（环境工程专业论文）天津地区反渗透海水淡化成本分析.pdf

摘要 天津是中国最大的淡水极缺的海滨城市。利用海水淡化技术可以有效的解决 天津市未来发展对水资源的需求问题。而渤海湾地区海水具有低温低浊度、有机 物、胶体物质、悬浮物以及细菌等较其他海域高的特点，属于海水劣类水的 水质。如此特殊的海水水质给反渗透海水淡化厂的设计建造带来了一定问题。反 渗透海水淡化技术由于其设备投资省、能量消耗低、建造周期短等诸多优点，近 十年来发展速度很快，未来将成为海水淡化的主导技术。从理论上讲，它是最节 能的海水淡化方法。但目前，对于反渗透海水淡化，其技术经济指标和社会的期 盼值之间，还存在一定的距离，淡化水成本仍偏高。因此，本课题在结合相关示 范工程资料和天津地区海水水质的基础上，加入一定的预处理设备，计算所加设 备给处理系统带来的能耗，并将其转化为具体的投资成本或运行管理成本，从而 计算出该反渗透海水淡化系统总的造水成本。 本课题通过分析，总结出渤海湾海域的海水水质特点，海水受到一定程度的 污染，有机物及微生物指标较一般海域偏高，由于是半封闭海湾，而且动力条件 有限，水体交换时间较长，营养性物质积累易形成局部富营养化。另外，还具有 较强的腐蚀性和硬度。鉴于以上水质特点，必须加强反渗透海水淡化系统的预处 理工艺。所以，要在其既有预处理设备之后加入超滤膜组件以降低水中s d i ，冬 季水温低时还要增加升温设备，以确保反渗透过程可以顺利进行。 由于增加了设备和能耗，这样会给造水成本带来影响，通过计算和比较，得 出造水成本由示范工程中的6 1 5 元吨产水提高到1 6 1 元吨产水。 关键词：海水淡化，反渗透系统，超滤，能耗及成本转化 a b s t r a c t t i a n j i nl s t h es e a s i d ec i t yi nc h i n at h a tt h es i t u a t i o no fl a c ko ff r e s h w a t e ri s a w f u l l ys e r i o u s t a k i n gu s eo ft h es e a w a t e rd e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g yc a l le f f e c t i v e l y s o l v et h ep r o b l e mo ft h ec i t yo ft i a n j i n sf u t u r ed e v e l o p m e n tn e e df o rw a t e rr e s o u r c e h o w e v e r , t h es e a w a t e ri nt h ea r e ao ft h eb a yo fb o h a ii sc h a r a c t e r i s t i co fl o w t e m p e r a t u r ei nw i n t e ra n dh i g ht u r b i d i t y , a sw e l la s ，t h ei n d e x ，a so r g a n i cm a t t e r , c o l l o i dm a t t e r s ，s u s p e n d e ds o l i da n db a c t e r i u m ，a l eh i g h e rt h a no t h e rs e aa r e a s t h e s e a w a t e ro ft h i sa r e ai si nc l a s si vo fl o wq u a l i t y t h ew a t e rq u a l i t yo ft h i sa r e ai ss o s p e c i a lt h a t ，t os o m ee x t e n t ，i tb r i n g sp r o b l e m so ft h ed e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i o no f t h er e v e r s eo s m o s i sd e s a l i n a t i o n p l a n t s e a w a t e r r e v e r s eo s m o s i s ( s w r o ) d e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g yh a sa l lr a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n tt e ny e a r s ，a n di tw i l l b e c o m et h ep r i m a r y d e s a l i n a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r eb e c a u s eo fi t sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sl