（环境工程专业论文）天津万吨级海水淡化工程预处理工艺的研究.pdf

中文摘要 天津是中国最大的淡水极缺的海滨城市。目前设计和兴建的天津经济技术开 发区万吨级海水淡化预处理工程，可以有效地解决开发区未来发展对水资源的需 求问题。渤海湾地区海水低温低浊度、有机物、胶体物质、悬浮物以及细菌等较 其他海域高，属于海水第类水体的水质。本论文即是针对渤海湾海水的水质， 开展对该海水预处理方法及工艺的研究。根据该海水水质和天津的条件，初步筛 选出强化化学混凝、物理消毒和膜滤等单元处理方法为具体试验研究对象，分别 考察它们对浊度、悬浮物、u v z 科、c o d m 。和细菌的去除效果。通过研究确定一套 适合于天津万吨级海水淡化预处理工程应用且经济可行、运行稳定的最优工艺方 案，为该工程预处理工艺的设计提供依据 强化混凝实验即是将f e c l 3 6 h 2 0 、聚合氯化铝( p a c ) 和聚丙烯酰胺( 陬m ) 三者 复配应用。正交实验表明，当f e c l 3 - 6 h 2 0 、p a c 和p a m 的投加量分别为4 r n g l 、 0 5 m g l 和0 3 m g l ，反应温度为1 5 时为最佳组合工作条件。三者对浊度去除率 影响的主次为：f e c l 3 投加量，p a m 投加量，p a c 投加量和温度。在该工作条件下， 浊度的去除率为9 6 ，c o d m 。的去除率为4 0 0 0 ，u v z 斟的去除率为1 9 。 采用紫外线( u v ) 、臭氧( o 曲、脉冲电解海水以及臭氧- 紫外线( 0 3 - u v ) 协同等 方法对海水中的细菌进行消毒实验的结果表明，单独使用任何一种消毒方法均存 在反应时间长的缺陷。而采用u v - 0 3 协同消毒，在反应时间为2 0 r n i n 时，细菌去 除率可达到9 5 3 7 。正交实验结果表明，当岛剂量为2 r a g m i n l 、u v 辐照时 间和o b 的接触时间均为1 0 r a i n ，u v 辐照剂量为1 2 w l ，p h 值为8 8 3 时为最优的 工艺条件。它们对细菌去除率影响的主次为：0 3 流量，u v 照射时间，臭氧反应时 间，p h 值。 对“聚合硫酸铁( p f s ) 混凝+ 粉末活性炭吸附( p a c ) + 微滤膜( m f ) 过滤” 组合法进行实验的研究表明，p f s 和p a c 的投加量分别为5 m g l ，1 8 9 l 时，浊 度在9 5 0 0 的保证率下小于0 1 n t u ，c o d a 。的去除率为2 5 , , - 5 7 ，最高值没有超 过3 m c j l ，s d l l 5 在2 2 5 之间，出水总铁平均值为0 0 4 5 9 9 l 。该工艺的出水水 质优良，完全满足反渗透膜的进水水质要求。同时，p f s 、p a c 的投加和紊动的水 力条件有效的缓解了膜污染的问题。 最后，对“辞u v 消毒+ 强化混凝+ 沉淀”和“混凝+ 活性炭吸附+ 微滤”两种 预处理丁艺进行比较，确定以“0 3 _ u v 消毒+ 强化混凝+ 沉淀”t 艺作为该工程的 推荐工岂。经成本核算得出，单俯运行成本分别为0 4 1 1 元，m 3 ，比常规“混凝+ 消 毒+ 沉淀”成本下降了0 0 4 9 y r _ , m 3 。日有效地提高了出水水质。 关键词：反渗透海水淡化，强化混凝，消毒，微滤 a b s t r a c t t i 刮i ni sa 麓姗d m w h i c hi st h ei 暂g e s ts h o r to ff r 箦1 1 w 重甘r e $ o h r t h ed e s i g n a n dp r o p d - b u i | i p r o je c i 巾a n j i nt e d as e v 利t h o u s a n d st o n s - s c a l es e e w 打 d 利o n 州e d 湖e f f e c t i v d ys o l v et h ep r o b l e mo fl h ef u i u r ew 打d e m m df o r t h eb i n h a in e wa r 阻c o r n p 删w i i ho i h 日9 篦巨b o h 百s e aq u d i i si vg r a d e w i t ht h e c h 可a c l e r i 或l co fl o wt u 嘣d i t ya n d t e m p e r a t u r 皇h i g h e ro r g 钔i s n l ，h i g h e re o l lo i d sh i g h e r 剐s p 鲫j e ds o l i d s a n db a c t e r i ddd t h i s t h e s i s w i l ls i u d yl h e 皑r e e t r n e n tt e c h n o l o g y a n dp r o c e s sf o rb o h as e ai nt 日r n so r w a e rq u d i ma c c o r d i n gt ot h es e e w 打 q