【正文】 操作，則可達 60％ 的回收率，這樣海水預(yù)處理省了，試劑用量少了，能耗也低了，新建的 SWRO 廠可采用該工藝高效兩段法這也是提高回收率的新工藝，這是一級兩段工藝的改進，在兩段間設(shè)增壓部分，第一段的濃海水經(jīng)增壓和最終的能量回收部分相結(jié)合進入第二段，這也可使回收率達 60％。該工藝不僅適合于新建的研件 SWRO 廠，且可將以前的一級 SWRO 廠增設(shè)第二段，變其產(chǎn)量增加一半。 基本原理 用一張只透過水而不能透過鹽的半透膜將淡水和鹽水隔開，淡水會自然地透過半透膜至鹽水一側(cè)，這種現(xiàn)象稱為滲透。當(dāng)滲透到鹽水一側(cè)的液面達到某一高度時，滲透的自然趨 勢被這一壓力所抵消從而達到平衡。這一平衡壓力即為該體系的滲透壓，如在鹽水一側(cè)加一個大于滲透壓的壓力，鹽水中的水會透過半透膜到淡水處。這種與自然滲透相反的水遷移過程稱為反滲透。 工藝流程 進料海水經(jīng)預(yù)處理，去除懸浮固體及其它有害物。然后經(jīng)高壓泵增壓后，進入膜脫鹽設(shè)備，產(chǎn)出的中間淡水產(chǎn)品進入后處理設(shè)施（按淡水不同用途選擇，如作飲用水，需 pH 調(diào)節(jié)和加氯殺菌設(shè)備），精制成終產(chǎn)品淡水。濃鹽水自膜脫鹽設(shè)備排出。見圖 24： 海水淡化專項報告 21 圖 24 反滲透工藝流程圖 反滲透膜是一種用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的薄膜 。它能夠在外加壓力作用下使水溶液中的某 些組分選擇性透過，從而達到淡化、凈化或濃縮分離的目的。反滲透膜組件有多種結(jié)構(gòu)形式，最常用的是中空纖維和螺旋卷式兩種。根據(jù)膜材料或成膜工藝又可分為非對稱反滲透膜、復(fù)合反滲透膜。目前反滲透膜組件的使用壽命為 3～ 5 年。反滲透膜組件質(zhì)量的優(yōu)劣和水平的高低關(guān)鍵在于膜性能的好壞。 反滲透預(yù)處理的作用是防止膜被污染和污堵，其出水水質(zhì)應(yīng)滿足反滲透裝置的進水水質(zhì)要求：污染指數(shù) (SDI)3；海水反滲透預(yù)處理系統(tǒng)由于受取水方式以及各地海水水質(zhì)（物理指標(biāo)）的變化而出入較大，一般情況下要采用 加氯消毒、凝聚過濾、加酸調(diào)節(jié) pH 值、加阻垢劑、消除余氯以及過濾等措施才能進入反滲透系統(tǒng)。所以，水質(zhì)是選擇系統(tǒng)的重要依據(jù)。目前，隨著超濾技術(shù)的不斷成熟，超濾設(shè)備費用的降低，超濾作為海水淡化反滲透的預(yù)處理設(shè)備，因其具有出水穩(wěn)定，占地面積小，能夠保證反滲透穩(wěn)定運行等突出優(yōu)點，已越來越多的應(yīng)用于海水淡化系統(tǒng)的反滲透預(yù)處理中。 反滲透的高壓泵與能量回收反滲透本體部分主要由反滲透組件和高壓泵兩大部分組成。反滲透組件是整個系統(tǒng)的心臟部分，而高壓泵是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。海水淡化專項報告 22 高壓泵性能好壞對系統(tǒng)性能影響很大。反滲透所需能耗主要用于提 供反滲透過程所需壓力上，為了降低淡化水的操作費用，通常在濃鹽水排放管線上安裝能量回收裝置。目前常用的能量回收裝置主要有透平增壓裝置、皮爾頓水輪機和壓力交換器。能量回收裝置可以回收濃鹽水能量的 60%?90%，因此安裝此裝置后可使淡化水的操作費用大為降低，其規(guī)模制水的能量消耗在 至 。據(jù)稱國外有公司可使淡化海水的噸水電耗維持在 。高壓泵可選用往復(fù)泵、離心泵、單螺桿泵和高速泵等類型。 主要優(yōu)缺點及適用范圍 反滲透為無相變過程，能耗低，每噸 淡水耗電 度；工程投資及造水成本較低；裝置緊湊，占地較少；操作簡單，維修方便。反滲透的預(yù)處理要求嚴(yán)格，反滲透膜需要定期更換，海水溫度低的情況下需加熱處理。 