e s se q u i p m e n ti n v e s t m e n t ，l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n ds h o r t e r c o n s t r u c t i o np e r i o dt h a no t h e rd e s a l i n a t i o nm e t h o d s t h e o r e t i c a l l y , i ti st h em o s t e n e r g y - s a v i n gs e a w a t e r d e s a l i n a t i o nm e t h o d h o w e v e r , a tp r e s e n tt h et e c h n i c a l e c o n o m i c a li n d i c a t o r so fs w r od o n tr e a c ht h ep u b l i ce x p e c t e dv a l u e ，a n dt h ec o s to f d e s a l i n a t i o ni so nt h eh i i g hs i d e a n ds y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o nc o s ti st h em a i n c o m p o n e n to ft h et o t a lc o s t ，t h e r e f o r e ，e x c e s s i v ee n e r g yc o n s u m p t i o nh a sb e c o m et h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o ro fc o n s t r a i n i n gt h em a k i n gw a t e rc o s t i ts h o w st h a tt h ec u r r e n t s w r os y s t e mc a nb ei m p r o v e di ns o m ea s p e c t s ，s u c ha st h es w r ot e c h n o l o g y , t h e e n g i n e e r i n gd e s i g n ，a n dt h es y s t e mo p e r a t i o ne t c f o rt h i sr e a s o n ，o nt h eb a s eo ft h e i n t e g r a t i o no ft h er e l a t i o n a ld e m o n s t r a t i o np r o j e c t sm a t e r i a l sa n dt h es p e c i a ls e a w a t e r q u a l i t yo f t h i s a r e a ，a d d i n g s o m ep r e t r e a t m e n te q u i p m e n t s ，a n dt h e nm a k i n g c a l c u l a t i o n so ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h et r e a t m e n ts y s t e m sa d d e db yt h e s e e q u i p m e n t s m e a n w h i l e ，t r a n s f o r mt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni n t os p e c i f i ci n v e s t m e n t c o s t sa n do p e r a t i o na n dm a n a g e m e n tc o s t s 。b yt h i sm e a n s ，m a k i n gc a l c u l a t i o no ft h e t o t a lc o s t so fb u i l d i n gw a t e ri n t h i ss e a w a t e rr e v e r s eo s m o s i s ( s w r o ) d e s a l i n a t i o n p l a n t t h es t u d yu s e dt h er e f e r e n c eo fd e m o n s t r a t i o np r o j e c to fs w r oi nt h et o w no f s h e n g s h a n ，z h e j i a n gp r o v i n c e t h r o u g hc o n s u l t i n gt h em a t e r i a l s ，s u m m a r i z et h