李 华

(1.江苏丰海新能源工程技术有限公司，江苏 盐城 224100；2.华北电力大学，北京 102206)

1 建设前岛上供水状况

世界范围的淡水资源短缺问题呈现上升趋势，社会正在转向海水淡化这一策略来缩小淡水和干旱需求的供应。2013年全球海水淡化厂产能达到4亿t/d，2016年达到8.86亿t/d。在全球很多地方，例如中东和北非海水淡化是一种不可缺少的淡水资源。中东、北非地区是全球海水淡化设施最为集中的地区，约55%的淡化海水生产能力分布于这一地区的不同国家，其中绝大部分位于海湾地区的6个阿拉伯国家。阿联酋是仅次于沙特的世界第二大淡化海水生产国，后者每天可生产淡化海水量约6.6×106m3，而阿联酋在2017年的产量约为5.42×106m3[1]。

开山岛在海水淡化厂建设前，岛上居民的饮用水主要来自定期的外部散装饮用水的补给。船运的定期补给仅供日常居民餐饮使用，满足不了正常需求；除散装饮用水的补给，其它水源主要来自岛上降雨，即依靠汇集各建筑屋顶雨水、自建的储水槽，汇集后储存在自建雨水窑。淡化厂建设前，大部分储水设施也因为年久失修已报废。岛上居民对饮用水需求更加紧张，海水淡化厂的建设更加迫切。

2 原水水质

开山岛地处黄海海域，水质很差，悬浮物达到≥550 mg/L,浊度≥90 NTU，其余主要水质指标见表1。

表1 开山岛海域海水水质Tab.1 Raw water quality of Kaishan Island sea area

3 技术方案

3.1 海水预处理技术

反渗透膜进水水质要求较高，对进膜的海水必须满足SDI≤5，所以海水要进行严格的预处理。此工程地处高悬浮物海域，对预处理技术提出了很高的要求，针对高悬浮物高浊度的特点，采用选进的Lamella沉淀池技术，此技术在国外大型海水淡化厂大量应用，并取得了理想效果。

由于海水pH值为8.2的特性，工程絮凝剂采用了聚合氯化铝，可以减少采用三氯化铁絮凝剂，需降低海水的pH值，消耗大量硫酸的情况2[2]。

3.2 海水淡化技术

项目水厂产水规模为近期20 m3/d,远期50 m3/d。

产水目标：原水采用海水，出水水质达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)[3]的要求。

工程近期产水规模20 m3/d，规模较小，工程地点位于开山岛，岛上物资匮乏，交通不便，所有物资均需通过船运上岛。针对岛上的不利条件，采用的海水淡化技术应具有重量轻、方便拆卸和组装、占地面积较小、易维护、运行稳定的特点，综合以上要求，决定采用反渗透海水淡化技术。

根据《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中对硼<0.5 mg/L的要求。经对国内外海水淡化厂产水硼含量的调查，一级海水淡化达不到<0.5 mg/L要求[4]，所以此工程采用二级反渗透技术[5]。

3.3 海水淡化在线不停机清洗技术

采用了在线不停机化学清洗技术，避免了使用化学药剂进行化学清洗对环境造成污染和破坏，此项技术在国外得到了较好的应用[6]。每个在线清洗周期为8 h，高压泵出口压力控制在3×106Pa,膜产水侧采用孔板使产水侧压力保持在3×105Pa,使在线清洗保持在较好效果，运行2 a以来，出水水量和水质稳定。

3.4 反渗透产水矿化技术

海水经淡化处理后，钙离子含量很低，其水质不稳定且具有较强腐蚀性，因此工程考虑对其进行化学稳定性处理。改善海水淡化水稳定性的措施是对其进行再矿化处理，提高水中矿物质和碱度含量，使其水质稳定，不具有腐蚀性，并符合生活饮用水标准，这样既可以维护居民身体健康又能稳定水质。矿化通常是通过过滤、投加化学药剂等措施实现。海水淡化产水再矿化处理是调节产水pH值，加入钙等矿化物，从而调节反渗透产水的碱度和硬度，适度提高pH值，使产水的总碱度为80 mg/L(以CaCO3计)，总硬度为80 mg/L～120 mg/L(以CaCO3计)。使水质既不产生结垢，也不对输水管造成腐蚀。

可用于反渗透产水再矿化处理工艺方案大致有：

(1)向反渗透产水投加CO2和过量的Ca(OH)2,反应式:

(2)投加CO2后的反渗透产水通过CaCO3的滤床，反应式:

(3)投加Ca(OH)2和Na2CO3,反应式:

(4)投加CaCl2和NaHCO3,反应式:

