净水技术 | 海水淡化工艺及天然矿化材料矿化效果分析

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随着由国家发改委、国家海洋局联合在2017年12月印发的《海岛海水淡化工程实施方案》的提出，海水淡化水将在2020年成为严重缺水海岛地区的主要供水方式之一。实施方案中明确指出，将通过3～5年的时间，在辽宁、山东、浙江、福建、海南等沿海城市重点推进100个左右的海水淡化工程(规模在50～1 000 m³/d)的建设和升级改造，以有效缓减海岛居民的用水问题和满足当地不断提高的生活和生产用水需求。

目前，主流的海水淡化技术有：多级闪蒸(MSF)、低温多效(MED)和膜法反渗透(RO)。借助于灵活多变、适应性强和建设维护成本低等优点,膜法反渗透已经逐渐成为“首推、首选”的海水淡化技术。

本文将针对海水淡化的取水、反渗透以及矿化材料进行讲述。

中小型海水淡化系统中的海滩井取水

海滩井取水是一种在沿海沙滩或海床下建造取水井，从井中抽取经过砂层或海床渗滤后的原海水的取水方式。通过这种方式取得的原海水，由于经过了天然砂层和海床的过滤，水质具有低浊度、低有机物含量、低微生物含量等优良特性。该取水方式受潮汐、海浪、海啸等影响较小，同时可以有效避免海洋生物的撞击和夹带(时常发生在地表取水方式中)。取水构筑物和设备多布置在地面以下，可以很好地融合到项目所在的自然环境中，减少不和谐感。

根据结构型式和适用范围的不同，海滩井可以分为管井、大口井、斜井、水平定向钻井和辐射井等几种类型。

管井

管井是一种利用钻井设备将井管从地表垂直打入到地下含水层中，从井管内抽取管井周边地下水的构筑物(图1)。一般适用于潜水、承压水、裂隙水、岩溶水。通常由井室、井壁管、过滤器和沉淀管组成。管井的设计主要包括井径、井深、井顶标高、开孔和终孔直径、井壁管及过滤器的种类、规格、材质、安装位置以及止水、封井等。位于阿曼的Sur海水淡化厂，生产容量为83 500 m³/d，是目前取水量最大的管井取水示范工程。

图1  管井示意图

大口井

大口井是一种采取人工开挖或沉井施工的方式将井筒埋设到地下含水层中，以截取浅层地下水的构筑物。适用于地下水埋深较浅，含水层较薄且渗透性强的地层取水。根据取水方式的不同，大口井可以分为完整井和非完整井；大口井一般由井筒、井口和进水部分组成。三沙市某岛屿容量为100 m³/d的海水淡化装置，采用了大口井的取水方式(图2)。

图2 大口井施工

斜井

斜井是一种以一定的倾斜角度将管井打入到海床下方的地下含水层中，从管井周边取水的构筑物。适用于潜水、承压水、裂隙水、岩溶水；斜井的组成构造和各部件功能类似于管井，除了与竖井相同的直接在管井内设置取水泵的取水方式外，还可以在斜井地面端的地下设置一过渡水池，从过渡水池中取水，有利于取水设备的维护和保养。图3是Geoscience Company公司为Monterey Peninsula海水淡化厂建造的测试井施工照片。

图3 斜井施工

水平定向钻井

水平定向钻井是一种采用水平定向钻技术以一定的角度将多孔取水管拉到海床下，在重力的作用下，通过海床的自然截留能力，过滤后的原海水进入多孔管内而获得原海水的一种构筑物。适用于沙土、黏土、卵石含量较少的地层，具有施工速度快、精度高和成本低等优点。位于西班牙的San Pedro del Pinatar海水淡化厂，采用了水平定向钻井的取水方式。

图4  San Pedro del Pinatar海水淡化厂水平定向钻井

辐射井

辐射井是一种由集水井及水平或倾斜的辐射管联合构成的取水构筑物。适用于较薄的含水层(5～10 m)和厚度小而埋深大的含水层，具有管理集中、占地省、便于卫生防护等特点。辐射管一般采用人工锤打、撞锤顶进、水射法、千斤顶法、套管法和水平钻机钻进法等施工方法。位于墨西哥的Salina Cruz海水淡化厂，采用了辐射井的取水方式。

图5  Salina Cruz海水淡化厂辐射井

各类井对比

表1为各海滩井类型的适用范围及特点，为项目的设计和选型提供了参考。

表1  各海滩井类型的适用范围及特点

反渗透海水淡化高压系统

“高压泵-正位移式功交换式能量回收-增压泵-膜组”