e c h a r a c t e r so fs e a w a t e rq u a l i t yo ft h ea r e ai nt h eb a yo fb o h a i t h es e aw a t e ri s p o l l u t e dt os o m ec e r t a i ne x t e n t ，t h eo r g a n i cm a t t e r sa n dt h em i c r o o r g a n i s mt a r g e t c o m m o ns e aa r e ai sh i g h ；b e c a u s ei ti sah a l f - s e a lb a y , a n dw i t ht h el i m i t e dd y n a m i c c o n d i t i o n ，t h ew a t e rb o d ye x c h a n g et i m ei sl o n g ，t h et r o p h i s mm a t e r i a l sa c c u m u l a t e e a s i l y t of o r mt h e p a r t i a le u t r o p h i c a t i o n m o r e o v e r , i t a l s oh a st h es t r o n g c o r r o s i v e n e s sa n dd e g r e eo fh a r d n e s s i nt h ev i e wo ft h ef a c to ft h ea b o v ew a t e r q u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c ，t h e n e e d o fs t r e n g t h e n i n gt h er e v e r s eo s m o s i ss e a w a t e r d e s a l i n a t i o n s y s t e m 。sp r e t r e a t m e n t c r a f t si s n e c e s s a r y t h e r e f o r e ，a d d i n g t h e u l t r a f i l t r a t i o nd i a p h r a g mm o d u l ea f t e rt h ep r e t r e a t m e n ti nt h es y s t e mt or e d u c et h e s d io ft h es e a w a t e ri sa ne s s e n t i a ls t e p a f t e r w a r d , i nt h ew i n t e r , w h e nw a t e r t e m p e r a t u r ei sl o ww cm u s ti n c r e a s et h ee l e v a t i o no ft e m p e r a t u r ee q u i p m e n ti n t h i s s y s t e m ，t og u a r a n t e e dt h a tt h er e v e r s eo s m o s i sp r o c e s sm a yc a r r yo ns m o o t h l y b e c a u s eo ft h ei n c r e a s eo ft h ee q u i p m e n t sa n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，i tw i l l b r i n gs o m ei n f l u e n c eo nt h ew a t e rc o s t ，t h r o u g ht h ec o m p u t a t i o na n d t h ec o m p a r i s o n ， w ew i l lo b t a i nt h a tt h ew a t e rc o s ti se n h a n c e d f r o m6 15y u a r d t o n si nt h e d e m o n s t r a t i o np r o j e c tt o16 1y u a r d t o n k e yw o r d ：s e a w a t e rd e s a l i n a t i o n ，s e a w a t e rr e v e r s eo s m o s i s ，u l t r a f i l t r a t i o n ， e n e r g yc o n s u m p t i o na n dc o s tt r a n s f o r m a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得蠢鲞墨堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丁万目 签字日期： c 7 年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：了1 身 导师签名： 签字日期：2 卯7 年，月工日 签字日期：t 第一章绪论 1 1 全球淡水资源现状 第一章绪论 淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一，是一切生命之源。