＊陳超鶴

（河北豐越能源科技有限公司 河北 063300）

北方某鋼鐵公司膜法海水淡化工程采用“熱+膜”海水淡化互補工藝，輔以余熱回收，對膜法海淡冬季海水預熱，充分利用循環冷卻水、沖渣水等余熱，解決冬季海水溫度較低問題；同時采用“混凝斜板沉淀+V型濾池”與超濾組合強化預處理，排除解決沙灘開放式取水潮差、風浪等水質波動影響問題。目前，膜法海水淡化工程已經投入運行一年多，較好地完成了全廠生產、生活用水的保障任務。

1.系統進水水質特點

（1）受潮差、季風等影響，水質波動較大。前期調研發現淡化工程取水口附近海水泥沙含量、渾濁度較高。沿岸海水受漲、退潮影響，水中夾帶大量泥沙，水質波動較大。海水淡化取水區域海水濁度通常在10～20NTU，最高達100NTU。（2）冬季水溫較低，四季溫差大。海水淡化取水于渤海灣河口，水溫變化受北方大陸性氣候影響，表層海水溫度四季變化較大，1～2月在0℃或以下，8月達25℃左右。溫度的波動將直接影響后續反滲透系統的出力、能耗和回收率，是海水淡化系統運行的一個非常重要的影響因素。

2.膜法海水淡化工藝系統

海水淡化工程產品水主要用于鋼廠生產用水。項目工程建造六套海水淡化裝置，單套產水規模1.25萬m3/d，該膜法淡化工程應用了先進的雙膜法工藝（UF+SWRO）。

（1）海水取水。采用開放式取水方式，取水位置位于陡河河口，利用海水潮汐變化取水。海水經一級泵站提升后進入到預沉池進行預沉，澄清水經二級泵站進入海水淡化工程進水管網。

（2）海水預處理。選用“殺菌、絮凝-沉淀-V型濾池”工藝。次氯酸鈉投加點位于斜板沉淀池絮凝混合區前，絮凝劑投加在混合器前端加藥口處，助凝劑投加在絮凝池第一格入口混合器前。

絮凝池內完成絮凝劑的快速混合，必要時在絮凝池第一格內投加助凝劑。絮凝池共設6座，采用鋼筋混凝土結構。混合時間＞2.5s，水頭損失不大于0.5m，池體絮凝部分豎向流采用星形結構，流道內設有星形設備，材質為改性PVC。絮凝劑三氯化鐵投加為5～20ppm，助凝劑聚丙烯酰胺，投加量為0.5～1ppm。

絮凝池出水進入沉淀池，與絮凝池共建。沉淀池采用斜板沉淀池，穿孔集水槽集水，以保證出水均勻，再匯集到出水渠中。斜板材質為乙丙共聚/改性聚丙烯，斜板長度1.2m，傾角為60°。

（3）V型濾池。V型濾池閘門接觸海水的部分采用超級雙相不銹鋼S25073，池內部與海水接觸的組件耐海水腐蝕。V型濾池設計濾速≤10m/h。V型進水槽（沖洗時兼作表面掃洗布水槽）和排水槽沿池長方向布置，以利于布水均勻。濾料采用均勻級配石英砂，厚度為1.2m，粒徑0.9～1.2mm，不均勻系數1.2～1.4；承托層采用粗砂，厚度為0.1m，粒徑2～4mm。

（4）超濾。超濾系統共設置30套。超濾裝置每套含56支膜組件，每支膜面積91m2，設計瞬時通量為61.5LMH，正常運行實際凈通量為50LMH。超濾膜進水最大運行壓力0.5MPa，正常工作壓力為0.3MPa。超濾裝置在運行中跨膜壓差（TMP）上升，當達到設定值0.1MPa時對超濾膜進行反洗。

（5）SWRO海水反滲透。高壓泵采用多級離心泵，過流部件采用高強度耐腐蝕2205雙相不銹鋼材料，通過DCS自動調節高壓泵的轉速，實現平穩起停和流量調節。

能量回收采用壓力交換式能量回收裝置，效率達95%。能量回收裝置的出水經增壓泵升壓后與高壓泵出水混合后進入反滲透裝置。

反滲透膜采用低能耗高脫鹽率的海水膜組件，以恒定產水量對所需運行壓力及出水水質在設計溫度5～33℃范圍內進行校核。海水反滲透膜組件按“一級一段”設置，設計膜通量14LMH，運行通量13.91LMH，系統回收率為45%。其工藝流程圖如下：

圖1 工藝流程

圖2 濾池出水濁度

3.膜法海水淡化系統運行分析

（1）水質波動分析。運行中監測發現受海域潮位差、風浪等影響，預沉出水濁度較高，“混凝斜板沉淀+V型濾池”運行過程產水通量、水質降低。為此，運行中增加系統混凝劑投加量，為更好地保證絮凝效果，形成大小適合的礬花顆粒，在絮凝池加投助凝劑，同時延長斜板沉淀停留時間，最后可以保證V型濾池出水濁度在5NTU以內。進入冬季后，采用經循環冷卻、凝汽器預熱后海水作為反滲透系統給水，但其進水濁度明顯升高，一般增加10NTU左右，同時水體中存有粘泥性物質，實際運行中增大系統混凝劑、助凝劑投加量，延長斜板沉淀停留時間，同時降低V型濾池反洗周期時間。