“高压泵-正位移式功交换能量回收-增压泵-膜组”是反渗透海水淡化工程中最为典型、成熟的工艺，其中功交换式能量回收设备按市场产品结构形式又分为转子式、交换缸式两种。该工艺的特点是高压泵可选用小流量泵，流量约等于系统产水流量；高压系统能量回收效率可达90%以上；设计形式灵活，可选择“一对一”独立膜堆式或“三中心”式设计；主要的缺点是系统必须配备增压泵，将能量回收增压后的海水进一步提升压力以补充过程中的压力损失；增压泵要承受进口、出口的双重高压，进口密封要求较高，价格也较一般水泵高；一般占地面积较大，工艺控制相对较复杂。

“高压泵-水力透平能量回收-膜组”

“高压泵-水力透平能量回收-膜组”是最早应用的反渗透高压系统工艺，该工艺的主要特点是高压泵与能量回收成串联式连接，高压泵需具有较高的流量，但扬程较低，无需配备增压泵，系统控制、操作也相对较简便，一次设备投资也较“高压泵-功交换能量回收-增压泵-膜组”工艺低。但该种工艺的能量回收设备有效能回收效率低，一般在50%～70%，综合能耗相对较高，从运行成本来看，较上一种工艺有明显的劣势。从应用规模来看，该工艺较灵活，产水规模从百吨级到万吨级以上都可选用。

“高压泵-能量回收增压泵一体机-膜组”

该工艺主要是基于一种新型的能量回收设备，这种能量回收设备相当于将能量回收、增压泵一体集成，省去了增压泵、增压管路、阀门、仪表等高压设备及材料，按该产品的技术特点，较适合规模为1 000 t/d级，且能量回收效率较高，可达到93%以上。能够得到能量回收效率高、更加紧凑的高压系统。由于该种能量回收设备精密度较高，在高压系统进水处应设置绝对过滤精度为10 μm或更高的保安过滤器。另外，该产品在运行时有较大的噪音和震动，在高压系统设计时，应设置降震、减噪的措施，如选用高压软管、底座设计减震垫等。

“高压泵能量回收一体机-膜组”

高压泵能量回收一体机是将高压泵与能量回收设备一体连接，通过高压浓水驱动能量回收器，提高高压泵的转速和运行压力，从而降低高压泵配备电机的功率，达到能量回收利用的目的。该种工艺的最大优势就是结构紧凑、占地面积小，非常适合一体式的小型淡化装置，最大的缺点就是可选择的规模较少、灵活性较差。在选用该工艺进行设计时，必须要基于相应产品的性能特点进行集成，需协调好回收率、产水量与高压泵能量回收一体机的匹配问题。同时，因能量回收增压器与高压泵同轴转动，系统设计时应增加防止过流、超转速的保护措施。

“高压泵-膜组”

“高压泵-膜组”这种组合方式是反渗透淡化最早、最传统的工艺，系统的运行压力完全由高压泵来决定，系统可靠性较高，故障率较低。但该工艺最大的缺点就是吨水能耗高。自能量回收技术出现以后，该工艺已很少在反渗透海水淡化工程中应用，目前也仅仅应用在产水规模100 t/d级以下的一些特殊场合，比如空间有限、对可靠性要求高、维护条件简陋的船舶、平台、岛屿等地点。

性能比较

海水淡化用高压泵主要有2种形式：柱塞式高压泵、多级离心高压泵。

表2 不同形式的高压泵性能比较

市场上常见的能量回收设备形式主要包括采用正位移功交换原理和水力透平原理的两大类。

表3 不同形式的能量回收设备性能比较

天然矿化材料

高效利用淡化海水，需要对其选择合适方式进行矿化处理。通常淡化海水后矿化过程是通过过滤、投加化学药剂来实现，主要分为3大类方法：与其他水源混合法、添加药剂法、溶解富含碳酸钙的矿石。本试验不添加化学药剂，选取麦饭石、沸石、木鱼石和扇贝壳4种矿化材料，采用溶解法对淡化海水进行矿化处理。

矿化试验分为两部分：①烧杯浸泡试验主要研究静置浸泡时间和搅拌浸泡时间对矿化效果的影响。在不同条件下用淡化海水浸泡不同矿化材料，检测矿化后水样中矿物质含量，与原水水样中矿物质含量进行比较，选出较理想的矿化材料；②填充柱试验主要研究淡化海水流量和pH对矿化效果的影响。在试验装置的3个柱子中填充不同的矿化材料，使流动的淡化海水通过填充柱，检测出水水样中矿物质的含量，与进水水样中矿物质含量进行比较，筛选最佳工艺条件。