从太空 中看，地球是一个淡蓝色的“水球”。海水占其中的9 7 5 ，总水量约为1 4 1 0 9 k m 3 。 从总水量来看，水资源是十分丰富的，人类似乎不应有缺水之虞。然而，由于含 盐量太高的海水占总水量的9 7 以上，淡水仅占不到3 。而在数量有限的淡水 资源中，8 7 是人们难以利用的两级冰盖、高山冰川和永冻地带的冰雪，其余从 分布看，地下水也比地表水多得多。如此算来，存在于河流、湖泊和可供人类直 接利用的地下淡水已不足总量的0 3 6 t 1 1 。 更为严重的是，随着世界人口骤增和现代工业的飞速发展，一方面对淡水的 需求量急剧增大；另一方面，由于废弃物的_ 人量排放，使得入量河流、湖泊等原 来洁净的水体受到严重污染，从而迸一步加剧了人类淡水供求的矛盾。淡水资源 紧缺已成为不争的事实。据联合国统计，全球淡水消耗量以每年5 的速度递增， 自2 0 世纪初以来增加了约6 7 倍，比人口增长速度高2 倍。非洲和中东地区、 印度、秘鲁、英国和中国等全球4 0 个国家和地区处于缺水状态。因此，水资源 危机将成为继煤和石油能源危机之后，引发地区和国家之间冲突的有一个潜在的 根源和导火索。“二十一世纪将是水世纪”已经得到政治家、经济学家和科学家 的普遍认可。 目前世界上常用的淡水取用方式有地下取水、远程调水和海水( 苦咸水) 淡 化等三种。开采地下水具有工程量小、成本低的优点，但受开采地水资源条件影 响很大。而且许多地区由于多年过度开采地下水，已形成地下漏斗造成房屋倾斜， 甚至导致海水倒灌等环境危害，地下水的开采已经受到严重制约【2 】。远程调水， 目前并没有把工程投资费用以及被引水地区的间接经济损失计算在内，仅以日常 运行费用、管理费计算其成本，这与真正成本相差很大。其实引水工程，除了巨 额的投资之外，还要占用大量耕地，还存在被引水地区的环境危害等问题。而生 态环境的破坏在经济上是难以估量的。随着海水淡化技术的不断进步，向大海索 取淡水，缓解日趋严重的世界性水危机，不仅已在全球科技界形成共识，也已成为 各临海国家的政府主张与开发新水源的对策【3 - s 】。 我国淡水资源的总量为2 7 1 0 1 2 m 3 ，居世界第6 位，但人均水资源占有量仅 为世界人均的四分之一，居世界第1 0 8 位，被联合国列为世界上最贫水的国家之 第一章绪论 一。我国水资源的地域和时间分布极不均匀，北方和众多岛屿普遍存在资源性缺 水，尤其沿海工业城市人均水资源量大部分低于5 0 0 m 3 ( 大连，天津，青岛的人 均水资源量低于2 0 0 m 3 ) ，属于严重缺水地区。为了解决淡水缺乏问题，政府已 采取了一系列的开源节流措施，并且投入了大量的人力和物力，目前采取的“开 源”措施主要是跨流域调水、收集雨水、废水再生利用和海水利用。 1 2 海水淡化方法 海水淡化是将海水中盐与水分离，从而降低海水含盐量，得到可利用的淡水 的一种过程。从2 0 世纪5 0 年代开始，各国纷纷投巨资开发海水淡化技术，相继 出现了多种海水淡化方法。按分离过程分类，海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、 结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。其中蒸馏法是最早投入工业化应用的淡化 技术，与膜法海水淡化技术相比，蒸馏法具有可以用电厂和其他工厂的低品位热、 对原料海水水质要求低、装置的生产能力大等优点，是当前海水淡化的主流技术 之一。它又可分为多级闪蒸( m s f ) 、多效蒸发( m e d ) 和压汽蒸馏( v c ) 等 方法。膜法作为一种新型的分离技术，半个多世纪来取得了长足的进展。海水淡 化是膜分离技术主要应用领域之一。与蒸馏法相比，膜法具有分离效率高、设备 简单、操作方便、能耗低等优点。它包含了反渗透法( r o ) 和电渗析法( e d ) ， 其中反渗透法占据了越来越广大的海水淡化市场【9 lo 】。结晶法则由冷冻法和水合 物法构成。虽然淡化方法有许多种，但多年的实践表明真正实用的海水淡化技术 只有m s f ，m e ，v c 和r o 等几种方法 1 1 , 1 2 。但海水淡化技术仍在不断发展和创 新。一些新的技术如冷冻法、吸附法、碳气溶胶法等，以及采用新能源、新工艺 的新研究成果都在不断出现【1 3 1 4 】。与其他方法相比，反渗透海水淡化过程不发生 相变化，所以它是最节能的海水淡化方法。 1 3 国外反渗透海水淡化技术发展及现状 沿海地区利用海岸带优势，开发利用海水代替淡水用于工业和生活用水，势 在必行。海水利用应包括从海水中提取淡水的海水淡化技术和用海水替代淡水的 海水直接利用技术。海水淡化因不受气候和季节影响，产出的淡化水水质稳定可 靠，是可以供生活引用、工业生产和工艺高质用水( 如发电厂锅炉补给水、电子 工业用水等) 。