馬朝勤，王 冰，李玉磊

(1.中國(guó)電建集團(tuán)河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450007；2.潤(rùn)電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450018)

0 引言

海水是一種復(fù)雜的多組分水溶液，所含物質(zhì)分為鹽類(lèi)、有機(jī)化合物、溶解氣體等溶解物質(zhì)、以及有機(jī)固體、無(wú)機(jī)固體和膠體等固體物質(zhì)，其中水約占96%～97%，其他物質(zhì)約占3%～4%。海水反滲透淡化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，海水中的懸浮物、膠體物質(zhì)、可溶性有機(jī)高分子、微生物和細(xì)菌等聚集在反滲透膜表面會(huì)使膜受到污染，破壞膜性能[1-2]，海水的pH 值、溫度、余氯含量、壓力等參數(shù)的劣化會(huì)引起膜水解、氯化[3]。因此，反滲透海水淡化系統(tǒng)除了設(shè)置海水澄清、過(guò)濾、超濾等預(yù)處理系統(tǒng)外，一般還需設(shè)置輔助加藥系統(tǒng)以控制反滲透膜進(jìn)水的濁度、溫度、pH 值、游離余氯、淤泥密度指數(shù)(silt density index， SDI)等指標(biāo)[4]，常用的加藥系統(tǒng)包括海水淡化預(yù)處理加殺菌劑、凝聚劑和助凝劑、超濾加強(qiáng)反洗加酸、堿和殺菌劑、反滲透進(jìn)水加還原劑和阻垢劑。

海水淡化產(chǎn)水純度高且供給穩(wěn)定，但在反滲透膜脫除海水中鹽分和有害物質(zhì)的同時(shí)也脫除了對(duì)人體有益成分，使得海水淡化產(chǎn)水中的堿度、硬度和鈣含量均很低，水質(zhì)不穩(wěn)定，有很強(qiáng)的腐蝕性，不經(jīng)過(guò)處理會(huì)腐蝕管網(wǎng)及其附屬設(shè)施，引起“黃水”“紅水”現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致管網(wǎng)中的有害物質(zhì)溶出[5-7]，因此需設(shè)置輔助加藥系統(tǒng)對(duì)海水淡化產(chǎn)水進(jìn)行礦化處理，調(diào)節(jié)pH 值，提高堿度、硬度，以保證用水的安全性并抑制管網(wǎng)腐蝕[4]，常用的加藥系統(tǒng)包括海水淡化產(chǎn)水加堿、加殺菌劑和礦化劑。

1 工程概況

某濱海電廠(chǎng)以海水為水源，采用反滲透海水淡化系統(tǒng)制備廠(chǎng)內(nèi)工業(yè)用水和生活用水。反滲透海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模為3×100 m3/h，即按照3 套50%的設(shè)備進(jìn)行配置，單套出力為100 m3/h。海水的主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1所列，根據(jù)水質(zhì)情況，本工程海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)為海水澄清預(yù)處理系統(tǒng)+超濾(ultra-filtration，UF)系統(tǒng)+海水反滲透淡化(sea water reverse osmosis，SWRO)系統(tǒng)，其中澄清預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模為2×750 m3/h，超濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模為3×223 m3/h，海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模為3×100 m3/h。

表1 海水水質(zhì)分析資料

該工程海水淡化系統(tǒng)共設(shè)置12 套輔助加藥裝置，分別為海水預(yù)處理加殺菌劑(NaClO)、凝聚劑(FeCl3)和絮凝劑(polyacrylamide，PAM)，超濾加強(qiáng)反洗加酸(HCl)、堿(NaOH)和殺菌劑(NaClO)，海水反滲透進(jìn)水加還原劑(NaHSO3)和阻垢劑，海水反滲透出水加堿(NaOH)，海水淡化產(chǎn)水加殺菌劑(NaClO)、氯化鈣(CaCl2)、碳酸氫鈉(NaHCO3)。各加藥點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 海水淡化系統(tǒng)工藝流程示意圖