 烧杯试验结果与分析

静置浸泡时间对矿化效果的影响

矿化效果如表4所示。

表4 不同静置浸泡时间下矿化结果

图6 不同静置浸泡时间下溶解性总固体的溶出量

图7 不同静置浸泡时间下总硬度的溶出量

由图6～图7可知，与原水相比较，4种矿化材料矿化水中溶解性总固体和总硬度均有提升，其中扇贝壳组试验最为明显，矿物质含量增长量最大，木鱼石矿物质含量增长量最小。同种矿化材料的不同静置浸泡时间下的试验结果相互对比，矿物质含量相差不大，说明此试验条件下8 h的浸泡时间已经足够长。

4种矿化材料均有偏硅酸溶出。麦饭石溶出偏硅酸较多，可达4～6 mg/L。沸石溶出偏硅酸为2～3 mg/L，木鱼石溶出偏硅酸为1～2 mg/L。扇贝壳溶出偏硅酸较少，但溶解性总固体、碱度、总硬度等指标增量都较大，具有研究价值。木鱼石各种矿物质元素溶出量均不突出，不适用于淡化海水的矿化处理。

搅拌浸泡时间对矿化效果的影响

矿化效果如表5所示。

表5 不同搅拌浸泡时间下矿化结果

图8 不同搅拌浸泡时间下溶解性总固体的溶出量

图9 不同搅拌浸泡时间下总硬度的溶出量

对比表7、图8、图9中试验数据可知，各种元素溶出量较低且差别不大；矿物质总量指标总硬度、溶解性总固体等除扇贝壳外基本与原水差别不大；几种矿化材料在该条件下均无偏硅酸溶出；沸石和扇贝壳有有益元素锶元素溶出，含量约为0.05～0.07 mg/L。主要原因是搅拌时间较短且pH接近中性，矿物质很难溶出，矿化效果不明显。

填充柱试验结果与分析

矿化效果如表6所示，混合组为麦饭石组、沸石组和扇贝壳组的混合水。

表6 填充柱试验矿化结果

图10 填充柱试验下溶解性总固体的溶出量

图11 填充柱试验下总硬度的溶出量

对比表4、图10、图11中A、B两组试验可知，pH对扇贝壳的矿化效果影响较大，不添加二氧化碳调节pH时，几乎无矿物质溶出(A组)，加入二氧化碳调节pH值为4.3后，矿物质溶出量明显增多(B组)。对比B、C两组试验数据可知，水在填充柱中的流量对扇贝壳的矿化效果有影响，流量小，矿物质溶出量更大，原因是流量变小，流速变慢，水力停留时间增长，矿化材料的浸泡时间相应增大，矿物质溶出量增多。因此，降低pH并增大水力停留时间，有利于矿物质溶出。

总之，3种矿化材料仅扇贝壳有明显的锶元素溶出，其他2种矿化材料无锶溶出。

结论

(1)静置浸泡试验结果得出，浸泡时间越长，矿化材料中元素溶出量越多。考虑有益矿物质元素的溶出量时，麦饭石溶出偏硅酸较多、沸石溶出锶和偏硅酸均较多，扇贝壳锶和其他矿物质指标如溶解性总固体、碱度、总硬度等增量都较大，均有研究价值，而木鱼石各种矿物质元素溶出量均不明显。

(2)搅拌浸泡试验结果得出，搅拌浸泡试验各种元素溶出量较低且差别不大；几种矿化材料在该条件下均无偏硅酸溶出；沸石和扇贝壳有有益元素锶元素溶出。

(3)填充柱试验试验表明，降低pH且增长水力停留时间，有利于矿物质溶出。3种矿化材料仅扇贝壳有明显的锶元素溶出，并达到了《饮用天然矿泉水国家标准》(GB 8537—2008)标准。扇贝壳的钙元素溶出量很高，使矿化水的总硬度大大提升，但存在菌落数超标、浊度较高的问题，需要再处理。

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排版：王佳

参考资料

1. 李洋，王福家，李华.海滩井取水方式在中小型海水淡化系统中的应用[J].净水技术,2019,38(9): 135-140.

2. 邵天宝，李露，卜建伟，等. 反渗透海水淡化高压系统设计及设备选型要点 [J].净水技术,2019,38(9): 131-134.

3. 赵葆，武桂芝，赵洪武，等. 几种天然矿化材料对淡化海水的矿化效果[J].净水技术,2019,38(10): 124-130.

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