环渤海地区由于拥有特殊的地理优势，向大海要淡水，开辟新的 淡水资源，已成为解决水资源危机的重要途径之一【l5 1 。 现今世界许多国家都将浩瀚的大海作为获取淡水的主要来源，淡化的海水己 2 第一章绪论 缓解了部分地区的缺水状况。尤其是在中东地区和许多岛屿，淡化水已成为其基 本水源。目前全世界通过海水淡化提供的淡水总量约为3 1 0 7 吨天，满足l 亿 多人口的用水需要。 早在上世纪5 0 年代，美国为解决“水危机”从1 9 5 2 年起专设盐水局，不断 推进水资源和脱盐的技术进步。1 9 5 3 年提出反渗透法海水淡化( s w r o ) ，自2 0 世纪7 0 年代进入海水淡化市场后，发展十分迅速。近年来，r o 用膜和膜组件 不断发展和更新，技术已相当成熟，组件脱盐率可高达9 9 8 以上。工艺工程也 逐渐成熟。反渗透膜技术与膜工艺主要沿着加强分离功能、提高工艺能力与克服 膜体污染三条主线向前发展【16 1 。而以反渗透工艺为核心衍生出了一系列相关技术 与工艺，其中主要包括能量回收、超微滤预处理、膜生物反应器、系统浓水利用、 压力容器制造等多项工艺技术。相关技术的进步提高了系统运行效率，降低了成 本，促进反渗透工艺的快速发展。尤其功交换器和压力交换器的成功开发使能量 回收效率高达9 0 以上，从而使s w r o 的本体能耗在3 k w h m 3 以下，成为从海 水制取饮用水最廉价的方法。1 9 7 6 年，反渗透淡化装置生产的淡水仅占世界淡 水产量的5 左右，到1 9 8 4 年上升到2 0 。近几年来，在国际海水淡化招标中， s w r o 以投资最低，能耗最省，建造周期短等优势而屡屡中标。目前，世界的 淡化水产量约为3 4 1 0 7 m 3 d ，反渗透占了约4 4 t 1 8 】。 1 4 国内反渗透海水淡化技术发展及现状 我国的海水淡化技术经过四十多年的发展，在电渗析、反渗透和蒸馏法的研 究开发和应用方面取得了相当大的进展。截止2 0 0 3 年，已建成海水淡化工程1 2 个，已建成和在建装置总量超过6 0 0 0 0 吨天，成为解决沿海及岛屿淡水缺乏的 重要途径。 1 9 6 5 年开始反渗透膜的实验室研究，1 9 6 7 1 9 6 9 年全国海水淡化会战为醋 酸纤维素不对称反渗透膜的开发打下基础，上世纪7 0 年代进行了中空纤维和卷 式r o 元件的研究开发，上世纪8 0 年代逐步产业化并推广应用。上世纪8 0 年代 进行复合反渗透膜的研究开发，并中试放人成功，但还不能规模化生产。近年来 结合国外引进，进行复合反渗透膜的规模化生产，性能达到海水淡化要求【1 9 】。综 合来说，我国在反渗透膜、组件、海水预处理和后处理方面己基本实现或正在实 现国产化。但与淡化装置配套的余压能量回收装置仍全赖进口，且价格昂贵。由 于能量回收装置是反渗透海水淡化系统中的关键设备，能量回收装置急待研制和 开发。 1 9 9 7 年我国第一套日产5 0 0 吨淡水的反渗透海水淡化示范工程在浙江舟山 3 第一章绪论 嵊山岛建成，它的淡化水达到了饮用水的标准，造水成本为6 1 5 元吨【2 0 l 。最近 几年，大连长海、河北沧州、山东长岛等地相继建成了多个反渗透海水及苦咸水 淡化厂，系统能耗及造水成本进一步降低。从1 9 9 7 年至今已建成1 0 多处s w r o 淡化工程，能耗约为4 k w h m 3 ，总产淡水约3 万m 3 d 。目前我国已经具备了万 吨级海水淡化的工程能力，在建规模超过1 5 万1 1 1 3 d ，吨水成本已经由1 0 年前 的7 元左右降至现在的5 元左右，技术经济指标具有同等容量的世界先进水平。 随着装置规模的扩大、各种技术的进步和集成，制水成本仍有下降空间【2 1 1 。随着 缺水问题的严重，我国沿海各城市建立反渗透海水淡化厂的热潮正在兴起。 1 5 天津地区反渗透海水淡化技术发展及现状 天津市中国最大的淡水极缺的海滨城市，为了解决水资源短缺问题，长期以 来，市委、市政府采取了一系列措施，向大海要水、要资源是解决淡水资源短缺 所采取的重要措施之一。天津也是较早实施海水淡化的地区之一，海水淡化技术 在国内居领先水平。随着海水淡化应用的深入，天津海水淡化产业链正不断延伸。 2 0 0 3 年6 月，市科委组织建设的1 0 0 0 吨日反渗透海水淡化科技示范工程建 成并产出优质淡化水，成为本市第一个集成国内外先进技术的海水淡化工程，它 标志着本市在海水淡化和综合利用上迈出了重要的一步。科技示范工程坐落在天 津海晶集团塘沽盐场。该工程将发挥筛选和评价海水淡化技术与装备的作用，成 为国内第一个反渗透海水淡化科研平台，在加快产业化和相关设备国产化上具有 独特的地位，也是展示本市技术成果和成套能力的窗口，将为本市下一步建设大 规模海水淡化工程提供技术上与装备上的有利支撑【2 2 1 。 天津市海水淡化发展规划中提出，到2 0 1 0 年，初步建立起政府引导、 市场化运作的海水淡化建设和运营体系，以海水淡化、海水化学资源提取和海水 淡化成套装备制造为主要内容的海水综合利用产业成为高新技术产业的重要组 成部分，将本市建成我国海水淡化关键技术的研究开发中心，具有自主知识产权 的配套装备加工基地，海水淡化示范城市。 