適用范圍：適合大、中、小型海水及苦咸水淡化。 反滲透技術(shù)的發(fā)展趨勢 (1)研制新的反滲透膜，進一步提高膜的透水通量和截留率，增強膜的抗污染性和抗氧化性，進一步降低膜的價格。 (2)提高配套裝置的性能。反滲透膜確定之后，生產(chǎn)裝置能耗主要取決于高壓泵和能量回收設(shè)備的效率。因此開發(fā)新型的高壓泵和能量回收裝置，進一步提高其效率和服務(wù)年限將有助于降低淡 化成本。 (3)用新技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的預(yù)處理技術(shù)。目前海水預(yù)處理通常采用氧化殺菌、多級過濾、還原脫氯等傳統(tǒng)技術(shù)，需消耗較多的化學(xué)藥劑，不僅成本提高，環(huán)境還易受污染，如采用微濾或超濾等新技術(shù)可簡化預(yù)處理，減少或避免化學(xué)藥劑的加入。 影響海水淡化工藝選擇的因素 海水淡化方法比較及其發(fā)展方向海水淡化的方法有十余種。目前主要方法有多效蒸發(fā)（ MED）、反滲透（ RO）和多級閃蒸（ MSF）等，而適用于大型的海水淡海水淡化專項報告 23 化的方法只有 MED、 MSF 和 RO。 MED 方法中低溫多效蒸餾（ LTMED）開發(fā)后在世界范圍內(nèi)迅速得到了較 廣泛的應(yīng)用，與 RO 和 MSF 一起成為最具發(fā)展前景的海水淡化技術(shù)。究竟哪種方法最適合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、社會發(fā)展不是絕對的。本文將世界主要三種淡化方法進行比較并結(jié)合實踐對選擇海水淡化方法的依據(jù)進行探討。 目前主要淡化方法的技術(shù)原理及應(yīng)用 近年來世界上海水淡化正向高效化、低能化和規(guī)?；哪繕?biāo)發(fā)展， MSF、LTMED、 RO 更成為適用于大型化海水淡化技術(shù)的主流。 MSF 方法大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)淡水已有 30 多年，技術(shù)成熟，運行安全性高。 LTMED 其特征是將一系列的水平管降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來并被分成若干效組，用一定量的蒸 汽輸入通過多次的蒸發(fā)和冷凝，從而得到多倍于加熱蒸汽量的蒸餾水?？勺鳛殄仩t的補充用水、生產(chǎn)過程的工藝用水或者大規(guī)模的市政飲用水供水。 RO 主要應(yīng)用領(lǐng)域有海水和苦咸水淡化，純水和超純水制備，工業(yè)用水處理，飲用水凈化，醫(yī)藥、化工和食品等工業(yè)料液處理和濃縮，以及廢水處理等。 主要淡化方法的比較及發(fā)展方向 MSF MSF 具有工藝成熟，維護量較小，運行可靠，對原水預(yù)處理要求低和使用壽命長，出 水品質(zhì)好等優(yōu)點。 MSF 存在的最大問題就是性能比低，一般限制在 11 左右，造成更大的能 量消耗，即耗電能較大，使得 MSF 比 LTMED 成本高。 MSF 海水淡化技術(shù)體現(xiàn)如下的發(fā)展方向： 1）提高最高操作溫度，尋找改進熱量交換的新方法。通過薄管壁材料的選制，逐滴冷 凝過程的改進盡可能減少熱交換面積，提高熱交換量等。 2）成功實現(xiàn)大型 MSF 裝置。根據(jù) Leon Awerbuch 報道，位于阿布扎比 (Abu Dhabi)的蘇 威哈特廠 (Shuwaihat)，其單套裝置的設(shè)計規(guī)模為 76000m3/d。 3）采用新材料和管路優(yōu)化設(shè)計提高效率。 WDI 公司采用效率高達 95%的蒸汽壓縮設(shè)備、 海水淡化專項報告 24 帶溝槽的薄鈦管作為傳熱材料、特種混凝土作為蒸發(fā) 器的殼體，顯著地降低造水成本。 LTMED LTMED 是 20 世紀(jì) 80 年代開發(fā)出來的新技術(shù)。