沧化集团18000m3/d苦咸水淡化设计方案

某化学股份有限公司为保证全国最大的PVC生产装置项目的供水及解决企业长期发展免受水资源的限制，同时为解决黄骅市部分地区常年饮用高浓度苦咸水的难题，决定开发储量丰富、可通过降雨及海水渗入自然补充的50～250 m地下高浓度苦咸水。
1 方案的选取
虽然浅层地下水(井深50～250 m)的供水量能满足需求，但水质恶劣，距生产工艺要求的水 质相差甚远，其水质情况见表1。
表1 原水水质指标
项目 数值 项目 数值
K+、Na+ 3500.32 Ca2+ 272.99
Fe3+ 0.26 SO42- 1071.18
Cl- 6618.75 I- 0.74
NO2- 0.003 HPO42- 0.027
暂时硬度 462.45 负硬度 11.40
可溶SiO2 10.33 悬浮物 42.81
硫化物 0.06 COD 1.83
Mg2+ 640.63 Fe2O3 0.70
NH4+ 0.11 Ba2+ 0.26
HCO3- 573.76 Sr2+ 7.19
F- 1.84 NO3- 0.07
全硬度 3317.93 永久硬度 2678.81
总碱度 470.52 TDS 12402.25
注 细菌总数＞100个/mL；浊度=5NTU；pH=7.51；水温=16.6℃
从表1可见，原水含盐量为12402.25mg/L，为高浓度苦咸水，其淡化方法可采用电渗析法、反渗透法和蒸馏法。对于该水质而言，如采用电渗析方法脱盐，其耗电指标介于7.0～18.5kW•h之间，比我国岛屿现有实际运行的反渗透海水淡化工程能耗还要大，故而不予采用。蒸馏法中多级闪蒸淡化技术动力消耗大、运转费用高；压汽蒸馏成熟产品的最大产量为3000m3/d，需6台并联才能达到产水要求，缺乏规模效益；低温多效蒸馏淡化方法虽适用于该项目的 苦咸水淡化，但经初步计算得知针对该水质的设备投资高达19000万元，单位造水成本也达67元/m3。同样规模的反渗透淡化装置投资则在2200万元左右，单位造水成本25元/m3，远比低温多效蒸馏淡化方法便宜。其原因是：
①产品水的水质达到国家饮用水要求即可，不需要生产高纯水；
②多效蒸馏设备还不具备国产化条件，设备引进的价格较高；
③原料水含盐量较低，使得反渗透可在较低压力下操作，达到了节能目的。因而决定选用反渗透处理工艺。
2 工艺设计
2 1预处理系统
根据有关方面提供的水源地水文地质详查情况，局部水源井的浊度较高，在室内放置4～24 h后浊度高达40 NTU。这可能是原水中存在一些不稳定离子，所处环境改变后还原成胶状物所致。因此，在原水进入淡化装置之前设置集水、澄清沉淀池，以使原水与大气充分接触， 并得以澄清沉淀。由于原水中含有微生物，在预处理前加次氯酸钠(2mg/L)杀灭细菌，同时防止和抑制微生物的滋生。杀菌后的水加入絮凝剂(聚合氯化铁5mg/L)进行直流凝聚，以便后续过滤去除。过滤系统分别设置多介质过滤器和细砂过滤器两级过滤系统。参照国内、国外过滤器的运行情况，多介质过滤器的滤速选用10m/h，细砂过滤的滤速选用5m/h,控制出水污染指数SDI＜3，Fe＜0.05mg/L，CODMn＜1.5mg/L，p＝2～11，达到反渗透淡化系统要求的进料指标。预处理反冲洗水采用已经过多级过滤和防结垢处理的反渗透浓水，从而使系统自用原水量降至最低，使系统具有较高的回收率。
2 2 反渗透系统
