SWC®系列海水淡化膜元件的应用实例

1 简介

自从1996年以来,开放式取水的反渗透海水淡化厂一直在日本冲绳当地企业局的海水淡化中心运行。根据该地区的生态环境保护设计要求,该厂采用了新 的浓水排放系统。它由特殊海底分散装置的浓水排放系统组成。用在预处理中的絮凝剂氯化铁也进行回收以减少对环境的负面影响。自从该厂投入运行以来,没有关 于该厂运行破坏环境问题的报道。40 000 m3/d的反渗透产水由8套5 000 m3/d系统构成。 整套系统共安装3 024根8寸芳香族聚酰胺卷式复合膜,采用一级反渗透。随着季节不同给水温度在20 – 30 ℃之间变化,通过调节操作压力范围6 – 6.5 MPa来使系统回收率保持在40 %。反渗透产水含盐量一直小于300 mg/L。根据水库存水量的不同,反渗透产水在5 000 – 40 000 m3/d范围内变化以满足城市供水。因为在计算和运行条件下,反渗透产水中只有硼超过饮用水标准,所以将反渗透产水和地表水进行适当混合,以达到饮用水标准。

冲绳海水淡化中心是日本当时最大产量的海水淡化工厂,1996年初建在冲绳的一个主要岛屿——Chatan镇。冲绳岛位于日本的西南部,处于亚热带 气候区。由于地理和地质原因,多年来冲绳岛上的饮用水源非常有限。通过建设多用途水坝和水库,水资源得以增加,但还不足以供给。这是因为当地的人口密度非 常高而且平均每人每年的降雨量也比全国平均水平低。虽然这里有300条左右的河,其中有一个在冲绳本岛,但它们都是小且短的流域。因为河床的陡峭坡度,水 流不稳定且很难加以利用。河水也长期缺乏,因为降雨主要集中在夏季和台风季节,因而降雨的利用率也很低。每年的降雨量波动很大。过去20年中有13年,当 地居民被严格限制用水,有时还有停水现象,在过去20年里曾有1 130天连续限制用水的记录。因此冲绳决定采用反渗透海水淡化厂作为提供新水源的一个措施。这个由冲绳当地企业局所有的海水淡化厂,即冲绳海水淡化中心, 对一起学习海水淡化厂运行和维护技术的普通公众和参观者开放。企业局是一个饮用水最大产量约为470 000 m3/d的商业机构,服务30个市政局,总人口数约190万。水来自4个不同水源,其中水坝68.1 %、河水19.4 %、地下水6.4 %、淡化海水6.1 %。

2 海水淡化厂概况

40 000 m3/d反渗透水厂设计基础:

l  位置:邻近Chatan 水处理厂,该厂自来水供水量为214 300 m3/d

l  厂区面积:约12 000 m2

l  建筑面积:9 000 m2

l  地基面积:17 600 m2(4层大楼);

l  反渗透系统最大产水量:40 000 m3/d(40 %回收率);

l  反渗透膜元件:

日東電工集團/美国海德能公司:NTR-70SWC-S8(SWC3在日本境内销售的代号)日本東麗的:SU-820;

l  海水取水方式:开放式取水(在离海岸深9.5米处的取水点,通过直径1.2米、长220米的海底管道系统输送,最大取水量为108 000 m3/d);

l  浓水排放:经过直径0.7米、长230米的管道系统,通过快速分散装置排放。排放位置在潮汐下游,离取水点62米,最大排放量67 000 m3/d;

l  总建设费用:约347亿日元,85 %由政府资助;

l  预处理步骤:在沉淀池加入NaClO(3 mg/L,以Cl2计)进行氯化

二级直流过滤系统中在线加入絮凝剂FeCl3(1.5 – 3.0 mg/L);

l  双介质过滤器:32 m2/单元×13个单元(1个单元备用,设计滤速:12 m/h);

l  剖光砂滤器: 33.6 m2/单元×9个单元(1个单元备用,设计滤速:17 m/h);

l  化学药品:用H2SO4调节pH值为6.5 – 7.0,消毒采用亚硫酸氢钠

l  给水泵:流量:536.4 m3/h、扬程:45米、转速:1760 RPM、电机功率:90 kw、9台(1台备用);

l  高压泵:卧式三级螺旋泵,流量:534.6 m3/h、扬程:650米、转速:3580 RPM、电机功率:1 300kw、8台;

l  能量回收涡轮:卧式三级螺旋泵338.4 m3/h、扬程:545米、转速:3 580 RPM、功率:386 kw、8台;

l  反渗透系统出力:每套5 131 m3/d、共8套;

l  排列:每根压力容器装6支膜元件,共63根压力容器;

l  反渗透膜总数量:3 024支;

l  反渗透水通量:13 m3/d(约11 GFD)

l  操作压力范围:6 – 6.5 MPa;

l  给水温度范围:20 – 30 ℃;

l  反渗透产水水质:TDS < 360 mg/L、电导率 < 720 μs/cm。

3 反渗透系统性能

图1为系统投运后反渗透性能与时间关系图,其中两个系列中有日東電工NTR-70SWC-S8(同美国海德能公司SWC3)。一个系列于1996年8月投运,另一个于1997年3月投运。至今为止膜没有进行过更换。

