沿海缺水城市住区海水利用技术.doc

沿海缺水城市住区海水利用技术沿海地区是我国人口最多、经济最发达的地区，是我国对外开放的前沿和窗口。由于经济的持续发展和人民生活水平的提高，对水的需求量越来越大，对水质的要求越来越高，而水资源的严重污染，使本来紧张的水资源的供需矛盾更加尖锐化。滨海地区14个开放城市，有9个淡水供应不足，年缺水量60多亿立方米，特别是长江以北地区为资源性缺水，水资源严重短缺，其中青岛、烟台、天津、大连等沿海城市的水资源短缺问题严重制约了地区经济和社会的发展。一些岛屿，如舟山和长岛等的进一步开发，也受到水资源短缺的限制面对水资源的日趋紧缺，向占水总储量96.5%的海水要水，是势在必行的。海水利用技术包括海水中提取淡水和利用海水代替淡水等技术，即通常所讲的海水淡化和海水直接利用等，是解决沿海地区淡水资源短缺的重要措施。 1.海水淡化与饮用水供应1.1 国内外概况从海水中提取淡水的技术和过程称为海水淡化。海水淡化在国际上是40年代研究开发的，开始以蒸馏法为主，60年代又研究开发了反渗透技术，逐步形成了以蒸馏法和反渗透法（SWRO）为主的海水淡化产业。蒸馏法以多级闪蒸（MSF）为主，另外有低温多效蒸馏（LT-MED）和低温压汽蒸馏（VC）等。海水淡化已成为中东和北非地区、加勒比海和地中海中诸多岛屿等经济发展的生命线。目前世界海水淡化产量为16.4106m3/d（2000年），虽然MSF占海水淡化量的70%以上，但呈下降趋势，SWRO占14%，呈迅速上升趋势。基于反渗透膜的进步和能量回收技术的高效，SWRO能耗已降到3kWh/m3，所以具有极强的竞争力。近几年国际海水淡化招标中，RO法以投资省、成本低、占地少、投产快等优势而屡屡夺标。我国于1958年开展电渗析（ED）海水淡化的研究，1967-1969年组织了全国海水淡化会战，奠定了膜法和蒸馏法海水淡化的基础。经科技攻关，使海水淡化技术（反渗透和低温多效）取得长足的进步。1987年大港电厂从美国引进二套3000m3d MSF海水淡化装置，与离子交换法结合，解决锅炉补给水的供应。近年来,相继建成数座500-2500 m3/d 反渗透海水淡化厂，对我国沿海地区，特别是发电厂、缺水城镇和岛屿的经济发展，已开始发挥其独特的作用。1.2海水淡化技术简介RO主要以高脱盐率的中空纤维膜组件和卷式膜组件为关键部件在压力下进行淡化。RO海水淡化厂最大规模达20万m3/d，由海水提取系统、预处理系统、反渗透系统、后处理系统、能量回收系统、供电系统和控制监测系统等构成，这可解决城市用水问题。反渗透中型淡化厂200-2000m3/d很适于岛屿用水的供应。日产1-20m3的小型RO器适于舰船、渔船、海上钻井平台和岛屿上的个体用户的需求。由于膜脱盐率高，通量大，以及先进的能量回收装置，单级即可高效地将海水淡化为饮用水。多级闪蒸厂最大规模达30多万m3/d，由预处理、盐水加热、热回收和排热四单元组成。适用于大型海水淡化，解决城市用水问题。但设备动力耗电高，易腐蚀和结垢。难以适应我国国情。现代的低温多效蒸发通常在低温段操作（700C以下），腐蚀和结垢较轻，设备寿命长，可利用廉价的铝合金传热管，可利用废热造水以降低成本，是蒸馏法中最具竞争力的。1.3 海水淡化的经济性经济性通常据投资费用和操作费用转化为单位脱盐水的成本来衡量。目前，最经济的SWRO的成本约为0.5$/m3淡水,若海水淡化与发电、供热和供汽以及海水综合利用相结合，再加上淡化技术本身的发展，其成本会进一步降低。下面是国内的长岛1000m3/d SWRO示范工程的例子：长岛1000m3/d SWRO示范工程的总投资732.6（万元），包括取水设备，预处理设备， 高压泵，反渗透装置，产品水后处理设备，中央监控设备，仪表、阀门和药剂，土建厂房、 设备运输、设计、安装和调试等。