u a i l ya n dt h e n d i l i o no f1 1 a n j i nb i n h a in e wa r e b , t h e 囊u d yw i l lo o r l c e r n t h e u n i t w o c e s so f h a n c e d 妁u d j o n ，p h ys i dd is i n f e c t j o na n dm e m b r a n ef j i t r a t i o n t h e r e m o v de f f e do f t h e t u r b i d i t y ，s s , c o d m na n d b a c t 酣ds h a ib e 文u d i e d f o r t h e p u r p o s e o f c o n f i r m i n g a b e s t p r o c e s s 姗w i t h f l 以i b l e e c o n o m y a n d 曩a b l e o p e r 矗i o n f o r t h i s p r o j e c t m e e n w h i l 岛t h e 囊u d yr e s u l tw i l lp 州i c i et h ed e s g nb a s i sf o rt h i sp r d r e a t m o l t p r c ! ie c i e n h a n c e d c o a g u l a i o n m e 钔s t o g d h e r u s e d t h e f l o c c u l 钔t sa f f e c l 3 ，p o t y - c h i 硎d e ( 陬c ) m dp o l y a c r y l a m i d e ( 陬m ) t h er e s u l t 0 fo r t h o g o 叫s 1 3 0 w st h 曩t h eb e s tw o 水i n g n d i t i o ni st h ed o s a g ea ff e c l 3 ，陬ca n dp a m a - e p 甘纠v d y4m o i l ，0 5 r n g la n d 0 3 r n g la n dt h er e e c t i o nt e m p e r & u mi s1 5 t h em a n i n f l u e n tf a c t so ft h e mf r o m t h eh i g h e s tt ot h el o w e s t 可ef e c l 3d o s a g e ，队md o s a g e , f a cd o d g ea n dt e r n d e r a u r e i nt h i s 篙t h er e m o v da ft u r b 4 d j t y ，c o d m na n du v 2 5 i a 陀麓p e r a t i v d y9 6 ，4 0 a n d 1 9 t h er e s u l t so fu v ，0 3 p u l d e d r d ys i sa n d0 3 - u vd is i n f e d i o nf o rt h eb a c t 并i di nt h e s e a w 打蚋a w s l h a t h er e a c t i o n t i m e i s r d 酬v d y i o n g w i t h 百n g l e d is i 而烈i o n m e t h o d h o w 洲, t h er e s u l to fb a c t 日i dr e m a v dw i t h0 3 - u v 1 1 a b o r t i v ed 昏n f e c t i o nc a nu p t o9 5 3 7 w h e n i h er e a c t i o n t i m e i s 2 0 m i n a n d t h er e s u l io f o r t h o g o n dn a 【笛t h d t h e b e s to p e r 矗i o n dc o n d i t i o ni st h 萏t h e0 3d o s a g ei s2 m g m in ，l u vd o s a g ei s1 2 m l ， u v r r 利矧o nt i m ei s1 0 州n ，0 3r e a c t i o nt i m ei sl o m i na n dt h ep hv d u ei s88 3 t h e m a ni n f i u e n tf a c t so ft h e mf r o mt h eh i g h e s tt ot h el o w e s t 可e 0 3f l o w ，u vi r r 刮i 绷o n t i m 色侥r e a c t i o n t i m e a n d t h e p hv d 屺 a st ot h ep r o c e s so fp o l y s u l f a t e ( p f s p o w d e r e da c t i v ec a r b o n ( p a c ) m i c r o f i l t r a t i o n ( mf ) ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h et r e a t e dw a t e rq u a l i t yc a nm e e tt h en e e d so ft h ei n l e t w a t e rq u d i t yo fs e a w a t e rd e s a l i n a t i o nr e v e r s eo 删s ( s w r o ) w h e nt h ep f sa n d p a cd o s a g ea r es e p e r a t i v e l y5 m g la n d1 8 0 d e i nt h i sc 楚t h er e s i d u a lt u r b i d i t yi s 0 1 n t ua t9 5 g u a r a n t e e dr a t e , t h e d m nr e m o v a li sb e t w e e n2 5 5 7 a n dt h e h i g h e s tv a l u ei sl e s st h a n3 m g n t h es d l l 5i sr s t l g e df r o m2t o2 5a n dt h ea v e r a g eo f t o t a lf e r r o u si r o ni s0 0 4 , 5 t a g l m e a n w h i l e , t h ed o s a g eo fp f - s 阻ca n dt h et u r b u l e n t h y d r a u l i c c o n d i t i o ne f f e c t i v e l ye a s e t h e p r o b l e mo fm e m b r a n e p o l l u t i o n f i n a l l y a c o m p a r i s o n 神m a d eb a t w e 日l t w o p r e t r e a t n s s n tp r o c e s s e s - o r u v d i s i n f e c t i o n + e n h a n c e dc o a g u l a t i o n + s a t t l e r n e n ta l dc o a g u l a t i o n + a d o r p t i o nb y p o w d e r e da c t i v ec a r b o n + m i c r o f i l t r a t i o n t h er e s u l is h o w st h a tt h e p r o c e s so f 0 3 - u v d i s i n f e c t i o n + e n h a n c e dc o a g u l a t i o n + s e t t l e m e n ti sw i t ht h ed n o r i t ya p p l i e di n t h i s p r o j e c t a c c o r d i n g t o t h e c o s t a c c o u n t i n g ，t h er e s u l t s s h o w s t h a t t h e o p e r a t i o n a lc o s t p e rt o ni s ￥0 4 1 1w h i c hi si e s st h a nt h ec o s to fc o e j u l a t i o n + d i s i n f e c t i o n + s e t t l e r n e n t p r o c e 篱( ￥o 0 4 9 ) a n d t h e o u t l e t q u a l i t yi s h i g h l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：s w r o ，e n h a n c e dc o a g u l a t i o n ，d i d n f e c t i o n ，m f 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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。 期：硎f 呼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 、 签名： 虹丛 导师签名： 日期：弘喏拶 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 水资源问题 第1 章绪论 我国淡水资源总量不少，但人均拥有量偏低。河川径流总量居世界第六位。 