由于淡化系统采用反渗透复合膜，对氯的耐受程度只有1000mg/(L•h)，而过滤器 出水通常含余氯0.1～1.0 mg/L，故需在过滤器出水中加入亚硫酸氢钠(3mg/L)还原水中余氯，使游离氯含量＜0.1mg/L，满足反渗透装置的进水要求。另外，原水中Ca2+、SO42-、Mg2+、a2+、Sr2+等离子含量较高，在反渗透脱盐过程中极易形成难溶组分沉积于反渗透膜表面，造成装置性能下降。因此采用性能 较传统阻 垢剂六偏磷酸钠为好的阻垢分散剂Flocon260(27mg/L)，必要时配合加入盐酸(30%盐酸)可有效防止膜内碳酸钙、硫酸钙、钡等各种难溶盐类的结垢，并防止铁铝氧化物及其他污染物的沉积。
淡化装置的总容量为18000m3/d，选用数台装置并联运行。考虑到原水水质的特性，采用介于海水及一般水处理之间的系统回收率65%，既保证水源的充分利用，又防止回收率过高对膜的损害。为实现回收率＞65%的目标，需采用二段工艺操作。考虑到该水质的反渗透操作压力较高，浓水排放较海水处理相对较少，排放量较大，在一、二段膜中间增设能量回收装置，从而减少系统的能量消耗。
鉴于该水含盐量为12400 mg/L，属于高浓度苦咸水，且不到常规海水含盐量的一半，无法 照搬传统意义苦咸水及海水的处理方式。因此采用苦咸水和海水反渗透膜一级一段、一级二段和二者的混合工艺分别计算。
从计算结果可知，无论采用几台装置并联，从装置能量消耗的角度看，对于一级一段流程，每个压力容器内安装6组反渗透膜最佳；对于一级二段流程，每个压力容器内安装4组膜最佳。从投资的角度看，每个压力容器内安装的膜组件数越多，压力容器的个数越少，同样膜组 件数的投资越少；因为6m长压力容器与4m长压力器的价格并不呈比例增长。综合考虑各方面因素，一级二段流程也选用6m长的压力容器，即每个压力容器内安装6组反渗透膜组件。
完全使用海水膜，淡化系统的能量消耗较高，第一段采用苦咸水膜、第二段采用海水膜的能量消耗与两段均采用苦咸水膜的能量消耗相当。完全采用苦咸水膜时，操作压力为294N，到第二段的进口浓度达到24000mg/L，虽然从理论计算上没有问题，但缺乏工程实例，风险较大。因而，反渗透膜堆的排布形式采用第一段苦咸水膜，第二段海水膜。
从能量回收透平的效率曲线上看，透平的容量越大，回收效率越高。装置的并联数量越多，其操作弹性越大，但投资也相应加大；并联数量太少时，操作弹性变小。因此，综合考虑装置效率、供水稳定性等各方面因素，装置的并联数量以三台为佳。最终确定出水水质为(mg/L)：钙＝1.2，镁＝2.7，钠＝70.9，钾＝0.0，硫酸根＝4.4，氯根＝109.0，重碳酸根＝15.3，总溶解固体＝203.6，出水p＝5.60。
根据透过水的水质情况，后处理采用p值调节。透过水加入Na2CO3调节p值，加入量为145 mg/L，加入后把p值调节到7.43，以符合循环水的水质要求及减少对管路的腐蚀。由于调节p值而加入了纯碱，处理后水的总固溶物含量将有所增加，最后加入1mg/L液氯以防止微生物的污染，提供给用户使用。反渗透装置主体电力消耗20kW•h/m3(产水)，加入引水及其他附属设备用电共计2.5kW•h/m3，单位造水成本则为2.48元/m3。
3 结论
沧化集团18000m3/d苦咸水淡化工程采用一级二段反渗透处理方式(一段为苦咸水反渗透膜，二段为海水反渗透膜)较为合理。三台装置并联运行时，电力消耗为25kW•h/m3，单位造水成本＜25元/m3。故而采用反渗透淡化工艺提供沧化集团的循环冷却水是可行的技术路线。