制水成本5.13（元/m3淡水），包括膜更换费，维修费，试剂费用，电费(用电5.0kWh/m3)，折旧费 和劳力等。 1.4住区海水淡化的考虑1.4.1 以城镇为基础的供水 作为城镇供水或部分城镇供水, 大、中型的海水淡化厂(每天数万至数十万吨)的淡化水经一定的后处理之后，并入原有的城镇供水系统中。如中东、北非、冲绳和美国南部等。1.4.2 以住区为基础的供水 对无饮用水源的海岛或靠海的住区,可据实际需求情况，建造中小型海水淡化厂（每天数百至上万吨），也是可考虑的。如国内的长岛、嵊泗和长海等。1.4.3 以个别住地为基础的供水 对远离城镇供水的个别海边住地，可直接选用小型海水淡化器（每天数吨至上百吨）来解决。2.海水直接利用与沿海城市节水2.1 国内外概况用海水代替淡水的技术和过程就是常讲的海水直接利用。用海水代替淡水作为工业用水、烟气脱硫、大生活用水和其它杂用水等。美、欧、日等国家和地区年用海水作为冷却用水都近3千亿立方米。而我国还不足200亿立方米，与发达国家相差甚远。海水作工业冷却水，目前国内外都仍以直流冷却为主，且主要用于滨海火电、核电、化工和冶金等企业。海水直流冷却技术具有深海取水温度低、冷却效果好和系统运行管理简单等优点；但也存在取水量大、工程一次性投资大、排污量大和海体污染明显等问题。海水循环冷却技术在国外已有应用实例，最大的海水循环量达22 000立方米/小时，在我国尚处于研究阶段,千吨级示范工程正在进行中。城市生活用水占城市供水的20%左右，而城市冲厕用水占城市生活用水的35%左右。香港总人口690多万，香港海水冲厕起源于50年代末，历经40年的发展，海水冲厕已形成体系，占总人口的78.5%。每天冲厕用水约为52万立方米。天津、青岛和大连等也有少部分靠海的小区采用海水冲厕。2.2海水直接利用技术简介海水冷却分海水直流冷却和海水循环冷却。直流冷却是指原海水经换热设备进行一次性冷却后，即排放的过程；循环冷却是指原海水经换热设备完成一次冷却、再经冷却塔冷却后，循环使用的过程。 推广海水冷却，应解决海水取水、杀生、净化、防腐、防垢和防附着等问题。海水直流冷却技术有近80年的发展历史，有关防腐蚀、防海洋污损生物附着技术已基本成熟。如大亚湾核电站和天津大港电厂年用直流冷却海水分别为35亿和17亿吨。关于海水循环冷却系统和相关的防腐、阻垢和防污损生物附着和防盐雾飞溅等技术基本成熟，海水冷却塔技术，国外有专门公司开发，技术也是成熟的。利用海水作为大生活用水是一项综合技术，它涉及海水取水、前处理、双管路供水、地下和屋顶贮水、卫生洁具、及系统的杀生、防腐、防渗和防生物附着技术；大生活用海水与城市污水系统混合后含盐污水的生化处理技术；合理利用海洋稀释自净能力将大生活用海水进行海洋处置的技术等。防腐技术和防生物附着技术已基本成熟,大生活用海水技术的重点是高含盐量污水的生化处理技术和海洋处置技术。2.3 海水直接利用的经济性和社会效益推广海水直接利用作工业冷却水,社会和经济效益显著。以威海华能电厂海水冷却系统为例，系统总投资7000万元，为发电容量85104kw的机组提供18105m3/d的直流冷却用海水，这包括海水取水设施，预处理设施，杀菌、灭藻和防生物附着，防腐和牺牲阳极保护等。每kw的电, 冷却用海水投资不足百元.推广应用海水作为大生活用水，对改善沿海缺水城市的居民的生活质量有重大的现实意义，也是缓解沿海城市淡水紧缺局面的有效措施之一，具有显著的社会效益和经济效益。