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海南三沙市永兴岛每天1000立方米海水淡化厂工程设计
《给水排水》 邢思初 / 时间:2019-03-22 07:07:42

海南三沙市永兴岛每天1000立方米海水淡化厂工程设计


  据给水排水微信公众平台2019年3月19日讯 为满足三沙市永兴岛上的居民生活用水需求,根据海岛特点,在岛上新建海水淡化厂,利用海水作为水源直接供应清水。水厂设计规模1000立方米/日,采用斜管沉淀-超滤-反渗透-再矿化的净水处理工艺。其中沉淀表面负荷为1.46立方米/(平方米·小时);超滤设计通量为30升/(平方米·小时),回收率90%;采用二级反渗透,其中一级反渗透设计产水通量0.60立方米/(小时·支),最大压力6.5MPa,二级反渗透设计产水通量0.90立方米/(小时·支),最大压力12.5MPa;反渗透产水采用投加CaCl2和NaHCO3进行再矿化。建成后运行产水水质满足国标要求,饮用口感良好,电耗约3.5千瓦小时/立方米。
  1. 建设前岛上供水状况
  在海水淡化厂建设前,岛上居民的饮用水主要依靠补给船定期向岛内补给,每船的补给量约为200立方米。船运的补给淡水用运水车运送至各居民自建的水窖储存,水量有限,仅供日常居民餐饮使用。
  除饮用以外的其他生活用水水源主要是岛上降雨,即依靠汇集各建筑屋顶雨水,储存在自建雨水窖。自建雨水窖零散分布于各建筑间,部分有简单的沉淀、过滤设施。原先各雨水窖储存的雨水均通过水泵输送至工委建设的雨水净化站,经净化后使用。但淡化厂建设前雨水净化站已报废,居民一般自行加压直接将雨水用作洗涤、冲厕等饮用外的生活用水。
  2. 原水水质
  永兴岛附近海域环境保护良好,水质清澈,原水浊度≤10NTU,其余主要水质指标见表1。


海南三沙市永兴岛每天1000立方米海水淡化厂工程设计


  3. 工程规模及目标
  本项目水厂产水规模为近期1000立方米/日,远期2000立方米/日。
  产水目标:原水采用海水,出水水质达到GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》的要求。
  4. 技术方案
  4.1 海水淡化技术
  本工程近期产水规模1000立方米/日,规模较小,工程地点位于永兴岛,路途较远,岛上物资匮乏,所有物资均需船运上岛,交通不便,岛上可用地面积较小,因此采用的海水淡化技术应具有占地面积小、工程量小、自动化程度高、安全可靠、运行过程耗材种类少、用量小的特点,分析上述工程特点,推荐采用反渗透海水淡化技术。
  反渗透技术目前一般采用一级过滤,但Rodrguez通过研究认为,当原水中硼含量>3.5mg/L时需要使用多级反渗透工艺。本工程海水硼浓度为4.5mg/L,因此采用二级反渗透技术。
  4.2 海水预处理技术
  反渗透膜进水水质要求较高,海水原水一般需进行预处理。常规预处理技术采用加入絮凝剂对海水中海洋浮游生物、胶体物、固体颗粒进行沉淀后,再经过砂滤过滤。其优点是除浊的效率较高,技术比较成熟。其不足之处在于处理过程中需投加化学药剂,整套预处理构筑物占地面积较大。永兴岛处于西沙群岛,其主体由珊瑚礁及其风化产物构成,可用地面积较小,岛周围无外源污染物,絮凝过程中投加的絮凝剂部分残留在浓盐水中,随浓盐水一起排海会对当地环境造成污染。
  因此,本工程从减少使用药剂保护环境、节约工程用地等方面考虑,采用电解沉淀+超滤预处理工艺。海水是理想的电解液,纳米催化电解可在短时间内氧化分解海水中的有机物,使海水脱稳,具有一定的絮凝效果,通过后续沉淀工艺去除水中的胶体物质和悬浮性物质,无需投加化学药剂。同时电解过程中产生的Cl、O等自由基,可有效杀灭藻类、微生物等,解决膜生物污染的问题。电解预处理技术已在三沙市赵述岛40立方米/日小型海水淡化工程中得到应用,效果良好。沉淀后出水采用超滤膜过滤可确保满足反渗透进水水质要求,减轻对反渗透膜的污染。
  4.3 反渗透产水再矿化技术
  海水经淡化处理后,钙离子含量很低,其水质不稳定且具有较强的腐蚀性,因此本工程考虑对其进行化学稳定性处理。改善海水淡化水稳定性的措施是对其进行再矿化处理,提高水中矿物质和碱度含量,使其水质稳定,不具有腐蚀性,并符合生活饮用水标准,这样既可以维护居民身体健康又能稳定水质。
  矿化通常是通过过滤、投加化学药剂等措施来实现。海水淡化产水再矿化处理是调节产水pH,加入钙等矿化物,从而调节反渗透产水的碱度和硬度,适度提高pH,使产水的总碱度为80mg/L(以CaCO3计),总硬度为80~120mg/L(以CaCO3计)。使水质既不产生结垢,也不对输水管造成腐蚀。
  可用于反渗透产水再矿化处理工艺方案大致有如下5个。
  (1)向反渗透产水投加CO2和过量的Ca(OH)2,反应式:2CO2+Ca(OH)2=Ca(HCO3)2
  (2)投加CO2后的反渗透产水通过CaCO3的滤床,反应式:CO2 + H2O + CaCO3=Ca(HCO32
  (3)投加Ca(OH)2和Na2CO3,反应式:Ca(OH)2+Na2CO3=CaCO3+2NaOH。
  (4)投加CaCl2和NaHCO3,反应式:CaCl2+2NaHCO3=Ca(HCO32+2NaCl。
  (5)用处理后的含盐水与反渗透产水进行适量的勾兑。
  以上5个方案,应根据工程情况、水质、处理水量和投资运行成本进行比选。方案3、方案4、方案5主要是向淡化水中投加药剂,操作运行维护较为简便,但费用较高,适用于较小型的淡化水装置。方案1、方案2适用于较大型的海水淡化厂,其中方案2具有更高的经济性。
  本工程产水规模为1000立方米/日,属于小型海水淡化工程,且距离陆地比较远,CO2的储存及运输比较困难,且操作难度大,因此方案1和方案2不适用。Ca(OH)2需用生石灰制备,制备原料需要从陆地运输上岛,且使用过程中会产生大量的石灰渣,造成新的污染和破坏,因此方案3不适用。方案5采用自来水与海水淡化水进行勾兑,勾兑比例为1∶5~1∶10(淡化海水∶自来水),但岛上船运淡水量不足,该方案不适用。
  通过以上对比分析,本工程采用方案4,通过投加CaCl2和NaHCO3实现淡化水的矿化处理。
  4.4 浓海水处理
  本工程规模较小,周边海水量巨大,浓海水采用排海处理。
  5. 系统流程
  海水淡化系统由纳米催化电解絮凝沉淀系统、超滤系统、海水淡化膜系统、后处理系统、药剂投加系统组成。海水通过取水系统进入纳米催化电解机,电解机出水进入斜板沉淀池,再经过柱式超滤系统过滤后,作为海水淡化膜系统的进水。在反渗透海水淡化膜分离设备进行一级脱盐处理;一级脱盐处理后的水一部分直接作为饮用水,另一部分则进行二级脱盐;脱盐处理后的淡水作为饮用水供给岛上军民使用,浓缩海水进行排放。系统流程如图1所示。