(5)用处理后的含盐水与反渗透产水进行适量的勾兑。

以上5个方案，应根据工程情况、水质、处理水量和投资运行成本进行比选。方案3、方案4、方案5主要是向淡化水中投加药剂，操作运行维护较为简便，但费用较高，适用于较小型淡化水装置。方案1、方案2适用于较大型的海水淡化厂，其中方案2具有更高的经济性[7]。

工程产水规模20 m3/d,属于小型海水淡化工程，且距离陆地比较远，CO2的储存及运输比较困难，且操作难度大，因此方案1和方案2不适用。Ca(OH)2需用生石灰制备，制备原料需要从陆地运输上岛，使用过程中会产生大量石灰渣，造成新的污染和破坏，因此方案3不适用。方案5采用自来水与海水淡化水进行勾兑，勾兑比例为1 ∶5～1 ∶10，但须用船运淡水，该方案也不适用。

通过以上对比分析，工程采用方案4，通过投加CaCl2和NaHCO3实现淡化水的矿化处理。

4 系统流程

海水淡化系统由Lamella沉淀池、多介质过滤器、海水淡化膜系统、苦咸水膜系统、后处理系统组、海水淡化膜在线清洗系统、三氯化铁加药系统组成。海水通过取水系统加入絮凝剂进入Lamella沉淀池后，进入多介质过滤器，作为海水淡化膜系统的进水，水的SDI≤3；在反渗透海水淡化膜设备进行一级脱盐处理，一级脱盐处理后进入二级脱盐单元。二级脱盐后进入矿化设备，对软水的pH值、硬度、碱度过行调节，最终经臭氧灭活后进入不锈钢水箱，供给岛上居民使用。系统主要流程如图1。

图1 海水淡化系统流程图Fig.1 Flow chart of seawater desalination system

5 主要构筑物设计参数

5.1 Lamella沉淀池

连云港某海岛海水浊度可达1 000 NTU，悬浮物500 mg/L～700 mg/L,海水表观类似于黄河河水。根据现场实验，确定采用Lamella上向流预处理工艺，设计出力为5 m3/h,分离区表面负荷2.2 m/h,出水浊度可达到<2 NTU。设备主体采用碳钢材质，内衬玻璃钢材料，防止海水对本体的腐蚀。包括凝聚混合区、凝聚反应区、凝聚缓冲区、凝聚污泥浓缩区和凝聚分离区；处理能力4.5 m3/h,1座蜂窝斜管Ø50 mm×1 100 mm，1.5 m(宽)×1.6 m(长)×3.3 m(深)。

5.2 多介质过滤器

处理能力4.5 m3/h,2座，Ø760 mm×1.7 m，活性碳、无烟煤、石英砂按级配采用三层配置；上层滤料：活性碳粒径，1.0 mm～1.5 mm，厚度，300 mm；中层滤料：无烟煤，粒径，1.5 mm～2.5 mm，厚度，300 mm；下层滤料：石英砂，粒径，2.5 mm～4.2 mm，厚度，600 mm。

5.3 一级反渗透系统

设计回收率40%，工作温度5 ℃～30 ℃，运行压力≤6.0 MPa,运行时间24 h/d,膜组件设计产水能量13.7 L/m2·h，膜壳采用2芯装，10支膜芯。

5.4 二级反渗透系统

设计回收率80%，工作温度5 ℃～30 ℃，运行压力≤1.3 MPa,运行时间24 h/d,膜组件设计产水能量17.7 L/m2·h，膜壳采用2芯装，6支膜芯。

5.5 矿化系统

CaCl2和NaHCO3均选用食器级原材料，配制40 L溶解箱和搅拌机，配制浓度1%～3%，加药量3 L/h～5 L/h。经矿化调整后可达到碱度80 mg/L(以CaCO3计)、钙硬度70 mg/L(以CaCO3计)、Langelier saturation index：0≤LSI≤1.2[8-9]。

5.6 浓盐水排放浓海水采用离岸深海扩散排放

浓盐水排放采用水下排放，排放口位置位于取水口的海流下侧，排放管道海水中长度30 m，设置6个扩散器，扩散器安装角度60 ℃，且与取水点保持一定的距离，保证浓海水的快速稀释。经过后期监测，浓海水排放区域的海水含盐量正常，符合国际上浓盐水排入水体300 m之外比周围海域含盐量≤2 ng/kg的要求[10]。

6 小结

连云港开山岛海水淡化于2019-06建成通水。现已正常运行近2 a，产水20 m3/d,运行中不投加灭菌剂和还原剂，一级反渗透定时在线不停机清洗，减少污染和堵塞，产水通量正常。水质满足国标要求，饮用口感良好，满足了岛上居民生活用水的需求。