2.4住区海水直接利用的考虑2.4.1 作为住区空调的冷却用水 对水资源短缺的旁海住区，其大型中央空调可考虑选用海水作为空调冷却用水，以节约淡水。2.4.2作为住区的冲厠用水 对新建的旁海住区，有合适条件的可考虑双管路供水系统，如香港那样，用海水冲厠，来节约淡水。2.4.3作为住区的部分生态用水 对新建的旁海住区景观建设中，在合适的有条件的地点可考虑用海水作为景观用水;可用海水的杂用水也尽量用海水。结语我国水资源匮乏，又是一海洋大国，沿海城市一半以上缺水，所以海水淡化和海水直接利用应作为解决沿海城镇和岛屿水资源不足的重要的途径和方法之一。海水淡化和海水直接利用在国内已有示范和部分工程实践，随着经济的持续发展和人民生活水平的提高，对海水淡化和海水直接利用的认识会进一步提高，对海水淡化和海水直接利用的需求会越来越大，海水淡化和海水直接利用将会为沿海地区经济发展和居民生活质量的改善更好地服务。 厌氧反应除硫酸盐的新工艺0 引言 近年来，由于轻工、制药等行业的发展造成了大量的含高浓度硫酸盐的工业废水急需处理，如硫酸盐法造纸废水、柠檬酸废水等。工业有机废水中由于硫酸盐的存在而产生的主要问题包括：高浓度的硫酸盐对产甲烷菌(MPB)产生强烈的抑制，致使消化过程难以进行；其次大量的硫酸盐废水被排入已污染严重的水体中，不仅会产生具有恶臭味和腐蚀性的硫化氢，而且直接危害人体健康和影响生态平衡。本文提出了一种处理硫酸盐废水的新工艺，它主要由两相厌氧反应器和微电解反应池组成，利用硫酸盐还原菌(SRB)将SO42-还原成硫化物，再经过微电解反应池与Fe2+结合生成FeS沉淀，以去除大部分硫酸盐，致使后一厌氧反应中产甲烷过程不受抑制。 1 工艺的比较与评价 对于含硫化物和硫酸盐废水以往的处理方法主要有： (1)控制pH值消化液的pH值影响H2S的离解程度。在厌氧消化中起抑制作用的硫化物主要是未电离的H2S。当pH值升高时，未电离的H2S浓度降低，从而其毒性也相应降低；一 般认为，pH值在7.58.0范围内较为适宜。 (2)两段厌氧消化工艺采用两段厌氧消化工艺，在第一阶段控制产酸菌适宜的环境条件，产物以低级脂肪酸和H2S为主，出水经脱H2S装置脱除H2S，在第二阶段进行以甲烷为主要产物的甲烷发酵。 (3)投加SRB抑制剂主要是抑制SRB的活性，使得正常参与产氢产乙酸过程的细菌数量减少。 对于第(1)种方法，控制pH值是很困难的，也很繁琐，因为这需要时刻监测，并且要求控制得非常精确。这种方法很难推广，且药剂用量大，运行费用较高。第(2)种方法，目的是在第二段厌氧处理前去除硫酸盐，这取决于前一段厌氧体系的还原能力和厌氧体系的运转状况。由于除H2S装置复杂，实际操作困难，处理效果无法保证。第(3)种方法，投加抑制剂虽然抑制了H2S的生成量，但也同时抑制了MPB的活性，使甲烷的产量降低。 以上几种工艺都有各自的弊病和实际操作困难等缺点，有必要提出一种更为实用的新工艺。该工艺是将两相厌氧反应器和微电解组合，主要利用硫酸盐还原菌(SRB)将硫酸盐还原成硫化物，再经过微电解反应池使之与Fe2+结合生成FeS沉淀去除大部分硫酸盐，致使后一厌氧反应器产甲烷过程不受抑制，同时增加回流设施，提高硫酸盐的转化率。新工艺的流程如图1所示。 1 粗细格栅2 混凝沉淀池3 第一微电解反应池4 沉淀池 5 第一厌氧反应器6 第二微电解反应池7 第二厌氧反应器 2 新工艺的特点和原理 2.1 特点 整个工艺的目的是将厌氧反应分两个阶段进行，从而有效地去除硫酸盐，提高可生化性， 降低COD与BOD。第一厌氧反应器使硫酸盐转变成硫化物，然后，硫化物在第二微电解池中被 去除。出水硫化物的去除消除了对MPB的次级抑制，为有机物在第二厌氧反应器中的厌氧消化创造了一个适宜的条件。