2 加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 海水預(yù)處理加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

為了去除海水中大顆粒泥沙、膠體、微生物等雜質(zhì)，海水預(yù)處理常用加藥系統(tǒng)包括加殺菌劑(NaClO)、凝聚劑(FeCl3)和助凝劑(PAM)，加藥泵設(shè)計(jì)計(jì)算如式(1)～(3)所示，加藥箱設(shè)計(jì)計(jì)算如式(4)所示。

式 中：QNaClO為NaClO 溶 液 加 藥 泵 流量；QFeCl3為 FeCl3溶液加藥泵流量；QPAM為 PAM 溶液加藥泵流量；Qclarifier為海水澄清池的進(jìn)水流量，本工程為750 m3/h；ρ藥劑為 NaClO、FeCl3、PAM 配置溶液的密度，約1 000 g/L；QCl為 有效氯加藥量，為0.5 ～1 mg/L，本工程設(shè)計(jì)取1 mg/L；Rac為單位NaClO 中的有效氯含量，為0.953；CNaClO為NaClO 溶液的配置濃度，本工程設(shè)計(jì)取3%；QFe為 鐵鹽加藥量(以Fe3+計(jì))，為5 ～10 mg/L[5]，本工程設(shè)計(jì)取7.5 mg/L；MFeCl3為FeCl3的分子量，為162.5；MFe為Fe 的分子量，為56；CFeCl3為 FeCl3溶液的配置濃度，本工程設(shè)計(jì)取8%；QP為 PAM 加藥量，為0.5 ～1.5 mg/L，本工程設(shè)計(jì)取1 mg/L；CPAM為 PAM 溶液的配置濃度，本工程設(shè)計(jì)取0.2%；V藥劑為 NaClO、FeCl3、PAM 溶液加藥箱容量；Q藥劑為 NaClO、FeCl3、PAM 溶液加藥泵流量；R為 加藥泵裕量，本工程設(shè)計(jì)取25%；T為 加藥箱容量選取的連續(xù)加藥時(shí)間，本工程設(shè)計(jì)取8 h。

2.2 超濾加強(qiáng)反洗加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了防止超濾膜被污染，延長(zhǎng)超濾膜使用壽命，超濾反洗常用加藥系統(tǒng)包括加酸(HCl)、堿(NaOH)和殺菌劑(NaClO)，反洗加酸去除超濾膜的無(wú)機(jī)物污染，如鐵、鋁等高價(jià)金屬膠體或懸浮物、硬度結(jié)垢等；加堿和殺菌劑去除超濾膜的有機(jī)物及活性生物引起的污染[8]。加藥泵設(shè)計(jì)計(jì)算如式(5)所示，加藥箱設(shè)計(jì)計(jì)算如式(6)所示。

式中：Q藥劑為 HCl、NaOH、NaClO 溶液加藥泵流量；V藥劑為HCl、NaOH、NaClO溶液加藥箱容量；QUFBW為 UF 反洗水流量，本工程為450 m3/h；C藥劑1為 UF 反洗水中HCl、NaOH、NaClO 溶液濃度，本工程設(shè)計(jì)CHCl1濃度取0.1%，CNaOH1濃度取0.05%，CNaClO1濃度取0.1%；C藥劑2為 HCl、NaOH、NaClO 原溶液濃度，本工程設(shè)計(jì)CHCl2濃度取35%，CNaOH2濃度取35%，CNaClO2濃度取10%；R為 加藥泵裕量，本工程設(shè)計(jì)取25%；N為 UF 系統(tǒng)24 h 的加強(qiáng)反洗次數(shù)，本工程設(shè)計(jì)取3 次；T為 UF 系統(tǒng)每次反洗加藥時(shí)間，本工程設(shè)計(jì)取60 s。