它的特點是對原料海水的預(yù)處理要求不 高、過程循環(huán)動力消耗小、生產(chǎn)的淡水水質(zhì)高 (鹽度 amp。lt； 5mg/L)。另外，該技術(shù)減少制水成本 的潛力很大，其造水比高，可超過 15。 LTMED 海水淡化技術(shù)發(fā)展方向如下： 1）裝置規(guī)模的大型化和超大型化。美國的南加州正在計劃建設(shè)日產(chǎn)淡水28400m3 的 LTMED 淡化工程，其淡化裝置的總效數(shù)為 30，造水比 22，共有 535 個相同的管束。 2）采用新工藝和新材料提高性 能。對熱過程的改進 (即新工藝 )采用 NF 技術(shù)。新材料包括光滑鋁合金管或鋁合金波紋管制成的傳熱管材和特種混凝土等殼體材料。 3）與核能等新能源的結(jié)合。 LTMED 能夠使用反應(yīng)堆提供的清潔低品位熱能。 4）若能解決結(jié)垢問題， LTMED 可向高溫多效蒸餾邁進，以獲得更高的造水比，達 30。 RO 具有投資低、能耗低、建設(shè)周期短等優(yōu)點，適用于建造各種規(guī)模的海水淡化工程。其突出優(yōu)點就是成本較低，大約在 ～ 美元 /m3 淡化之間，這還取決于能源成本。 RO 膜容易受到污染和結(jié)垢的影響（ CaCO3， CaSO4， BaSO4），易被氧化劑（ Cl2，HClO）氧化而造成損害，因此對進入 RO 裝置的水質(zhì)要求較高，預(yù)處理較為嚴(yán)格。 RO 海水淡化技術(shù)最新研究動態(tài)包括以下幾方面： 1）功或壓力交換器和段間能量回收集成技術(shù)的研究。 PX 或 Aqualyng 等新型高效能量回收器可使 RO 淡化過程本體電耗大約在 h/m3 淡水。 海水淡化專項報告 25 2）新型 RO 膜的研究。方向分為低壓 RO 膜和高壓 RO 膜。由于能量回收器效率不斷提高，高壓膜在海水淡化過程中的應(yīng)用相對較多，而低壓膜主要用于苦咸水淡化過程。 3）全膜法預(yù)處理工藝的研究 。全膜法預(yù)處理較好地結(jié)合了 MF、 UF 和 NF 預(yù)處理方法的優(yōu)點，有效減少化學(xué)品添加量和 RO 膜組件的清洗次數(shù)，使操作過程更加環(huán)境友好。 4）高回收率工藝的研究。 BCS(brine conversion system)系統(tǒng)采用 SWRO級濃縮水作進料 (含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù) %～ %)，在 ～ 操作壓力下，回收率可以達到 60%。 最佳淡化方法的選擇 究竟選擇哪種淡化方法，還要根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境特征和運行目標(biāo)，因地制宜，評估這種淡化方法是否最適合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。一般選擇海水淡化方法的依據(jù)主要包括以下要素 ：環(huán)境要素、經(jīng)濟要素、需求要素、技術(shù)要素等。 環(huán)境要素 環(huán)境要素主要包括海水因素、地理位置因素、能源儲備因素等。 海水因素 每種淡化方法對海水溫度的適應(yīng)性不同。如 RO 適宜溫度為 15～ 25℃；蒸餾法適宜溫度為 0～ 35℃。對于 RO 過程，膜的透水量隨水溫的升高而增高。低溫海水粘度增大使膜孔收縮，產(chǎn)水量大幅度下降；而水溫過高則加快膜的水解速度，使有機膜變軟，易于壓實。水溫季節(jié)性節(jié)變化大的海域 (如渤海中部，冬、春季均溫為 5℃以下，夏季均溫為 25℃，顯然不利于 RO 過程，而選擇蒸餾法比較適合。由于冬季水溫過低，將 RO 站建造在中國北方的最佳選擇是用發(fā)電廠的冷卻海水作為其供水。 下圖譜反映了進料海水鹽濃度對 RO \MSF 的影響。可以看出，與 MSF 相比，鹽濃度對 RO 的影響較大， MSF 幾乎適用于任何鹽濃度的進料海水。 