此外，工艺中增 加了回流设施，主要是考虑当进水中含有较高的硫酸盐时，回流可使硫酸盐浓度降低，同时 提高了硫酸盐的还原率。 2.2 原理 2.2.1 第一微电解反应池根据金属材料在水溶液中的腐蚀理论可知，任何形式的腐蚀必发生在电极之间，且两电极 之间存在电流通过。铸铁是铁与碳的合金，因此铸铁屑浸于水中时，就构成了完整的电路， 在它的表面上就有电流。电流在成千上万个细小的微电池内流动，纯铁成为阳极被腐蚀，而 碳成为阴极。在酸性条件下，主反应如下： 阳极反应：Fe2eFe2+ 阴极反应：2H+2eH2 本工艺对第一微电解反应池曝气，目的是将Fe2+氧化成Fe3+，则发生氧化 还原反应： 4Fe2+O22H2O4Fe3+4OH-(曝气氧化) Fe3+3OH-Fe(OH)3(中和絮凝) 新生态的Fe3+经石灰中和后，生成的Fe(OH)3是胶体凝聚剂，它的吸附能力高于一般药剂水解法得到的Fe(OH)3的吸附能力，这样污水中原有的悬浮物以及通过微电解产生的不溶物和构成色度的有机物可被吸附凝聚。 2.2.2 混凝沉淀池 它的作用是将预处理部分残余的悬浮物，部分有机物和第一微电解反应池中产生的Fe(OH)3絮状物，经混合、絮凝、沉淀进一步分离，防止带入第一厌氧反应器，同时去除部分COD。 2.2.3 第一厌氧反应器 硫酸盐的还原是在SRB(硫酸盐还原菌)的作用下完成，SRB是属专性厌氧菌，在厌氧消化过程起主要作用的4种微生物种群中，属产氢产乙酸菌。在不存在硫酸盐的厌氧环境中，SRB则呈现产氢产乙酸菌的功能。在稳态的厌氧消化过程中，MPB(产甲烷菌)利用产氢产乙酸菌的代谢产物-氢和乙酸，产生甲烷和二氧化碳。当厌氧消化中存在硫酸盐时，则SRB不仅具有了产氢产乙酸菌转化有机酸和乙酸的功能，而且具有还原硫酸盐为H2S的特性，存在硫酸 盐的厌氧消化过程中，本可能被MPB利用还原二氧化碳生成甲烷的一切分子氢均被SRB所竞争利用，从而使还原二氧化碳生成甲烷的反应受阻。硫酸盐在SRB的作用下还原成硫化物，是 污泥驯化的过程，硫化物浓度超过100mg/L时，对甲烷菌细胞的功能产生直接抑制作用。当 原水SO42-含量较高时(400mg/L)就有可能转化为较高浓度的硫化物，并且是不 可避免的。因此，采用第一厌氧反应器将大部分硫酸盐转化成硫化物。 2.2.4 第二微电解反应池 第二微电解反应池是封闭装置，主要防止空气中的氧带入后面的厌氧反应器，造成对厌氧反应的抑制。从第一厌氧反应器出来的含有大量硫化物的水到第二微电解反应池，与Fe2+结合成FeS沉淀： Fe2+S2-FeS Ksp6.31018 这样，消除了硫酸盐对MPB的抑制影响，保证了第二厌氧反应器的良好运行，且反应池内设有截流装置，不会使沉淀带出反应池。 2.2.5 第二厌氧反应器 在前序阶段中针对进水硫酸盐产生的S2-进行了脱除，降低了进入第二厌氧反应器的硫酸盐浓度，消除了对厌氧反应的抑制影响，则此反应器可顺利地进行产甲烷过程，大幅度地去除COD与BOD。 3 新工艺的试验验证 3.1 实验室配水验证 经测定生活污水中SO42-含量为3844mg/L，试验取值为40mg/L，加配水Na2SO4后将原水SO42-含量调至表1中整数值。试验数据见表1。 表1配水试验结果 进水SO42- 浓度(mg/L)第一厌氧池 出水SO42-浓度 (mg/L)SO42- 的转化率 (%)第一厌氧池 出水S2-浓度 (mg/L)第二微电解池 出水S2-浓度 (mg/L)S2- 的去除率 (%)1000396.060.40194.612.793.47120511.857.35190.413.193.121500670.255.32200.113.493.30