仅低于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印尼，但按人均和亩均占有量都低于世界 平均水平人均量为世界的1 4 ，亩均量也只有世界亩均量的3 4 。我国水资源的 主要特点为：地域分配不均。降水量和径流量集中在东南沿海，而几乎占一半 国土的西北内陆均属于干旱或半干旱地区。降水时间集中。每年约4 个月的汛 期，降水量和径流量占全年的6 0 0 旷8 0 ，这就导致年径流量最大与最小的比值， 从南向北达到2 4 倍至1 52 0 倍。至于丰水年与枯水年，除了总降水量有很大差 别之外，这种比值将会更大。由此可知，人均总水量的不足再加上降水量在时间 和地域的严重不均，给经济发展带来了巨大的困难。根据2 0 0 0 年中国水资源公报， 我国北方城市缺水极为严峻，一些大城市出现了建国以来最为严峻的缺水局面。 据统计，我国6 1 0 个中等以上城市，不同程度缺水的就达4 0 0 多个，其中百万以 上人1 3 的大城市中，有3 0 个长期受缺水的困扰。北京的人均水资源不足2 0 0 r n 3 仅为全国人均水平的1 8 ，世界人均水平的1 3 0 。环渤海经济圈，包括津、沈等城 市及辽东半岛和山东半岛，人口高度集中、经济高速增长，缺水问题已经成了这 些城市经济增长与可持续发展的制约因素，对个别城市甚至是持续生存的关键。 世界的缺水情况也是显而易见的。联合国人口基金会的专家指出，目前世界 有5 亿人口引用不上清洁水，到2 0 2 5 年这个数字将暴增5 倍以上，达到2 8 亿， 约占届时预计全球人口8 0 亿的3 5 。那时淡水危机真的会到来! 据目前的统计，世界上最缺水的2 0 个国家主要在中东和北非。然而，实际上 除了上述最缺水的国家之外，其他地区以及水资源相对丰富的国家都有不同程度 的缺水问题。保守统计，在2 1 世纪初期，仅地中海周围地区每天就缺水1 0 0 0 多 吨，而亚洲和中南美等的缺水量业将达到每天几千吨。 上述情况反映出，水在某些地方已经成为生死存亡的问题；而在另一些地方 ( 如欧、美和亚太地区) 则要遭到生活质量降低的考验。因此，对水资源的开发 和利用需重新寻找多种途径，如继续找水，远途调水，废水回用，制定政策节约 用水等。然而要利用现代技术大规模开辟新的水源，则首推海水淡化。事实上这 已经确定无疑的成了全世界的必然趋势。只不过各国各地区问题的严重程度不同 和反映的早晚不i - j 而已。进入2 0 世纪9 0 年代水源危机日益突出，大多数国家都 武汉理工大学硕士学位论文 直接、间接地卷入了海水淡化的发展潮流。无论暂时的成本如何提高，各国都在 努力发展或做发展的准备。 表1 1 世界水储量1 1 1 水储量占总储量比占淡水储量比 类别循环更替周期 ( 万k m 3 ) ( )( ) 海洋水1 3 3 8 9 6 5 4 2 6 0 0 正 地下水 2 3 4 01 6 9 深层地下水 咸水 1 2 8 7 0 9 31 4 0 0 1 芷 其中 淡水 1 玛0 7 63 0 0 6 土壤水 1 6 50 0 0 10 0 51 年 冰川及永久雪盖2 4 0 6 4 1 1 7 46 8 7 0 南极 2 1 6 06 1 7 极地冰川 格林兰岛 2 3 4 6 7 9 7 0 0 年 其中 北极岛 & 3 5o 2 山脉 4 0 6o 11 6 0 0 焦 永冻土底冰 3 0 q 0 2 20 8 61 0 0 0 0 盆 湖泊水 1 7 6 40 0 1 31 7 年 咸水 8 5 4 其中 淡水 9 1 00 2 6 沼泽水 1 1 4 7o 0 0 0 80 0 35 笠 河网水 q 2 1 2o 0 20 0 0 6 1 6 天 生物水 q 1 1 20 0 0 0 1o 0 0 3 几小时 大气水 1 2 9q 0 0 10 0 4 8 天 总计 1 3 8 5 9 8 4 61 0 0 0 由表1 1 可知，在世界水储量分布中，海水占据地球表面各种水储量的9 6 5 4 ，在淡水资源极为短缺地情况下，海水资源非常的丰富。因此，发展海水利用 技术缓解水资源匮乏的问题是今后给水处理领域发展的必然趋势，向大海要水是 解决经济发展与资源短缺矛盾的必经之路。海水淡化作为现有水源的有f f j * l 充措 施，存很大程度卜解决了音【：分地区的缺水状况，尤其奋中东地【x 和许多岛屿，淡 化水已成为其基本水源。海水淡化作为一。种高新技术具有不受时空和气候影响， 水质好、供水稳定等特点，非常符合环境保护的要求。淡化后的水质清洁无菌， 2 武汉理工大学硕士学位论文 犹如纯净水，含盐量远低于普通饮用水，可以很好地解决人们尤其是沿海地区居 民的饮水问题。利用海水淡化作为城市生活和工业用水中的中水，可以大量节约 新鲜淡水。 1 2 海水淡化产业的现状、前景和远程引水的对比 目前在国内，不考虑初期的基建投资，淡化海水的成本为4 1 5 - 8 1 0 元，吨，而 目前城镇居民生活用水的水价为1 1 4 - 3 9 0 元，吨( 福利性水费) 。淡化海水在价格 上无法和福利性的水费相比，没有办法同市政供水竞争，但这都是政府部门巨额 补贴为前提的。国际上一些发达国家和严重缺水的富裕国家已制定向大海要水的 计划，在海湾的一些产油国家，海水淡化已被列为城市的基础设施之一。