RO 法適用最大鹽濃度是多少這個問題很少人研究，據(jù) Karelin 報道，最大鹽濃度不應(yīng)超過 100g/L。 海水淡化專項報告 26 圖： 反滲透操作壓力、多極閃蒸氣壓與進料海水鹽濃度的關(guān)系 海水水質(zhì)的污染程度對蒸餾法不敏感；但對 RO 而言，會使 RO 壓力和單位電耗率增大，因此大大增加了 RO 的海水預(yù)處理難度和成本；對于較小的 規(guī)模一般也容易處理，而對大型淡化廠則有可能影響到總體的技術(shù)方案。中東地區(qū)的海灣水有“四高”，即：高溫 (夏天高達 40℃ )、高菌藻、高石油污染和高鹽度 (總含鹽量高達 40000mg/L)，對 RO 是不利的，所以中東地區(qū)海水淡化多以 MSF 為主。目前也建立了大型的海水 RO 淡化廠，他們的預(yù)處理經(jīng)驗是值得借鑒的。 地理位置 因素 在沒有充足汽源火電廠的海島區(qū)，一般采用 RO；如存在發(fā)電廠，則 RO 用發(fā)電廠的冷卻海水作為其供水。在汽源充足的沿?；痣姀S，鑒于歷史原因一般采用大型蒸餾淡化廠。 能源儲備因素 MSF 或 MED 需 要汽和電作為能源； RO 只需要電作為能源。蒸餾淡化廠利用汽輪機低壓抽汽作為熱源，或者與低溫核能供熱站直接連接。如有足夠的可利用電源，而無需自身發(fā)電，那么選擇 RO 是具有吸引力的，因為其初始成本低、容易維護且運行方法簡單。如有豐富的天然資源 (天然氣、石油等 )，能源費用很低，則使蒸餾法的運行成本降低，具有出口電能的優(yōu)勢。這也是中東地區(qū)對 MSF 尤其熱衷的原因之一。值得一提的是，中東地區(qū)也是較早試用大型海水 RO 的地區(qū)，但在今后相當(dāng)長的時期，仍會以 MSF 為主。 海水淡化專項報告 27 除天然氣、液體燃料和化石燃料外，海水淡化的替代型能 源主要包括核能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能以及生物能等。其中核能淡化最有競爭力：中小型反?yīng)堆耦合大規(guī)模淡化裝置。反應(yīng)堆的熱量經(jīng)多回路隔離，在 MSF 鹽水加熱器中加熱鹽水，或為 MED 提供首效加熱蒸汽，即可實現(xiàn)與 MSF 或 ME 的耦合；利用核能發(fā)電為 RO 提供電能，即可實現(xiàn)與 RO 的成功耦合。 經(jīng)濟要素 影響海水淡化經(jīng)濟的因素很多，其中能耗問題是論證經(jīng)濟可行性最重要的指標(biāo)之一。海水淡化技術(shù)工藝的不同，需消耗不同形式的能量。下面以總體情況對主要海水淡化方法能耗與投資進行比較，見下表。通過下表可以得到以下結(jié)論： 表：主要海水淡化方法能耗與投資比較 1） MSF 和 MED 系統(tǒng)主要消耗熱能，此外還需要少量電能，而 RO 系統(tǒng)只消耗電能。由于熱、電的不等價性使常規(guī)性能評價指標(biāo)之間缺乏可比性。為此建立了以電量為基準(zhǔn)的統(tǒng)一的性能評價指標(biāo)體系，它將脫鹽系統(tǒng)所消耗的熱能按實際技術(shù)水平折算等價的電量 (當(dāng)量電耗量 )，以單位淡水產(chǎn)量的 (當(dāng)量 )電耗率指標(biāo)進行性能評價，如表 1 所示。由 (當(dāng)量 )電耗率和總電耗率得出耗能大小 2）從主設(shè)備投資來看 RO 最低。但 RO 膜的產(chǎn)水率受海水溫度影響，當(dāng)水溫較低時必須設(shè)置海水加熱裝置或者利用熱量，這 將大大增加其能量消耗。實際運行中，膜的反清洗也需消耗一定電量。因此， RO 裝置實際運行能量消耗要大于表所示的數(shù)值。 需求要素 需求要素主要指生產(chǎn)規(guī)模，也就是所需的水量?？芍^是確定最佳淡化方法的重要因素之一：制成飲用水的量 (這種飲用水是建成后的工廠要生產(chǎn)的水 )。 海水淡化專項報告 28 蒸餾法海水淡化的技術(shù)指標(biāo)與其裝置規(guī)模密切相關(guān)，裝置容量越大，其經(jīng)濟性就越強。 MSF 主要適合