1000m3d-1海水淡化可行性研究报告第二组.doc

10000m/d海水淡化可行性研究报告(反渗透技术)（水质工程第二小组）研究报告二 一 年十一月目录1 我国水资源现状及海水淡化技术21.1我国水资源现状21.2海水淡化技术32 现行海水淡化技术的比较32.1一般海水淡化处理方法优缺点32.1.1离子交换法（IE）32.1.2电渗析法（ED）32.1.3其他方法32.2反渗透法（RO）在海水淡化处理中的优势42.2.1反渗透法处理的优势42.2.2反渗透法优于离子交换法43 海水淡化反渗透法设计方案53.1反渗透法处理的平面图及系统图53.1.1反渗透法处理的平面图53.1.2反渗透法处理的系统图63.2反渗透法处理的工艺流程63.3反渗透法处理工艺过程中注意事项73.4处理过程中水质的变化73.5工艺中装置的选择93.5.1泵的选择93.5.2反渗透膜组件的选择103.5.3各构筑物体积114 成本分析 4.1造水成本的各项费用4.2工艺总费用12参考文献：1310000m/d海水淡化可行性研究报告 第二小组 第二小组组长：周飒；成员包括邓石海、章腾，成都，钟慧慧、张雅桐，张希、叶露，詹烈云、王胜伟，王妍、谢欢(北京交通大学 土木建筑工程学院环境工程专业 北京 100044)海水淡化是解决全球水资源短缺的重要战略手段之一，有着广阔的开发前景。截止到2003年，世界上已建成和已签约建设的海水淡化厂的日处理能力达到3600万吨。目前海水淡化已遍及全世界125个国家和地区，淡化水可以养活世界 5的人口。随着人们对海水淡化的有效性和可靠性的普遍认同，多种海水淡化技术也应运而生。本文重点对现行的多种处理方法（离子交换法，电渗析法，膜处理法和其他方法）进行比较，并对膜处理技术在海水淡化工程中的优势进行分析，同时提出了一套膜处理的可行性方案，对未来的技术发展进行探讨和展望。1.我国水资源现状及海水淡化技术1.1我国水资源现状我国淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1/4。因此我国是一个严重缺水的国家。同时，我国的淡水资源时空分布极不均匀，并且水体污染加剧了我国可利用淡水资源的匮乏程度。在资源性缺水的同时，我国经济增长快，人口数量大，城市化水平不断提高，使得水资源缺口越来越大，这已经成为阻碍我国社会可持续发展的瓶颈。1.2海水淡化技术在已经开发的20余种海水淡化技术中，离子交换法（IE），电渗析法（ED），及膜处理法（RO，MSF，MED）等已经达到了工业生产的应用规模。离子交换法制淡水是将海水中所有离子全部吸附在离子交换树脂上，也就是说离子交换树脂将海水中的“离子”几乎全部“截流”了，从而达到海水淡化的目的；电渗析法是利用电场的作用，强行将离子向电极处吸引，致使电极中间部位的离子浓度大为下降，从而制得淡水的；反渗透法是一种膜分离淡化法，该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜将海水与淡水分隔开；膜蒸馏法是膜技术与蒸馏过程相结合的膜分离过程，它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸气压差的作用下，料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，从而实现分离的目的；多效蒸馏法是海水淡化技术中较早发展成功的方法之一，其原理是利用高温蒸汽与海水的温差进行热交换后，将蒸发出的水蒸汽冷凝并收集而成。2.现行海水淡化技术的比较2.1一般海水淡化处理方法优缺点2.1.1离子交换法（IE）离子交换法是目前除盐最彻底的水处理技术。预处理简单，工艺成熟，出水稳定，初期投入低等优点使其在海水淡化工程中普遍应用。但是本方法仅仅原水低含盐量的应用区域运行成本较低，而在含盐量高的区域,运行成本高降低了它在海水淡化除盐中的经济优势。并且由于离子交换床阀门众多带来的操作复杂的问题以及再生废水和床层繁殖细菌造成的环境威胁严重阻碍了离子交换法的广泛应用。2.1.2电渗析法（ED）电渗析过程工艺简单，除盐率高，操作方便。