2.3 海水反滲透進(jìn)水加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了去除海水反滲透進(jìn)水余氯，控制游離余氯小于0.1 mg/L[4]，進(jìn)水常采用加還原劑(NaHSO3)處理；為了提高無(wú)機(jī)鹽在海水反滲透進(jìn)水中的溶解度，減少結(jié)垢沉積發(fā)生機(jī)率，控制濃水側(cè)結(jié)垢問(wèn)題，進(jìn)水常采用加阻垢劑處理，加藥泵設(shè)計(jì)計(jì)算如式(7)所示，加藥箱設(shè)計(jì)計(jì)算如式(8)所示。

式中：Q藥劑為NaHSO3、阻垢劑溶液加藥泵流量；V藥劑為NaHSO3、阻垢劑溶液加藥箱容量；Q藥劑'為NaHSO3、阻垢劑加藥量，分別為0.5 ～5 mg/L 和1 ～3 mg/L，本工程設(shè)計(jì)QNaHSO3'取5 mg/L，Q阻垢劑'取3 mg/L；QRO為海水反滲透進(jìn)水流量，還原劑加在進(jìn)水母管QRO為2×223 m3/h，阻垢劑加在進(jìn)水支管QRO為223 m3/h；C藥劑為NaHSO3、阻垢劑溶液的稀釋濃度，本工程設(shè)計(jì)CNaHSO3取8%，C阻垢劑取10%；ρ藥劑為NaHSO3、阻垢劑配置溶液的密度，約1 000 g/L；R為加藥泵裕量，本工程設(shè)計(jì)取25%；T為加藥箱容量選取的連續(xù)加藥時(shí)間，本工程設(shè)計(jì)取8 h。

2.4 海水淡化產(chǎn)水加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了調(diào)整呈弱酸性反滲透產(chǎn)水的pH 值，常采用加堿(NaOH)處理；為了使產(chǎn)品水滿(mǎn)足工業(yè)用水和生活用水的水質(zhì)要求，并抑制對(duì)設(shè)備和管網(wǎng)系統(tǒng)的腐蝕，海水淡化產(chǎn)水常采用礦化處理，礦化劑一般包括NaOH、NaHCO3、Na2CO3、CaO、CaCl2等[5]。本工程采用投加CaCl2和NaHCO3進(jìn)行礦化處理，該方法運(yùn)行維護(hù)較為簡(jiǎn)便，已成功應(yīng)用于三沙永興島海水淡化工程，出水水質(zhì)達(dá)到GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[9]。CaCl2和NaHCO3礦化劑應(yīng)密封儲(chǔ)存于陰涼干燥通風(fēng)的環(huán)境中，礦化劑加藥泵設(shè)計(jì)計(jì)算如式(9)～式(12)所示，加藥箱設(shè)計(jì)計(jì)算如式(13)所示。

式中：QNaOH為NaOH 溶液加藥泵流量；QNaClO為NaClO 溶液加藥泵流量；QNaHCO3為NaHCO3溶液加藥泵流量；QCaCl2為CaCl2溶液加藥泵流量；Q為工業(yè)和生活用水流量，本工程為120 m3/h；ρ藥劑為 NaOH、NaClO、NaHCO3、CaCl2配置溶液的密度，約1 000 g/L。CH+為海水淡化產(chǎn)水中H+含量，本工程設(shè)計(jì)取pH=5，CH+=10-5mol/L；COH-為水質(zhì)調(diào)整后OH-含量，本工程設(shè)計(jì)取pH=9，COH-=10-5mol/L；MNaOH為NaOH 的分子量，為40；CNaOH為NaOH 稀釋溶液的濃度，本工程設(shè)計(jì)取1%；QCl為有效氯加藥量，本工程設(shè)計(jì)取1 mg/L；Rac為單位NaClO中的有效氯含量，為0.953；CNaClO為 NaClO 的配置濃度，本工程設(shè)計(jì)取1%；QNa為NaHCO3加藥量，使總堿度不小于40 mg/L(以CaCO3計(jì))，相當(dāng)于不小于33.6 mg/L NaHCO3，本工程設(shè)計(jì)取35 mg/L；CNaHCO3為 NaHCO3溶液的配置濃度，本工程設(shè)計(jì)取8 %；QCa為 CaCl2加藥量，使總硬度不小于40 mg/L(以CaCO3計(jì))，相當(dāng)于不小于44 mg/L CaCl2，本工程設(shè)計(jì)取45 mg/L；CCaCl2為 CaCl2溶液的配置濃度，本工程設(shè)計(jì)取10%；V藥劑為 NaOH、NaClO、NaHCO3、CaCl2溶液加藥箱容量；Q藥劑為NaOH、NaClO、NaHCO3、CaCl2溶液加藥泵流量；R為加藥泵裕量，本工程設(shè)計(jì)取25%；T為加藥箱容量選取的連續(xù)加藥時(shí)間，本工程設(shè)計(jì)取8 h。