（2）溫度波動對膜系統影響分析。溫度是影響反滲透膜性能的重要因素之一。反滲透膜系統產水通量對進水溫度變化非常敏感，水通量隨著進水溫度的升高或降低，幾乎線性地增大或減小，主要原因是透過反滲透膜的水分子隨著溫度的升高粘度下降，擴散能力增加。一般在其他條件不變的環境下，相同壓力，溫度每下降1℃，反滲透膜的產水通量降低約2%～3%。一般膜系統采用溫度校正系數進行流量溫度校正，如圖3所示。

圖3 膜系統流量溫度校正系數

反滲透膜產水側含鹽量較低，0℃及以下存在結冰的危險，并且溫度較低時噸水能耗較高，膜系統產水效率偏低。工程建設地所在海域冬季海水溫度會逐漸降至0℃以下，沒有海水預熱，入冬起系統工程運行受到極大限制。

針對此問題，結合系統運行要求以及廠區條件，取水系統設計兩種取水方式，一種方式海水溫度較高,一般海水24h連續溫度在10℃以上，直接采取二級泵站出口海水作為反滲透系統進水；另一種海水溫度較低，一般海水24h連續溫度在10℃以下，用經循環冷卻、凝汽器等出口海水作為反滲透系統給水，有效利用系統余熱，降低海水淡化系統的能耗。冬季，膜法海水淡化工程海水取水經余熱預熱后溫度升高10～12℃，如圖4。海水淡化工程SWRO系統高壓部分運行性能如圖5，其整體性能運行穩定，特別是受北方冬季氣溫較低以及季風、潮差水質波動影響較小。

圖4 海水進水溫度

圖5 SWRO系統運行性能

（3）能量回收能耗降低分析。淡化工程單套設計產水能力為521m3/h，其中4套系統選用PX-Q300能量回收裝置，以及適用的增壓泵。

表1 SWRO設備參數

PX能量回收裝置采用的是直接接觸正位移技術，主要部件是一個無軸轉子，沿軸向開有數個孔道，高低壓流體在孔道中交換能量，并依靠轉子的連續轉動實現系統的連續運行。節能機理是在產量不變的情況下，減少高壓泵流量的方式來降低系統的能耗，能量傳遞為壓力能-壓力能，而不需要機械輔助裝置。

在忽略摩擦和泄漏的情況下，PX能量回收裝置效率理論上可以達到100%，但能量回收轉子實際運行過程中會存在一定高壓濃水通過轉子的滲漏及摩擦損失，從而降低回收效率；同時，高壓濃水的滲漏通過進入低壓海水，導致原海水鹽度小幅升高，滲透壓隨之升高，增壓了裝置產水運行能耗。

由圖6可以看出在海水淡化廠回收率在45%時，噸水能耗大概在2.4kWh/m3左右。對于單轉子PX能量回收裝置體積混和大概6%，會引起膜進水鹽度升高2%～3%，導致反滲透進膜壓力升高0.1～0.15MPa。致使PX回收效率損失約5%，所以PX實際效率回收可達到95%左右。

圖6 PX淡化回收率對能耗影響

圖7 膜法淡化工藝節點

單套12500m3/d反滲透系統主體，其中海水TDS為31800mg/L，溫度15℃，反滲透回收率45%（采用高通量反滲透膜元件提高單支膜產水通量及總的回收效率），PX效率為94%～95%、采用4個PX300Q。高壓泵流量500～600m3/h，壓力4.9～5.30MPa；增壓泵流620～720m3/h，壓力提升0.2～0.3MPa。采用能量回收裝置，回收反滲透濃水壓力能，即使在冬季取水口海水溫度為0℃，甚至更低時，采用海水預熱方式可以將大型反滲透海水淡化工程能耗控制在3.0～3.5k/m3。

表2 膜法淡化系統主要節點運行參數

4.結論

海水淡化取水利用循環冷卻取水系統，排除海域潮差、風浪等對水質波動的影響，設計采用海水預熱措施，實現冬季海水溫升10～12℃，降低了系統冬季運行能耗；“混凝斜板沉淀+V型濾池”強化預處理與超濾組合，是渤海灣泥沙灘、冬季預熱海水預處理達到反滲透進水水質要求的保障；SWRO系統采用壓力交換式能量回收，回收95%以上的濃水壓力能，降低系統能耗。海水淡化工程的建成和穩定運行不僅實現了北方鋼鐵企業生產過程供水的自給自足，為今后的可持續發展奠定了重要的基礎，而且為國內淡水資源匱乏地區工業生產用水提供了一個切實可行的水資源解決方案，成為我國海水淡化工程與工業制造相結合的典范。