海南三沙市永兴岛每天1000立方米海水淡化厂工程设计


  6. 主要构筑物设计参数
  6.1 综合池
  综合池包括纳米催化电解系统、絮凝沉淀池、海水储水池、预留水池、滤后海水池、一级淡水池、二级淡水池,组合建设。
  (1)纳米催化电解机。考虑海岛运输困难,同时减少排放浓海水对周边环境的影响。沉淀池设计不投加混凝药剂,采用纳米催化电解机电解海水助凝。电解机设于絮凝沉淀池上部,设计处理能力115立方米/小时,产生NaClO浓度0.8%。共设2组,单组处理能力57.5立方米/小时,停留时间4.5分钟,有效接触时间3分钟。
  (2)絮凝沉淀池。3座,每座尺寸4米(宽)×7米(长)×5米(深),蜂窝斜管50×1000,斜管90 平方米,表面负荷1.46立方米/(平方米·小时)。
  (3)海水储水池。接收沉淀池出水,1座,钢筋混凝土(防腐处理)材质。尺寸4米(宽)×8米(长)×5米(深);有效容积145立方米。
  (4)滤后海水池。接收超滤系统出水,规格与海水储水池相同。
  (5)一级淡水池。接收一级反渗透系统出水,规格与海水储水池相同。
  (6)二级淡水池。接收二级反渗透系统出水及部分一级反渗透系统出水。永兴岛上用水时变化系数较大,二级淡水池容积应满足水量调节需求,有效容积按日供水量的20%取值。水池进水管上投加次氯酸钠,最大投加量2mg/L。1座,钢筋混凝土(防腐处理)材质。尺寸5.5米(宽)×8米(长)×5米(深),有效容积200立方米。
  (7)预留水池。可同时接收二级反渗透系统出水或其它淡水(如岛外运水等)。1座,钢筋混凝土(防腐处理)材质。尺寸4米(宽)×8米(长)×5米(深),有效容积145立方米。
  6.2 综合净水车间
  综合净水车间内设超滤及反渗透系统。
  6.2.1 超滤系统
  采用压力式膜,设2套膜主机,主要设计参数如下:
  设计水温5~40 ℃,运行压力<0.15MPa,产水率≥90%,膜组件材质为聚偏氟乙烯(PVDF),膜组件数量80支,设计通量30升/(平方米·小时)。
  6.2.2 反渗透系统
  (1)一级反渗透系统。设计回收率43%,日运行时间24小时/日,工作温度5~40℃,运行压力≤0.65MPa,膜组件设计产水通量0.6立方米/(小时·支)。采用1堆膜组件,膜壳采用6芯装,13支膜壳,78支膜芯。
  (2)二级反渗透系统。设计回收率90%,日运行时间24小时/日,工作温度5~40 ℃,运行压力≤12.5 MPa。膜组件设计产水通量0.9立方米/(小时·支);设计按1堆膜组件,膜壳采用6芯装,6支膜壳,36支膜芯。


海南三沙市永兴岛每天1000立方米海水淡化厂工程设计


  7. 小结
  三沙市永兴岛海水淡化厂于2016年12月建成通水。现已正常运行一年多,产水1000立方米/日,运行中不投加混凝剂,消毒采用电解海水产生次氯酸钠,全厂电耗3~5千瓦小时/立方米。水质满足国标要求,饮用口感良好,较好地满足了岛上居民的生活用水需求。
  (作者单位:上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司)