1 冲绳海水淡化反渗透系统运行数据

4 水处理费用和人员

按产量40 000 m3/d计算,产水费用和人员如下:

l  电能消耗:5.36 kwh/m3

l  化学药品:约US$ 0.104/m3(实际:JP¥12.5/天,按US$1.00 = JP¥120.00计算),

(按NaClO、FeCl3、H2SO4、NaHSO3、NaOH和柠檬酸的额定使用量计算);

l  雇员数:13人(3班)。

5 环境友好设计要求

我们做了排放高含盐量浓水对珊瑚礁的影响调查。在Nakano、Yamazato和Iso三地分别采用浓度为3.5 %、3.9 %、4.4 %和5.3 %的浓水对四种珊瑚做了试验,以测试共生藻类的生长和生存、呼吸作用和光合作用能力。结果表明3.5 %和3.9 %的含盐量不会影响共生藻类的数量、呼吸和光合作用。然而,更高的含盐量会降低海洋生物种类的生长率。根据上述试验,冲绳珊瑚海周围的浓水含盐量最高值设 计为3.9 %。

6 海洋生物种类的生物鉴定试验

对排放区常见海洋生物品种的生物鉴定试验,浓水排放不会导致:

l  令人讨厌的水生物的生长;

l  本地生物的退化;

l  海洋生物群落的退化,包括脊椎动物、无脊椎动物和植物种类等。

在本工程中,珊瑚床附近设定的最大目标含盐量为3.8 %,模拟浓水排放系统的运行表明稀释后的反渗透浓排水流到海床时不会导致超过0.1%的含盐量升高。因此估计海水淡化厂的运行不会对环境造成负面影响。

7 恰当的浓水排放方式

为达到足够稀释,有必要加强浓水与周围海水的混合。这可以通过提高最初的排放流速,并尽可能地使排放水流在达到海底时保持抛物线状。一般来说,在湍流中或在海底的陡坡处选择一个浓水排放点也是可行的。在冲绳,排放点的位置比取水点约深2米。

8 浓水布置

在冲绳海水淡化系统中,浓水排放设备为特殊水下分散装置:16个直径100毫米、呈45°角的喷管。需排放的浓水含盐量比附近的原海水含盐量高,具体如下:

l  典型海水:含盐量:3.48 %、密度:1.0216 g/cm3(温度:30 ℃);

l  排放的浓水:含盐量:5.81 %;密度:1.0388 g/cm3(温度:31 ℃)。

如图2所示,浓水趋向于下沉且向海底扩散,因此在排放管道尾端的分散装置需具有很好的混合与稀释功能,目标值为不超过原海水含盐量的0.1%。在距离分散装置12米远处,海水被稀释至3.54 %。

l  排放量:67 000 m3/d;

l  排放速度:6.0 m/s;

2 浓水排放分散装置

9 絮凝泥浆处理

预处理流程包括初级双介质过滤器和二级剖光砂滤器。两种过滤器都是水平压力池。氯化铁在双介质过滤器中用作絮凝剂。双介质过滤器和砂滤器的反洗排水 以及反渗透膜的化学清洗排水最初储存在废水罐中,定期送到浓缩池中。在将上部的清水和沉淀的泥浆分离后,清水通过下水道处理系统排放掉。如果沉淀的泥浆没 有冲洗就进行干燥,泥浆中将含有盐分,因为沉淀的泥浆海水含量很高。用淡水在一级和二级稀释池中对泥浆进行冲洗,使之脱盐。冲洗后泥浆保存在储存罐中。然 后在加压条件下用无毒添加剂使泥脱除65 %水分。最后,泥浆制成约12毫米的泥块,可以通过漏斗装到车上并定期运走。主要设计规格为:

l  泥浆生产量:25 m3/d;

l  浓缩泥比重:35 000 mg/L;

l  固体产量:880 kg/d;

l  脱水泥块水含量:≤ 65 %;

l  脱水设备:过滤布固定/半自动压缩机械型/压力脱水泥;

l  压缩机放置活塞泵:流量:64 m3/h、扬程:60米、电机功率:3.7kw、3套;

l  压缩高压多级泵:流量:28 L/min、扬程:160米、电机功率:5.5kw、2套;

因此,在海水淡化厂运行且环境友好的同时,它还考虑到减轻最终处理地负荷,以使工业废物和对环境的负面影响降至最低。

10 硼浓度和措施

海水淡化厂产水的硼浓度引起了民众、政府和工程公司的广泛关注。海水包含约5 mg/L硼,以B(OH)3或B(OH)4-的 形式存在。反渗透膜对硼的脱除率明显低于对其它成分的脱除率。因为硼在中性pH值范围内几乎不带电,目前商用的海水淡化反渗透膜脱硼率约在85 %左右。因此在40 %的系统回收率情况下,根据pH值、温度和给水压力等条件变化,反渗透产水中将含有0.7 – 1.4 mg/L的硼。在冲绳,为了使硼含量符合饮用水标准,将反渗透产水与邻近的Chatan水厂的地表水进行了适当的配比混合。对于干旱和没有可混合水源的地 区,在反渗透水厂中实际应用了具有高脱硼率的海水淡化膜。

大型海水淡化厂投入运行5年间没有遇到严重问题,两种膜性能都能满足设计要求。至今日東電工集團/美国海德能公司的NTR-70SWC(SWC3) 膜没有进行过更换。在反渗透产水中的所有成分中,只有硼超过饮用水标准(日本标准原为0.2 mg/L,1998年修订为1 mg/L)。冲绳的反渗透产水和地表水混合后可以符合饮用水标准。