但是水回收率低，而且对不带电荷的物质如有机物、胶体、微生物、悬浮物等无脱除能力，存在对水质要求较严格，需对原水进行预处理等缺点。这使其在苦咸水淡化工程中的应用受到局限。2.1.3其他方法1）膜蒸馏（MED）膜蒸馏法截留率高，操作压力较其他膜分离技术低，并且可以有效利用余热等廉价能源满足相对较低的操作温度。但是膜蒸馏方法面临的问题主要在于缺乏价格低、通量大，耐用性好的膜尤其是中空纤维膜，尚未设计出传热、传质性能优良的膜组件。并且膜蒸馏过程中的膜污染和膜润湿问题没有得到解决。同时热量利用率低和膜蒸馏过程的能耗大的问题依然存在。因此膜蒸馏方法的应用也受到了限制。2）多级闪蒸（MSF）多级闪蒸从70年代开始就大量使用，技术已经成熟，但是从投资、材料、能耗、运行管理等方面考虑都限制了该方法在苦咸水淡化中的应用。3）冷冻法冷冻法处理苦咸水能耗高，难以规模化，只能取出水中无机盐离子，因而难以得到推广。2.2反渗透法（RO）在海水淡化处理中的优势2.2.1反渗透法处理的优势反渗透技术是当今较先进、较稳定且有效的除盐技术。与传统的水处理技术相比,膜技术具有很多优点。比如工艺简单、操作方便、易于自动控制、无污染、运行成本低等,尤其是几种膜技术的配合使用,再辅助其他水处理工艺,如石英砂、活性炭吸附、脱气、离子交换、UV杀菌等。特别要提的是当原水含盐量较高时反渗透膜处理对运行成本影响不大。反渗透技术有效地弥补了水回收率低的弊端，并且对于有机物、胶体、微生物、悬浮物等有较好的脱除能力。因此反渗透技术在海水淡化效率上明显超过电渗析法。此外，反渗透技术中的膜和膜组件比较成熟，为其在海水淡化中的广泛应用提供了可靠的技术支持。并且反渗透技术投资和能耗较少，容易实现自动控制，因此较其余膜分离技术和多级闪蒸技术更有优势。2.2.2反渗透法优于离子交换法1）占地面积的比较：反渗透法相对离子交换法占地面积小。原因是离子交换法需要酸、碱再生需要酸、碱贮槽和废水处理池,见表1；2）酸碱消耗与环保离子交换法全年要消耗大量的酸和碱。在酸、碱贮运、树脂再生过程中要产生大量的酸碱废水。所以反渗透法在环保方面比离子交换法有更大的优势；3）浓水回收率据经验反渗透的回收率在75%左右，离子交换法回收率在88%，但反渗透浓水只是在盐份上较高,其浊度都比原水好。对水重复利用较好的厂家通常都将浓水引入到其它系统可以实现对很高的系统回收率；4）运行成本反渗透法运行成本低是有明显的优势,由于反渗透除盐方法,极易实现自动控制,人工干预小,人工成本也比离子交换法低, 反渗透法年节约成本112万元。见表2。表1 生产10000m/d除盐水的占地面积比较项目离子交换法（m）反渗透法（m）预处理，一级除盐部分1660019400精除盐部分1500012600废水处理部分160005000其他1780017000合计6540054000表2 水运行成本项目离子交换法（元/吨）反渗透法（元/吨）水成本（原水按1.5元/吨）1.5/88%=1.701.5/70%=2.14酸成本（盐酸按500元/吨）500*0.47*0.001=0.24碱成本（碱按1000元/吨）1000*0.73*0.001=0.73电耗成本（按0.48元/kwh）0.84*0.48=0.401.08*0.48=0.52合计3.072.66*0.47代表离子交换法吨水耗酸量，0.73代表离子交换法吨水耗碱量 0.84代表离子交换法吨水耗电量，1.08代表反渗透法吨水耗电量综上所述，从长期效益来看,反渗透法无论在水处理质量上,还是综合经济效益方面比较都优于离子交换法，在节约成本的同时也降低了由于酸碱等废液引起的环境污染，因此反渗透法在海水淡化工程上的经济效益最高。3.海水淡化反渗透法设计方案：3.1反渗透法处理的平面图及系统图3.1.1反渗透法处理的平面图图1：反渗透膜法设计方案平面图3.1.2反渗透法处理的系统图图2：反渗透膜法设计方案二维系统图图2反渗透系统图各部分装置名称：3.2反渗透法处理的工艺流程沿海电厂反渗透海水淡化系统的典型工艺流程如下 ：海水取水泵反应沉淀池海水清水箱微滤升压泵微滤装置微滤水箱一级反渗透提升泵一级反渗透保安过滤器一级反渗透变频高压泵(带能量回收装置) 一级反渗透装置工业服务水池和化学水、消防水池一级淡水泵二级反渗透保安过滤器二级反渗透变频升压泵二级反渗透装置二级淡水箱二级淡水泵锅炉补给水处理和生活水池。