不难想 象，随着我国经济建设的不断发展，淡水来源也会逐步地转向大海，利用海水淡 化技术制取淡水将成为一个巨大的市场，这对于水行业走向市场经济来说是一个 很好的机会。 表1 2 全世界淡化厂现状及造水量分析表 2 1 分布区域淡化厂数造水量( m 3 d )所占比例( ) 中东地区 1 6 88 9 1 2 8 5 6 5 4 9 0 美国 1 1 0 8 8 2 3 7 2 4 9 01 4 6 1 欧洲 9 2 7 1 4 6 0 2 7 68 9 9 亚洲 1 0 1 7 1 2 8 1 5 2 87 8 9 非洲 5 2 1 1 0 6 1 8 8 96 5 4 中美洲加勒比海地区1 6 84 0 4 4 7 22 4 9 俄罗斯5 13 8 5 1 9 12 3 7 北美洲( 除美国) 9 91 2 9 7 7 b o 8 0 澳洲 7 69 2 8 6 20 5 7 南美洲 7 27 2 e 污7 0 4 5 其他 3 86 2 0 f j 3 0 3 8 总计 5 3 7 8 9 0 1 41 0 0 如表1 2 所示，目前全世界已有许多国家和地区利用海水淡化技术作为生活用 水的来源。尤茛是以巾东地瞬的占据量为多。 我国拥有约3 0 0 平方公里海洋面积，1 8 0 0 0 多公里长的海岸线，是个海洋大国。 3 武汉理工大学硕士学位论文 近十年来我国政府对利用海水淡化已经越来约重视，已将其作为可持续开发的示 范推广技术列入中国2 1 世纪议程。中国海洋2 1 世纪议程也已经把发展海 水淡化技术和建立海水淡化示范工程并在有条件的地区推广，列为优先发展项目。 据统计到2 0 0 0 年后，我国沿海地区新增电力将超过3 5 0 0 万千瓦，若采用海水制 取淡水的方式，不但可以解决水资源的困难，而且可能发展相关连带产业，造就 海水淡化产业和市场，将会具有良好的综合效益。目前国内海水淡化从已建的工 程来看，总体处理规模比较小。 尽管如此，人们对由海水制取淡水仍持观望和等待的态度很多人认为引水 的费用要远低于制取淡化水的费用，其实不然 首先，从投资费用方面来讲，如中东产油国建广泛采用的m s f 淡化的投资费 用大约为2 0 0 0 美元m 3 d 。关于远程引水的投资费，如约旦的引水工程，从南部的 d i s i 引水到首都安曼，距离大约3 0 0 k m ，每年引水量1 亿m 3 ( 2 4 7 万m 3 d ) ，总投 资6 亿美元，相当于2 1 9 0 美元m 3 d 。若该引水工程采用管道输水，如采用明渠引 水，其投资费要低得多。但明渠引水的沿程损失很大，还要考虑到大量土地征用 费，需投入更多的管理人员。我国从长江引水到华北京津地区，采用明渠引水， 有相当一部分水会跑漏掉。 其次，从能耗方面来讲，根据g o r d o nf e i t n e r 的报道，管道引水工程2 5 0 k m ， 引水规模1 3 6 0 0 0 m 3 d 时，所需的能耗与s w r o 的能耗相同。这就意味着，对于沿 海城市，当引水工程距离超过2 5 0 k m 时，远程引水不如海水淡化节能。 再次，从成本上来讲，海水淡化的成本受诸多因素影响，包括投资来源、管 理体制、选用的工艺、开工率、淡化水质要求、地理气候、当地能源价格、基础 设施的建设、税收政策等等因素。其中，淡化工程的管理体制对淡化水的成本有 着更大的影响。国外典型的海水淡化工程，较多采用b o o 或b o o m 合同，即建 造、产权、运行管理，维修均有开发商承包，改变过去公共事业的管理模式，工 程简化为开发商卖水，公共事业部门买水的关系，买方只要部分投资甚至不完全 投资。由于一体化的管理，大大提高效率，成本也降低了3 0 5 0 。b o o 海水 淡化的成本大约0 7 美元，m 3 ，这是真正的成本，它不是估算的，是承包商卖水的 出厂价，明显低于非b o o 合同的成本。对比国际上一些国家的自来水价格1 3 ，海 水淡化的成本是可以接受的。表1 - 3 是世界银行的水和环境卫生首席专家a n d r o w m a c o u n 报估h 的关于海水淡化和引水的成本比较。 4 武汉理工大学硕士学位论文 表1 3 海水淡化和引水的成本比较 项目 成本( 美元，m 3 ) 淡化水 0 7 - 0 9 管输进口水 1 5 2 5 海运进口水0 7 1 4 海水淡化能使陆地上淡化资源总量增加，有利于陆地水环境的改善，与我国 规模浩大的南水北调东线相比( 见表1 - 4 ) ，由于有丰富的储量，因此海水淡化技 术是解决水资源短缺更为有效的途径。 