3 加藥裝置配置

加藥裝置配置取決于藥劑的種類(lèi)、形態(tài)和投加濃度等，一般由投料系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、投加系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。本工程中，絮凝劑加藥裝置設(shè)置有專(zhuān)門(mén)的投料控制裝置和配料三聯(lián)箱，用于嚴(yán)格控制干粉的添加量；酸、堿、凝聚劑、殺菌劑加藥裝置設(shè)置有儲(chǔ)罐，通過(guò)重力流向加藥箱補(bǔ)液，并在加藥箱中攪拌配液；其他藥劑采取人工手動(dòng)投料方式，并在加藥箱中攪拌配液。所有藥劑的投加系統(tǒng)包括加藥箱、加藥計(jì)量泵及配套管路、閥門(mén)等，除絮凝劑采用專(zhuān)門(mén)的三聯(lián)箱外，其他藥劑均設(shè)置兩臺(tái)加藥箱(互為備用)用于溶解和儲(chǔ)存藥劑，對(duì)于一個(gè)加藥點(diǎn)的藥劑設(shè)置兩臺(tái)加藥計(jì)量泵(1 用1 備)，對(duì)于兩個(gè)加藥點(diǎn)的藥劑設(shè)置三臺(tái)加藥計(jì)量泵(2 用1 備)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合工程實(shí)際要求(設(shè)備盡量可以相互備用，設(shè)備布置整齊美觀)，對(duì)加藥泵和加藥箱的計(jì)算值進(jìn)行工程設(shè)計(jì)取值，加藥箱和加藥泵詳細(xì)配置見(jiàn)表2所列。

表2 海水反滲透淡化系統(tǒng)加藥裝置配置

4 加藥設(shè)備運(yùn)行控制方式

4.1 海水預(yù)處理加藥系統(tǒng)

海水預(yù)處理過(guò)程中，在加藥箱內(nèi)分別配置3% NaClO 溶液，8%凝聚劑溶液，0.2%絮凝劑溶液，然后通過(guò)加藥泵將NaClO 和FeCl3溶液投加到海水澄清池入口管道混合器，將PAM 溶液投加到海水澄清池絮凝區(qū)。澄清池進(jìn)水管道設(shè)置流量計(jì)，加藥泵與其連鎖用來(lái)調(diào)節(jié)加藥量。澄清池出水管道設(shè)置在線(xiàn)余氯分析儀用來(lái)監(jiān)測(cè)澄清海水中余氯，進(jìn)而調(diào)節(jié)NaClO 加藥量；澄清池進(jìn)水管道和出水管道設(shè)置濁度儀，用于監(jiān)測(cè)澄清效果，進(jìn)而調(diào)節(jié)凝聚劑和絮凝劑加藥量。

4.2 超濾加強(qiáng)反洗加藥系統(tǒng)

