，安全性也比較高，而且單機的容量也可以大。但這種工藝的缺點是：（1）整機運行時溫度很高。（2）由于海水需要經過多個閃蒸室，長期運行海水中的鹽會腐蝕材料并且在關鍵部件表面結垢，很難清洗。（3）電能消耗很大，采用多級閃蒸工藝淡化1 t的海水約消耗電能300～400 kWh。（4）設備初期投資比較大。

圖1 多級閃蒸原理

1.2 電滲析法（ED）

電滲析工藝相比于多級閃蒸工藝在結構上簡單了很多，主要由離子交換膜、正負電極板、電源等組成，其中最關鍵的是離子交換膜。電滲析法的工作原理是將陰陽離子交換膜順著正負電極板進行交替放置，然后通電，這樣海水中的陽離子在電源的作用下穿過陽離子膜，同理海水中的陰離子穿過陰離子膜，于是在陰陽離子膜之間就形成一個淡水隔離室，從這個隔離室中引出的淡水就是可以供飲用的淡水（見圖2）。

圖2 電滲析法原理

電滲析法比多級閃蒸法抗污染能力強，對原料水的水質要求相對較低。而且該種工藝不需要多級串聯，所以占地面積要來的小，運行簡單，可以實現高度自動化。但其缺點也很明顯：由于該方法是以電能為基本的驅動能量，所以耗電量大，而且該方法制造的淡水水質好壞很大一部分取決于離子交換膜性能的好壞。離子交換膜的性能指標沒有統一的標準，不同廠家的離子交換膜性能好壞不一。

1.3 反滲透法（SWRO）

反滲透膜海水淡化的原理是利用滲透膜的性質（只能透過溶液中的溶劑），對經過預處理的海水進行加壓，使海水中的淡水透過滲透膜而制造出淡水（見圖3）。

圖3 反滲透法原理

反滲透海水淡化工藝是目前最主流的海水淡化工藝，整套裝置主要包括海水預處理裝置、反滲透膜組件、能量回收裝置及海水回收裝置等，在采用反滲透法進行海水淡化的時候最重要的環節為海水預處理工藝及反滲透工藝。反滲透法進行海水淡化過程中反滲透膜性能的好壞和使用壽命直接影響到產水質量和產水成本。如果海水預處理做得不好，海水中的雜質可能會堵塞反滲透膜孔，一方面導致膜的透水量降低減少淡水產量，另一方面會因為增加清洗膜的次數而降低反滲透膜的使用壽命。所以做好海水預處理極其重要。主要從以下幾個方面入手：（1）除菌，防止生物活性污垢污染反滲透膜。（2）除雜，過濾海水要徹底，防止雜志堵住反滲透膜。（3）穩定ph值，使滲透膜處于最適宜的ph環境中。（4）除氯，保護反滲透膜，防止被腐蝕。

2 能量回收裝置的發展

在反滲透法海水淡化過程中，未透過反滲透膜的濃鹽水擁有很高的壓力能，針對如何有效地利用這部分能量這一問題，在后續技術改進過程中，發明了各種各樣的能量回收裝置。目前，最主要的能量回收技術有以下兩大類。

2.1 渦輪式能量回收系統

渦輪式能量回收系統是早期海水淡化工藝中經常采用的一種能量回收系統，該系統結構相對簡單，將高壓濃鹽水引入透平，然后利用濃鹽水的高壓能帶動透平從而驅動與之相連的泵，進而使進料的海水壓力劇增（見圖4）。在能量回收的過程中，先將濃鹽水的壓力能轉換成渦輪的機械能，再將渦輪的機械能轉換成海水的壓力能。此過程能量傳遞效率為50%～70%。主要類型有：反轉泵式、透平式等。

圖4 渦輪式能量回收裝置原理

2.2 壓力交換能量回收系統

壓力交換能量回收系統裝置主要結構有：壓力交換器、給水泵、高壓泵、增壓泵等。該系統的工作原理是將未透過反滲透膜的濃鹽水引入到壓力交換器中，通過轉換器把這部分壓力能轉移給壓力能低的海水，使其增壓作用到反滲透膜中，從而實現能量的回收利用。這種能量回收裝置相比渦輪式的能量回收裝置，能量回收效率高出很多，可達90%～95%左右（見圖5）。主要通過兩大方面進行節能：（1）對從反滲透膜中出來的濃鹽水進行能量的有效吸收。（2）降低了進料海水所需的能耗。

圖5 壓力交換能量回收系統原理

2.3 能量回收裝置的比較及選擇

通過對比可以發現渦輪式能量回收裝置能耗低、設備投資也較低、占地面積小，但是在最主要的指標：能量回收效率上只有50%～70%，遠低于壓力交換式能量回收裝裝置，所以這種能量回收裝置更適合中小型規模的海水淡化廠。壓力交換式能量回收裝置能量回收效率非常高，但是由于增壓泵等設備的使用增加一定的能耗和投資，同時啟動運行也更加復雜，更適合規模較大的海水淡化廠（見表1）。

3 結語

枸杞鄉自來水廠坐落于舟山市嵊泗縣枸杞島上，該島四面環海，海水資源豐富。隨著物質生活不斷發展，全鄉人民的生活水平大力改善，居民用水需求量不斷增加。考慮到這個問題，鄉政府引進了海水淡化工程，該工程結合小島遠離大陸，受到的污染少、海水清澈、水質好的優點，采用工藝水平最先進、對海水預處理要求最嚴格的反滲透膜海水淡化技術。同時由于島上地理條件的限制，該自來水廠的占地面積不大，規模有限，在能量回收裝置的選擇上采用渦輪式能量回收裝置，在滿足居民安全用水的同時，盡可能地減少能耗、節約能源。

表1 回收裝置的比較

放眼未來，地球上的淡水資源必定會隨著經濟的發展、人口的增多、環境的變化等因素變得越來越稀少、越來越匱乏。而海水淡化工程作為一種可行的解決方法也必定會越來越受到重視。但目前的技術及工藝水平還有很大的提高空間，相信在未來的發展過程中，隨著各種技術的進步，海水淡化工藝也會不斷地進步，為人們真正解決淡水資源緊缺的問題。