表1 - 4 沿海地区使用引江水与海水淡化比较 项目南水北调东线 海水淡化 海水淡化项目投资很大，如 过黄河3 0 x 1 0 8 m 3 左右的中 果沿渤海湾建立若干大型海水 一次性投资 等规模，黄河以北投资6 0 亿淡化厂，年产淡水总量达到 元人民币 ( 2 3 ) x l o s m 3 ，估计投资约 1 5 0 亿人民币 成本0 5 1 0 元，m 35 8 元，n 1 4 水质i l 一川类水质可达到i 类1 级水质 沿海及内陆城市，还可以 局限于沿海城市和附近小城 供水范围包括农村，东线可供水面积 镇，对应东线调水范围，合理 的供水面积( 以距海岸l o o k m 约4 5 x 1 0 4 k r n 2 计) 约为1 5 x 1 0 4 k n f 管理较复杂，需要政策和 供水系统可大可小，每个系 运行管理 统可独立运行，易管理；便于 法律支持，需要政府协调 依靠市场机制筹建和运行管理 线路占用耕地，需要少量 对经济和社 房屋拆迁和移民；给沿线带 很少占地；解决沿海严重缺 会的影响来一些就业机会；促进受水 水地区的饮水问题和工业发展 区整体经济社会的发展 用水 对调出区可能存在一些不 对生态环境利影响：对受水区生态环境 基本无不利影响；有利于用 的影响 改善有很大好处，包括恢复水城市生态环境的改善 地下水和湿地，改善水污染 5 武汉理工大学硕士学位论文 最后，从引水工程的负面影响来讲，远程引水虽然可以解决京津等大城市的缺 水问题，但从黄河中上游大量引水，其负面影响将是很大的不仅影响部分中上 游地区及部分下游地区的经济发展，也可能给下游地区的生态环境产生严重的后 果，加剧一些地区土地的盐碱化、生物种群的变化等，其代价将是难以估计的。 另一发面，若采用先进的反渗透方法把水中大部分的致癌突变物的有机物质如氯 气消毒过程产物的卤代烷、病毒、细菌均被截留，淡化水中也无农药、除草剂、 洗涤剂等。因而淡水水质非常优良，这是一般自来水水质无法达到的阿。 1 3 海水淡化的意义 如上所述，与淡水紧缺的情况相比，海洋面积占地球总面积的7 0 8 ，海水 占地球总水量的9 6 5 4 ，是地球上近乎“取之不尽，用之不竭”的水资源。若能 将海水作为饮用水的基本资源，水资源的危机将得到根本解决。所以海水淡化将 是解决水源不足的根本途径，由此淡化水的价值也就不能单纯以它的价格来衡量。 海水淡化不仅是某一国家、某一地区、某一时间的局部问题，而是世界范围内涉 及到人类生存和社会发展的长远而重大的问题。总的来说，海水淡化的意义主要 有以下几点： ( 1 ) 可以根据所需地点，所需时间、所需水量及水质进行生产，为淡水需要 量的不断增加提供保证； ( 2 ) 提供某些特殊用水，如船舶与海岛用水，以及特定技术要求用水等，有 利于海防建设和提高军舰的续航能力，保证国家安全； ( 3 ) 为开垦荒漠，发展缺水地区的工农业生产提供了条件； ( 4 ) 利用淡化方法除去水中某些危害人体健康的成分( 如氟等) ，提供卫生 饮水； ( 5 ) 淡化技术的发展，也丰富和发展了其他生产过程中的分离技术，如海水 浓缩制盐，海水综合利用，工业肥水及有害废水处理，酸、碱液的回收，以及医 药、食品的精制、纯化等，淡化技术在这些生产部门中，正获得日益广泛的应用。 ( 6 ) 淡水生产还可以和工业废热利用，剩余电力相结合，使能量达到合理有 效的利用。 1 4 海水淡化技术 从上世纪5 0 年代中期以来，海水淡化技术得刨了迅速的发展。现在，海水淡 化己不是一种实验技术，而是一种可靠的上业门类悯。到1 9 9 8 年，全付界海水淡 6 武汉理工大学硕士学位论文 化生产能力达到e l 产2 3 0 0 x 1 0 4 m 3 ，两年后的2 0 0 0 年则日产2 7 0 0 x 1 0 4 m 3 ，到2 0 0 2 年初日产量达3 2 4 0 1 0 4 m a i n ，而且还以1 0 3 0 的年增长速度攀升。目前，全 世界单机日产量在1 0 0 t 以上的淡化装置其总的生产能力超过了3 x 1 0 8 m 3 d 嘲。从地 区分布来讲，虽然淡化水生产能力半数以上都在中东国家( 约占2 0 0 0 年世界淡化 水生产能力的5 2 ) ，但发达国家特别市美、日和欧洲国家业占了很大比重。同时， 淡化水已养活了世界上1 亿多人口 海水淡化技术经过半个世纪的发展，从技术上讲，已经比较成熟，大规模把 海水变成淡水，已经在世界各地，主要是海湾地区出现。尽管海水淡化方法主要 有蒸馏法( 多级闪蒸( m s f ) 、多效蒸馏( m e d ) 和压气蒸馏( v c ) 等) 、膜法( 电 渗析( e d ) 、反渗透( r o ) 、膜蒸发等) 、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等多 种。但多年的实践证明，大规模的淡化海水目前只有多级闪蒸、反渗透和多效蒸 馏等几种方法，而且今后几十年仍将保持这种局面唧。但海水淡化技术仍在不断发 展和创新，新的海水淡化技术如真空冷冻法、吸附法、太阳能蒸馏法、核能海水 淡化法及碳气溶胶法等新的研究成果在不断涌现。 1 4 1 多级闪蒸( m s f ) 多极闪蒸( m s f ) 是多级闪急蒸馏法的简称。其过程原理是：将原料海水加 热到一定温度后引入闪蒸室，由于该闪蒸室中的压力控制在低于过热盐水温度所 对应的饱和蒸汽压的条件下，故热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速地部分 气化，从而使热盐水自身的温度降低，所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。多 级闪蒸就是以此原理为基础，使热盐水一次流经若干个压力逐渐降低的闪蒸室， 逐级蒸发降温，同时盐水业逐级增浓，直到其温度接近天然海水温度。多级闪蒸 装置及其流程见图1 1 。 