根據(jù)水質(zhì)變化，運(yùn)行時(shí)如果UF 進(jìn)水中無(wú)機(jī)物造成UF 膜污染，則采用HCl 加強(qiáng)反洗；如果UF 進(jìn)水中有機(jī)物造成UF 膜污染，則采用NaOH 和NaClO 加強(qiáng)反洗。通過(guò)加藥泵將加藥箱內(nèi)的原濃度藥劑輸送至超濾反洗管道混合器內(nèi)，使反洗溶液中HCl 濃度達(dá)到0.1%，或(NaClO+NaOH)濃度達(dá)到(0.1% NaClO+0.05%NaOH)。加藥泵的啟動(dòng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況(如超濾膜壓差大于0.13 MPa)通過(guò)手動(dòng)操作或者設(shè)定固定時(shí)間間隔(如8 h)進(jìn)行定期加強(qiáng)反洗。

4.3 海水反滲透進(jìn)水加藥系統(tǒng)

海水淡化過(guò)程中，在加藥箱內(nèi)分別配置8%NaHSO3溶液，10%阻垢劑溶液，然后通過(guò)加藥泵將NaHSO3溶液投加到海水反滲透進(jìn)水母管管道混合器內(nèi)，阻垢劑溶液投加到海水反滲透進(jìn)水支管管道混合器內(nèi)。反滲透進(jìn)水母管和支管設(shè)置流量計(jì)，加藥泵與其連鎖用來(lái)調(diào)節(jié)加藥量。還原劑加藥點(diǎn)后設(shè)置ORP 表用來(lái)監(jiān)測(cè)海水反滲透進(jìn)水的氧化還原電位，進(jìn)而調(diào)節(jié)NaHSO3加藥量；海水反滲透進(jìn)水管道設(shè)置手動(dòng)SDI 分析儀，用于手動(dòng)化驗(yàn)進(jìn)水SDI 值，進(jìn)而調(diào)節(jié)阻垢劑加藥量。

4.4 海水淡化產(chǎn)水加藥系統(tǒng)

海水淡化過(guò)程中，在加藥箱內(nèi)分別配置1%濃度的NaOH 溶液，1%濃度的NaClO 溶液，8%濃度的NaHCO3溶液和10%濃度的CaCl2溶液。然后通過(guò)加藥泵將NaOH 溶液投加到海水反滲透出水母管管道混合器內(nèi)，將NaClO、NaHCO3、CaCl2溶液投加到淡水泵出口管道混合器內(nèi)。海水反滲透出水管和淡水泵出口管設(shè)置流量計(jì)，加藥泵與其連鎖用來(lái)調(diào)節(jié)加藥量。NaOH 加藥點(diǎn)后設(shè)置pH 表用來(lái)監(jiān)測(cè)海水淡化產(chǎn)水的pH 值，進(jìn)而調(diào)節(jié)NaOH 加藥量；淡水泵出口管道設(shè)置在線(xiàn)余氯分析儀用來(lái)監(jiān)測(cè)淡水中余氯，進(jìn)而調(diào)節(jié)NaClO 加藥量；淡水泵出口管道設(shè)置pH 表用來(lái)監(jiān)測(cè)淡水泵出口pH 值，進(jìn)而調(diào)節(jié)NaHCO3和CaCl2加藥量。

5 結(jié)語(yǔ)

海水淡化已成為濱海電廠(chǎng)獲取淡水水源的重要途經(jīng)，全球海水淡化技術(shù)有20 多種，其中反滲透海水淡化技術(shù)以工藝簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行成本低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，而加藥處理作為防控膜污染、保證淡水水質(zhì)使用標(biāo)準(zhǔn)的有效途徑，其選型和配置對(duì)于延長(zhǎng)膜的使用壽命和抑制管網(wǎng)腐蝕具有極為重要的意義，因此加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)在反滲透海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有重要地位，本文詳細(xì)介紹了某濱海電廠(chǎng)反滲透海水淡化系統(tǒng)12 套加藥裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程、配置情況和加藥設(shè)備運(yùn)行控制方式。