1 6 课题研究的意义和目的 s w r o 具有投资最低、能耗最省( 一般电耗4 - 5 k w h m 3 ) ，建造周期短等优 势，目前s w r o 已成为从海水制取淡水最有竞争力的方法，并且得到了广泛的 应用。但现在各个海水淡化厂成本参差不齐，无法起到指引作用。本课题研究中 主要从理论出发，在达到要求的产水水质和水量前提下，采用科学合理、简单可 4 第一章绪论 行的方法，通过在示范工程的基础上的改动进行比较，使其得出合理的制水成本， 为天津地区的反渗透海水淡化工程制水成本提供一定的参考，具有十分重要的意 义。 1 7 课题研究内容和方法 本文采用对比的方法，采用浙江省舟山市嵊山镇5 0 0 吨日反渗透海水淡化 示范工程的一系列处理流程和工艺，该工程的工程技术和主要经济指标均达到国 外同类工程的先进水平。在此基础上结合天津渤海湾水质的特点，适当改变某些 预处理工艺，得出具体结论。在一定程度上可作为天津地区反渗透海水淡化成本 的参考价格。与此同时，考虑到天津地区属于北方寒冷地区，冬季海水温度降至 3 时，产水量减少将近一半，如要保证供水量不变，则需将海水加温后再送入 反渗透淡化装置，这样又会增加装置投资，增大产水能耗。 第二章反渗透海水淡化系统 2 1 反渗透基本原理 第二章反渗透海水淡化系统 能够让溶液中一种或几种组分通过而其他组分不能通过的这种选择性膜叫 半透膜。当用半透膜隔开纯溶剂和溶液( 或不同浓度的溶液) 的时候，纯溶剂通 过膜向溶液相( 或从低浓度溶液向高浓度溶液) 有一个自发的流动，这一现象叫 渗透。若在溶液一侧( 或浓溶液一侧) 加一外压力来来阻碍溶剂流动，则渗透速 度将下降，当压力增加到使渗透完全停止，渗透的趋向被所加的压力平衡，这一 平衡压力称为渗透压。若在溶液一侧进一步增加压力，引起溶剂反向渗透流动， 这一现象习惯上叫“反渗透”或“逆渗透”。渗透是自发过程，而反渗透是非自 发过程。如图2 1 所示。 外加压力 ( a ) 渗透( b ) 渗透平衡 ( c ) 反渗透 图2 1 反渗透原理 ，2 0 世纪5 0 年代以来，随着醋酸纤维素膜淡化盐水研究的进展，先后提出了 多种反渗透脱盐理论。主要包括：优先吸附一毛细孔流动模型；溶解扩散模 型；形成氢键模型； d o n n a n 平衡模型；脱盐中心模型；表面力一孔留 模型等。其中优先吸附一毛细孔流理论和溶解一扩散理论影响最大，也是争论最 激烈持久的两种脱盐机理，在反渗透术语中称为有孔”和“无孔”之争。 2 2 反渗透过程基本方程式 反渗透的简单流程见图2 2 。给水通过压力泵升至一定压力，不断送至反渗 透装置的进口，生产出的产品水和浓水不断地被引走。溶解固形物由反渗透膜截 6 第二章反渗透海水淡化系统 留在浓水中，含盐量很低的产品水则有各种用途。 浓水 图2 2 反渗透简单流程图 ( 1 ) 渗透压渗透压万随溶质种类、溶液浓度和温度而变。对稀溶液渗透 压可按下式进行测算，即 = r 丁y c l j _ _ - 一 ( 2 - 1 ) 式中尺一常数，取0 0 0 8 0 3 9 m p a l ( m o l k ) ； 丁一热力学温度，k ；+ y c i 一各离子浓度总和，m o l l 。 对较浓溶液，上式要乘上一等渗参数，该系数可由溶液的蒸汽压或溶液的冰 点降低值加以估算【2 4 1 。就实用而言，苦咸水可采用上述公式，海水可采用由海盐 溶液获得的经验渗透压值。渗透压是选择操作压力和设计反渗透的重要依据。由 式( 2 1 ) 可算出，3 5 n a c i 的盐水渗透压约为2 8m p a 。 ( 2 ) 水通量，与元件平均驱动压成正比 j w = a ( a p a x )( 2 - 2 ) 透水量g绯：lx s = a x s x ( 曼尝一。一互2 翌+ 乃) ( 2 - 3 ) 式中咖一透过膜的水通量，l ( m 2 h ) ； q 。一透水量，l h ； 彳一膜的水透过因子，l ( m 2 - h - p a ) 5 s 一膜面积，m 2 ； 只一膜产水侧水体压力，p a ； 只一膜浓水侧水体压力，p a ； 万。一膜产水侧水体渗透压，p a ； 死一膜浓水侧水体渗透压，p a 。 7 第二章反渗透海水淡化系统 ( 3 ) 盐通量以与膜两侧平均盐浓度差成正比 s = b - a c , 透盐量q q ：以s ：b s ( 生妄鱼一c ，) 式中 妇一透过膜的盐通量，m g ( m 2 h ) ： q 一透盐量，m e h ； b 一膜的盐透过因子，l ( m 2 h ) ； s 一膜面积，m 2 ： c 。一膜产水侧的盐浓度，m g l ； c b 一膜浓水侧的盐浓度，m g l 。 ( 4 ) 透水量q ，与透盐量q 之比即为产出淡水的含盐量c ， ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 旷番 亿6 ， ( 5 ) 透盐率s p中空纤维膜组件的透盐率按下式计算 s p ：生1 0 0 ( 2 7 ) c f 卷式膜组件的透盐率按下式计算 妒：旦1 0 0 ：譬1 0 0 ( 2 8 ) c f mc f + c b 、 2 式中 c p 一膜产水侧的盐浓度，m g l ： 巳一膜浓水侧的盐浓度，m g l ； c ，一膜进水侧的盐浓度，m g l 。 ( 6 ) 脱盐率敛 跟= 1 一铲 ( 7 ) 回收率尺和流量平衡 尺：里2 l o o q ， q ，= g + q 8 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 第二章反渗透海水淡化系统 式中 q 一产品水流量，r a g l ； 巳一膜浓水侧的盐浓度，m g l ； c ，一膜进水侧的盐浓度，m g l 。 ( 8 ) 浓缩因子c f c f ：上 1 一只 ( 2 - 1 2 ) ( 9 ) 浓差极化因子c p f浓差极化因子为膜表面盐浓度值与给水区水体平 均盐浓度值之比，在系统各段末端该现象最为严重，其值控制上限为1 2 。用下 式表示 c 阿：! 立 ( 2 1 3 ) c f 式中 一膜表而的盐浓度，m g l ； 勺一膜进水侧的盐浓度，m g l 。 2 3 反渗透海水系统 反渗透法海水淡化( s w r o ) 系统通常包括三部分：预处理系统、反渗透系 统和后处理系统。 典型的海水淡化工艺如下图所示。 海 混凝剂p h 调节 添加剂 2 3 1 预处理系统 图2 - 3 反渗透法海水淡化系统的典型工艺流程 应用 为了确保反渗透过程的正常进行，必须对海水进行预处理。预处理的目的通 常为： 9 第二章反渗透海水淡化系统 除去悬浮固体，降低浊度； 抑制和控制微溶盐的沉淀； 调节和控制进水的温度和p h 值： 杀死和抑制微生物的生长； 防止铁、锰等金属氧化物和二氧化硅的沉淀等。 也就是说，反渗透系统的效率和寿命与原水的预处理效果密切相关。预处理 就是要把进水对膜的污染、结垢、损伤降到最低，从而使反渗透系统的产水量、 脱盐率、回收率、运行成本达到最优。预处理是否合格可根据下表进行判断。 表2 - 1预处理效果判断方法2 6 1 膜清洗频率预处理是否合理或适度 3 个月或更长 l 一3 个月 1 个月超过1 次 适度 可能需要加强预处理 确实需要加强预处理 在反渗透系统中，用来衡量反渗透器进水水质的一个很有用的指标就是淤泥 密度指数s d i 。它是指在一定压力和标准间隔时间( 通常为1 5 r a i n ) 内，一定体 积的水样通过微孔滤膜( 0 4 5 p m ) 的阻塞率。主要是检测水体中胶体和悬浮物等 微粒的多少。s d i 值与污染程度关系见表2 2 。 表2 - 2s d ! 值与污染程度关系【2 7 1 对中空纤维反渗透装置，要求进水的s d i 3 ：对卷式反渗透装置要求s d i 4 。 传统的加入化学药剂和二级过滤的预处理技术不一定能很好地去除海水中 的胶体类物质，导致处理表层海水的反渗透淡化系统的设计平均通量较低，一般 为1 2 1 4 l ( m 2 - h ) t 2 8 j 。同时也是导致淡化水回收率较低，仅为3 0 3 5 的原因之 一。有鉴于此，国内外从事反渗透行业的人不断致力于新型预处理工艺的研究开 发。新型微滤( m f ) 技术以连续微滤c m f r o 为代表【2 9 1 ，经c m f 过滤后s d i 小于2 ，颗粒粒径小于0 2 岬( 传统多介质过滤器为5 1 0 m ) 。以u f 作为r o 的预处理可构成u f r o 集成技术，新型的毛细管型u f 膜可以处理高度污染的 表层海水，可确保r o 在高通量和高截留率下操作。预处理能耗约为0 1 5 o 3 l o 第二章反渗透海水淡化系统 k w h m 3 ，淡化水成本约可降低1 0 1 3 0 1 。沙特s w c c 以n f 作为r o 的预处理， 以n f 透过液作为s w r o 的进料，开发了n f r o 、及n f r o m s f 集成淡化技 术。大幅度降低了后续s w r o 或的结垢可能性，非常有利于膜法海水淡化。新 型淡化系统的趋势是采用集成膜i m s ，即将微滤m f 、超滤u f 、纳滤n f 和r o 组合起来。i m s 系统具有可靠性高、对原水的水质变化相对不敏感、操作费用低， 且均为商品化组件式装置的特点。 2 3 2 反渗透系统 反渗透系统的主要组成部分包括：膜组件；高压泵；能量回收装置。 2 3 2 1 膜组件 膜组件是由膜元件、支撑物和容器按一定的技术要求制成的组合构件，其核 心是半透膜。从不同的角度可以分为不同的种类。 ( 1 ) 工业用反渗透膜按材质主要分为醋酸纤维素膜( c a ) 和芳香聚酰胺膜 ( p a ) 两大类。前者亲水性好、抗氧化性强、表面光滑、不易结垢和污染，而 后者有工作压力低、耐酸碱性强、耐生物污染、产水流量高、化学稳定性较好等 优点。但不耐氯及其他氧化剂，抗污染和抗结垢性能较差。 ( 2 ) 按膜的结构特点可分为非对称膜和复合膜。如c a 膜属于非对称膜， 而p a 膜多制成芳香族聚酰胺类薄膜复合膜。 ( 3 ) 根据成品膜的外形可制成卷式、板式、管式、中空纤维式的膜元件。 工业上应用最多的是卷式和中空纤维式膜组件，它们占据了绝大多数天然水的脱 盐和海水淡化市场。 ( 4 ) 按膜的使用和用途分，反渗透膜又可分为低压膜、超低压膜、苦咸水 淡化用膜、海水淡化用膜等。 用来装载膜元件的压力容器按不同的分类方法可分为不同的类型。 ( 1 ) 按压力等级可以分为1 5 0 p s i ，2 5 0 p s i ，3 0 0 p s i ，4 0 0 p s i ，6 0 0 p s i ，1 0 0 0 p s i ， 1 2 0 0 p s i 等。1 5 0 6 0 0p s i 的压力容器一般用在苦咸水脱盐的场合，1 0 0 0 1 2 0 0p s i 的压力容器一般用在海水脱盐的场合。 ( 2 ) 按制造材料可分为玻璃钢( f r p ) 类、不锈钢类和聚乙烯类，在大型 反渗透项目上一般采用玻璃钢( f r p ) 类压力容器，中小型项目多采用后两者。 ( 3 ) 按装载膜元件的数量可分为1 支装、2 支装、3 支装、4 支装、5 支装、 6 支装、7 支装、8 支装，通常装6 个膜元件的压力容器使用的最多。 第二章反渗透海水淡化系统 2 3 2 2 高压泵 反渗透系统的分离推动力是压力差，这种压力是由高压泵来提供的。因此， 高压泵是反渗透系统的关键部件，也是主要耗能部件。反渗透海水淡化系统中， 高压泵电耗占系统运行费用约为3 5 。所以，高压泵性能好坏对系统的脱盐成本 和正常运行有很大影响。反渗透海水淡化系统( s w r o ) 用的高压泵，主要有两 类：往复泵和离心泵。现今往复泵最大出水量人约为2 2 7 m 3 h ，超出此范围，就 要选用多级离心泵。 目前，我国反渗透脱盐系统所用高压泵大都是进口高压泵，表2 3 为几种进 口高压泵的型号及主要性能。 表2 - 3 进1 2 1 高压泵的型号及主要性能【2 5 】 2 3 2 3 能量回收装置 反渗透海水淡化时，回收率只有3 0 3 5 ，高j 玉浓盐水的排放量占进水流 量的6 5 7 0 ，压力一般从5 5m p a 降至常压。若浓盐水直接排放不利用，则 能量损失约为7 0 。为了降低能耗，减少海水淡化的操作费用，通常在浓盐水的 排放管路上安装能量回收装置。 目前能量回收装置从工作原理上主要分为离心式和正位移式两种，前者常与 高压泵串联使用，利用回收的余压能将通过高压泵的进料海水进一步增压到工艺 压力，与无能量回收器的系统相比，对高压泵出口压力要求降低，系统的能耗更 低；后者常与高压泵并联使用，利用盐水余压能直接增压部分进料海水，降低了 通过高压泵增压的进料海水的流量，提高了系统的经济性。尤其是正位移式余压 能量回收器，由于其高达9 0 的能量回收效率，近年来得到了快速的发展，已引 起越来越多人的关注，也成为广大科研工作者研究的重点1 3 1 , 3 2 。 余压能量回收装置的快速发展和在反渗透淡化系统中的广泛应用，被认为是 近十年来反渗透淡化技术最大的进步。目前国内的反渗透海水淡化厂所采用的能 量回收装置大部分都为美国p e i 公司的水力透平( h t c ) 和美国e r i 公司的p x 两种形式【3 3 1 。二者在s w r o 中的典型应用工艺如图2 4 和2 5 所示。 第二章反渗透海水淡化系统 高压泵htc 图2 - 4h t c 用于一级一段s w r o 系统进料增压 2 3 3 产品水后处理 图2 - 5 单个p x 在s w r o 系统中的应用 一般而言，不论使用何种反渗透设备，何种膜元件( 组件) ，对反渗透出水 通常都需要作进一步处理，处理的深度和形式主要取决于水的用途。通常海水通 过反渗透装置后，出水的总溶解固形物( t d s ) 含量为3 5 0 5 0 0 m g l 。 如果反渗透产品水用作饮用水，处理后应符合如下要求：符合国家饮用水 标准；t d s 5 0 0 m l ；加碱、石灰或通过石灰石滤床调节产水p h 值为 6 5 8 5 ，硬度( c a c 0 3 计) 为2 9 7 5m g l ；加氯杀菌。 2 3 4 反渗透海水淡化工艺 随着反渗透膜、压力容器技术、高压泵和能量回收装置的不断进步，s w r o 工艺也在不断地发展，主要工艺如下： 1 3 第二章反渗透海水淡化系统 ( 1 ) 二级s w r o 工艺 2 0 世纪7 0 年代，商用r o 膜的脱盐率仅为9 5 9 8 ，经过第一级淡化的海 水进一步进入第二级以制取饮用水，同时第二级的浓水返同第一级作为部分进 水。这时能耗很高，约为1 0 k w h m 3 淡水。 ( 2 ) 一级s w r o 工艺 2 0 世纪8 0 年代中期以后，r o 膜的脱盐率达到9 9 2 以上，海水经一级r o 处理后，产水即可作为饮用水，水回收率3 0 3 5 。 ( 3 ) 高压一级s w r o 工艺 这是近年来，为了进一步提高同收率而提出的新工艺之一。通常一级s w r o 的操作压力在5 5 m p a ，若操作压力提高到8 4 m p a ，可实现6 0 的系统回收率。 预处理海水量和试剂用量都可大大减少，新建的s w r o 厂可采用此工艺。 ( 4 ) 高效两段s w r o 工艺 这也是提高回收率的新工艺。在传统一级两段工艺段间设增压部分，第一段 的浓海水经增压和最终的能量回收部分相结合进入第二段，可使回收率达到 6 0 。该工艺不仅适合新建的s w r 0 厂，还可以将以前的一级s w r o 厂增设第 二段。 ( 5 ) s w r o 与多级闪蒸( m s f ) 或多效蒸发( m e d ) 集成 阿联酋的f u j e i r a h 水电联产厂就采用s w r o 与m s f 集成技术，使工厂的生 产更灵活，水的成本更便宜