多级闪蒸的水处理厂通常维持盐水集管的出口温度在9 0 一- 1 2 0 ，出口温度越 高，热效率越高，但是结垢的潜在危险性越大，而且高温会加速金属表面的腐蚀。 多级闪蒸法( m s f ) 的优点是设备构造简单。锅垢危害较轻，所需热源仅为 低压蒸汽，特别适合于大型装置。它的缺点是设备较庞大，海水循环量大，造水 比较小，浓缩率较低1 1 q 。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 多级闪蒸流程示意 f i g 1 - 1s c h e m a t i cf l o wc h a r to fm s ft e c h n o l o g y 1 一加热器；2 一热回收段；3 一排热段：4 一海水；5 - - 排冷却海水：6 一进料 水；7 一循环盐水；8 一加热蒸汽：9 一排浓盐水；1 0 一蒸馏水；1 1 一抽真空 1 4 2 多效蒸发( m e d ) 多效蒸发( m e d ) 系由单效蒸发组成的系统。m e d 和m s f 采用同样的逐级 减压蒸馏的原理有一系列蒸发室。除第一级蒸发室外，其他蒸发室不需额外能量。 第一级蒸发室只有部分海水蒸发，其余海水进入二级蒸发室。二级蒸发室的加热 管是由一级蒸发室的蒸汽提供热能。蒸汽部分冷凝成淡水后继续进入下一级蒸发 室。海水通常由最后一级蒸发室进入，逐级流向第一级蒸发室，在每一个蒸发室 内除了可蒸发浓缩外，还进行了预热，这样亦可减少其达到第一蒸发室后蒸发所 需的热量 1 1 1 。采用m e d 法的大型海水淡化处理厂多采用8 1 6 级蒸发。图1 - 2 为 多效蒸发流程示意图。 虽然多效蒸发的历史要比闪蒸长得多，也是化工过程最古老的单元操作，但 它只是在低温多效技术开发出来之后才成功的用于海水淡化。所谓低温多效海水 淡化技术( l t m e d ) 是指盐水的最高蒸发温度低于7 0 的淡化技术，从而避免 和减缓了设备的腐蚀和结垢问题。由于盐水的蒸发温度低，使得使用廉价传热材 料成为可能。低温多效系统用于输送液体的动力消耗很低，只有0 9 k w h m 3 , 1 2 k w h m 3 左右，因此可以大大降低淡化水的制水成本；m e d 海水淡化出水水质好， 产品水的含盐量小于5 m g l ，若达剑如此高的水质，必须采用两级反渗透。然而， 由于低温操作时蒸汽的比容较大，使得设备的体积较大，兀形中增加了设备的投 资；而且盐水蒸发温度不能超过7 0 c 也成了该技术进一步提高热效率的制约因素。 8 武汉理工大学硕士学位论文 蒸 汽 图1 - 2 多效蒸发流程示意 f i g 1 - 2 s c h e n a t i c f l o wc h 酊o f m e d t e c h n o l o g y 1 4 3 压气蒸馏( v c ) 压气蒸馏( v c ) 主要适用于中、小型海水淡化装置【1 日。它也称为蒸汽压缩 蒸馏或热泵蒸发，其原理是将蒸发过程自身产生的二次蒸汽，经压缩机稍加压缩 提高压力和温度，再作为加热蒸汽使用，如图1 - 3 所示。其设计思想是为了提高热 功效率。而多效蒸发过程中所消耗的绝大部分热量( 6 0 9 0 ) 都用于提高海 水的热焓，使海水气化，而高热焓的二次蒸汽并未充分利用，因为最后高热焓的 蒸汽( 二次蒸汽) 还是废弃了。压气蒸馏不需要外部热源，操作时仅在开工之初 需外界引入少量加热蒸汽起动，以后便可利用二次蒸汽自动蒸发。 v c 法的优点是其所需要的能量仅仅是驱动压缩机和工艺水泵的能量，不需要 补充额外的能量，其所需要的仅仅是电能，具有单一方便的特点；其次，v c 结构 简单紧凑，在特定的条件下具有良好的节能效益；另外，与m s i = 和m e d 不同的 是，v c 不需要冷却水。因此，v c 适用于水源缺乏和供气不便的地方一级中小规 模的废水处理、化工蒸发和蒸馏水生产等用途。但其机器维护不易，结垢较严重。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 3 压气蒸馏( v c ) 原理 f i g 1 - 3s c h e m a t i cf l o wc h a r to fv ct e c h n o l o g y 1 4 4 电渗析( e d ) 电渗析( e d ) 是利用具有选择透过性的离子交换膜在# 1 口1 1 直流电场的作用下， 使水中的离子定向迁移，并有选择性地通过带有不同电荷的离子交换膜，从而达 到溶质和溶剂分离的过程。电渗析主要有频繁倒极电渗析( e d r ) 、填充离子交换 树脂电渗析法。电渗析过程对不带电荷的物质如有机物、胶体、细菌、悬浮物等 无脱除能力。因此电渗析用于淡化制备饮用水不是最理想的方法1 1 3 1 。在海水、苦 咸水淡化诸多方法中，蒸馏法占据4 2 2 的市场份额，反渗透发占有4 3 1 ，而 电渗析法仅占4 1 的市场份额。海水电渗析用于废水处理，可回收生产冲洗用水 或工艺用水。目前海水淡化一般不推荐使用电渗析法。 1 4 5 反渗透淡化法( s w r o ) 反渗透是( r o ) 一种以压力为驱动力的膜分离过程。如图1 - 4 所示。 盐水淡化是反渗透技术主要应用领域之一。与传统的蒸馏法相比，反渗透海 水淡化过程不发生相的变化。根据热力学计算，常温下用反渗透法淡化海水的最 低能耗仅为0 7 k wh m 3 左右。