3.3反渗透法处理工艺过程中注意事项1）海水泵两用一备；2）5，7，9，10分别为加药装置。其加药顺序：三氯化铁三氯化铁投加量为5mg/L，投加三氯化铁后水的SDI值小于4（5）在混凝之前加，次氯酸钠（7）在清水池之前沉淀池之后加，亚硫酸氢钠亚硫酸氢钠的作用是防止氧化剂对膜的氧化（9）和阻垢剂（10）在清水池之后加；3）对于典型的海水水质，反渗透海水淡化工艺一级出水质量和二级出水质量的对比见下表3表3 反渗透海水淡化工艺一级出水质量和二级出水质量的对比一级反渗透出水（mg/L）二级反渗透出水（mg/L）TDS24010氯离子1505硼0.70.4产品水应用电厂的工业和消防用水电厂锅炉补给水处理系统供水和饮用水由上表可知，一级反渗透出水无法达到我们所需要的海水淡化的目的，因此在我们所设计的工艺流程中选用二级反渗透系统；4）在微滤出水后的水箱内加酸调节PH至5.5-6.5加酸量以调节滤过水PH值在6.56.8（HSO注入量约为12mg/L）或SHMP 10mg/L左右。；5）高压泵是用来将海水打入到反渗透膜壳中,使海水具有68 MPa的压力 反渗透系统达到一定脱盐率所需求的压力。反渗透海水淡化最主要的一个特点即是采用高压泵将原海水打入到反渗透膜堆中,通过高压将清水压过膜的另一侧,从而达到反渗透的目的；6）取水时使用的是潜水泵，然而最后出水直接到生活用水管网时就不用再加泵。7）能量回收装置是一种回收高压浓海水压力的装置,它可以将高压浓海水的压力传递给正常浓度及压力的原海水,减少高压泵的流量。一般可以回收浓盐水能量的6090；8）上述经过能量回收装置的高压原海水,通过压力提升泵,将海水的压力再提高到高压泵的额定压力,并入高压泵的出口端一起进入反渗透膜,达到节省能耗的作用。3.4处理过程中水质的变化1）原水水质表4 原水水质浊度(NTU)TDS(总含盐量mg/l)总硬度（以碳酸钙计）总悬浮固体 （mg/l) 游离余氯 细菌总数（个mL-1）总大肠杆菌群（个L-1）耗氧量（CODmg/l）20-307.9-8.4302655.3-7.1295009232）微滤膜进口水质表5 微滤膜进口水质浊度(NTU)TDS(总含盐量)总硬度（以碳酸钙计）溶解性总固体 游离余氯 细菌总数（个mL-1）总大肠杆菌群（个L-1）耗氧量（CODMn,mg/l）5-86.5-6.83026533）微滤膜出口水质表6 微滤膜出口水质浊度(NTU)TDS(总含盐量)总硬度（以碳酸钙计）溶解性总固体 游离余氯 细菌总数（个mL-1）总大肠杆菌群（个L-1）耗氧量（CODMn,mg/l）不超过15.5-6.5302650.2-1.034）反渗透膜入口水质表7 反渗透膜入口水质浊度(NTU)TDS(总含盐量)总硬度（以碳酸钙计）溶解性总固体 游离余氯 细菌总数（个mL-1）总大肠杆菌群（个L-1）耗氧量（CODMn,mg/l）小于0.56.5-8.5302650.2-1.05）反渗透膜出口水质表8 反渗透膜出口水质浊度(NTU)TDS(总含盐量)总硬度（以碳酸钙计）溶解性总固体 游离余氯 细菌总数（个mL-1）总大肠杆菌群（个L-1）耗氧量（CODMn,mg/l）不超过16.5-8.530265小于450小于1000大约为06）清水水质表9 清水水质浊度(NTU)TDS(总含盐量)总硬度（以碳酸钙计）溶解性总固体 游离余氯 细菌总数（个mL-1）总大肠杆菌群（个L-1）耗氧量（CODMn,mg/l）不超过16.5-8.5小于10mg/l小于450小于1000与水接触min后不低于0.3mg/l90(ml)小于1个/100ml33.5工艺中装置的选择3.5.1泵的选择1）海水泵(取水泵)产家：北京盛大维新科技发展有限公司生产台数：三台（两用一备）主要参数：表10 泵的选择型号流量(T)m/h扬程(H)/m配用功率(kW)外径(mm)出水口径（mm）AT300QH200-25/1（潜水泵）2002522281150价格：20000元每台，总计：60000元；2）加药泵名称（型号）：米顿罗C786-36电磁隔膜计量泵厂家：上海玛蒙工业设备有限公司占地面积：30cm25cm台数：四台（聚合氯化铁5 ppm，次氯酸钠 4 ppm，亚硫酸氢钠5 ppm，阻垢缓蚀剂 (FLOCONSHMP) 2ppm；各需要一台）价格：1000元/台，总计4000元；3）增压提升泵和微滤升压泵型号：IS200-150-400离心清水泵厂家：长沙东方工业泵厂占地面积: 3m2.5m台数：两台 分别位于微滤膜（压力加到0.01MPa）之前和保安过滤系统之前 价格：10000元/台，总计20000元表11 增压提升泵和微滤升压泵主要参数主要参数流量400（m3/h）叶轮数目1扬程50（m）汽蚀余量3.8（m）轴功率67.2（kW）吸入口径200（mm）排出口径150（mm）4）高压泵 从保安过滤系统到反渗透膜的泵，同时二级反渗透之前也用两台此型号的泵，使压力增至4.14MPa型号：400TJ5型高压泵厂家：天津市通洁高压泵制造有限公司占地面积：2.5m2m台数：四台价格：10000元/台，总计40000元表12 高压泵主要参数主要参数流量94m/h额定功率315kW供水压力3-9MPa（可调至4.14MPa）3.5.2反渗透膜组件的选择名称：ESPA4反渗透膜元件厂家：日东电工集团/美国海德能公司总占地面积：一级反渗透: 7m3m二级反渗透: 7m3m数量：一级反渗透 100件 10000m淡化后产水约5000 m，除以产水量得到100个膜元件二级反渗透 90件价格：1780元/件，总计338,200元表13 反渗透膜组件的选择主要参数产水量45.4m/d有效膜面积37.2m进水压力4.14MPa3.5.3各构筑物体积表14 各构筑物体积统计构筑物单位体积（m）数量（个）总占地面积（m）取水池10000110000混凝沉淀池6000530000初步预处理出水池100011000保安过滤器取水箱1001100能量回收装置30390产品水池100001100004 成本分析4.1造水成本的各项费用1)化学药品消耗 10 000 td反渗透淡化装置的化学药品加入量为：聚合氯化铁5ppm，次氯酸钠 4ppm，亚硫酸氢钠5 ppm，阻垢缓蚀剂 (FLOCONSHMP) 2ppm。水的回收率为45。反渗透淡化的化学药品消耗总量为0.391元t；2)电力消耗 反渗透装置的第一级电力消耗为3.9kWh，第二级电力消耗为 1.0 kWh，加上离子交换、引水和其他附属设置及照明等的费用，淡化1 t淡水的总电力消耗为5.7 kWh。每度电价以0.5元计 ，海水反渗透的吨水电力成本为 2.85元； 3）维护和折旧费用 维护和折旧费用包括管理，膜更换，员工工资，固定资产的折旧费用等每吨淡化水的劳动力费用为：0.034元，福利费用取为工资额的15，职工工资福利费用为0.04元t；反渗透淡化工程的年大修及检修维护费用为其固定资产原值的1.5，则每吨淡化水的维修费用为0.23元；管理费取为劳动力费用的20，每吨淡化水的管理费用为0.008元；海水反渗透膜寿命以3年计，膜的更换费用为0.923元 ；固定资产的折旧年限为l5年，固定资产残值为 4，固定资产原值为 8000万元，每吨淡水的固定资产折旧费用为0.97元。通过上述计算反渗透的单位造水成本为5.446元/吨。4.2工艺总费用表15 费用估算项目价格（元）反渗透造水成本（/d）54460泵的总费用124000构筑物总费用27130000膜组件总费用338200管道总费用500000总计27690000通过海水淡化各种方法的比较，反渗透法是较其他方法更为合理、有效的苦咸水淡化方法。因此将该工艺用于10000m/d的海水淡化工程。经过计算，将传统的反渗透技术进行了优化，使得海水淡化的出水达到了饮用水标准，使海水中TDS含量由30265mg/L降为小于10mg/L，浊度由20-30NTU降为不超过1NTU。参考文献：1. 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