因此，从理论上讲，它是最节能的海水淡化方法【”。 s w r o 技术由于设备投资省、能量消耗低、建设周期短等诸多优点，近1 0 年来发 展迅速很快，目前世界上最大的s w r o 厂是杜邦公司在a ij u b a i l 建立的 0 2 x 1 0 6 m 3 ，d 的淡化厂，总能耗为5 9k wh ，m 3 淡水【“。可以预计，在2 1 世纪将与 蒸馏法一起成为商水淡化的主导技术【16 l ，在世界海水淡化市场，与有3 95 的份额 1 7 1 并 反渗透装置的装机容量以接近1 0 x 1 0 4 r n 3 d 的速度逐年递增，装置也向大 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 型化方向发展。但随着该技术的成熟和广泛的应用，其过程操作对环境的负面影 响也日益明显和突出，同时其产水成本与传统的市政供水价格相比仍较高1 1 司。 鞭斡静木 麓蔷葳堆 l 蕊) 簇鬻辫 蠛缫 图1 4 海水淡化反渗透过程 f i g 1 - 4p r o c e s s o fs e e w a t e rd e s a l i n a t i o nr o s w r o 淡化过程操作参数中，回收率对于系统投资和运行费用的影响很大1 1 铘。 通常淡化系统的回收两次为4 0 4 5 。s w r o 膜的材料主要有在芳香族聚酰胺 和醋酸纤维素两大类。当然，不同的膜材料对料液的水质要求不同。用于反渗透 的膜组件的基本形式有板框式、管式、中空纤维式和卷式四种，其中以卷式组件 用得最为广泛。 s w r o 淡化操作中，还存在一些问题尚待研究解决。其一是s w r o 的预处理 问题。给水的组分对反渗透来讲是一个重要的参数【2 0 l 。由于海水本身具有高的硬 度和t d s 值、浊度和细菌含量不稳定，常常会给过程操作带来结垢、膜污染及能 耗高等问题。因此，s w r o 工艺需要对海水进料液进行良好的预处理，它对s w r o 淡化过程成败至关重要。如何提高反渗透的进水水质，延长r o 膜组件的使用寿命， 同时做到经济合理是s w r o 的预处理工艺函待解决的问题之一。其二，如何提高 r o 膜材质与组件的抗氧化性、耐细菌侵蚀，改进和提高膜与组件的产水量、脱盐 率。第三，针对不同地域的海水水质具体情况而言，对膜组件的构型需要进一步 优化配置，建立单元操作模型和相关经济模型。 1 4 6 其他新型方法 海水淡化还有冷冻法、溶剂萃取法、太阳能法、露点蒸发法等。冷冻法是使 海水受冷后在海水中结成不含盐的碎冰晶体，然后把它与海水分离，融化后得到 淡水| 2 1 】。溶剂葶取法是利用一种只溶解于水而不溶解于盐的溶剂( 如三乙胺) 从 海水中把水溶解出来，然后把水和溶剂分开，从而得到淡水。根据所利用的能源 武汉理工大学硕士学位论文 来划分淡化方法，除了常规热能、电能外，还有太阳能淡化、核能淡化等。太阳 能海水淡化技术分为太阳能蒸馏淡化技术和太阳能反渗透淡化技术1 2 2 1 。此方法在 沙漠、海岛等交通不便的地区具有明显的优势。核能海水淡化包括利用反应堆直 接产生的蒸汽和核电站汽轮机抽汽进行的蒸馏淡化，以及利用核电所进行的膜法 于压气蒸馏法淡化等i 捌。 1 5 海水淡化技术的投资及性能比较 表1 - 5 几种主要海水淡化方法的投资及性能比较 海水淡化方法反渗透低温多效蒸馏多级闪蒸压气蒸馏 主设备投资低较低稍高稍高 取水及预处理投资商低稍高低 运行费用较低较低较低稍高 设备使用寿命( a )长( 需换膜) 长长长 水质( 含盐量r a g l ) 5 0 0555 技术成熟程度成熟成熟 成熟成熟 装置可操作性好好较差较好 如1 - 5 所示，从主设备投资来看r o 最低，但就总投资而言需视情况而定。 如果原料海水水质良好则r o 总投资最低，否则由于其取水及预处理投资高而使其 总投资迅速增加。l t m e d 和m s f 相比，前者投资较低，因为l t m e d 的传 热系数大、所需传热面积小而采用的设备加工材料两者基本相同。从运行费用来 看，如果没有废热可利用则r o 的成本最低，在有废热可利用的情况下，l t m e d 的运行成本最低。从设备使用寿命上来看，4 种方法相当，但r o 法每隔2 3 年 需换一次膜。从生产淡水水质看r o 的盐度最高，其他几种相当。从装置的产量可 调节性来看，r o 和l t m e d 最好，m s f 较差。因此在实际的海水淡化工程种采 用方法应具体情况具体分析。 1 6 海水淡化技术的应用与发展 图1 - 5 为1 9 9 1 2 0 0 1 年间世界各地区采用的淡化方法比较【矧。很明显，中东 国家仍卡选多级闪蒸，但反渗透的选用量也大大高于以前，在此期间兴建的反渗 透淡化厂其生产能力约为7 0 万m 3 ，d 。除中东地区以外，其它各地区的首选技术都 是反渗透法，最突出的是欧洲，反渗透厂生产能力达到1 0 0 万m 3 d ，使用量居世 武汉理工大学硕士学位论文 界之冠。有关专家认为，今后m s f 、r o 和m e d 将决定海水淡化的未来，这是过 去4 0 年的发展得出的结论【2 研 一 ” ：晒一r ” r 翦啦 ； 一可 孵妒翊咤b i 叠鲎r 图1 51 9 9 1