原海水预处理研究

原海水预处理研究

 杨兴涛,李珂,王钧,梁俊哲

青岛百发海水淡化有限公司 山东青岛 266043

摘要：将海水水质和海水利用状况相结合，分析中国渤海、黄海、东海、南海4个海域海水淡化的相关水质情况，归纳各地区海水利用的工艺技术条件和发展现状，分析形成原因和经验教训，根据不同海域，不同水质制定合适的预处理方案，同时，结合本文研究成果，针对10万吨级海水淡化项目预处理方式的选择进行了方案比选论证。为海水淡化产业发展和转型方向提供参考，并为中国海水利用的发展提供新的思考途径。

关键词：预处理；海水淡化；海水水质；工程实例

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由于海水中的盐度、硬度、溶解性总固体及其他杂质的含量均较高，易造成反渗透膜污堵，蒸馏淡化装置结垢等问题，导致运行、维护费用、能耗及造水成本增加，因此必须对进料海水进行适当的预处理。预处理可以降低清洗的次数、延长反渗透膜的使用寿命和提高蒸馏淡化装置的热效率、降低淡化过程的能耗及维护费用。因此，合理的预处理工艺是淡化装置成功运行的决定性因素之一。

无论是在哪种海水淡化技术，在制定海水预处理方案时应充分考虑到以下方面：

1）海水中存在大量微生物、细菌和藻类。海水中细菌、藻类的繁殖和微生物的生长不仅会给取水设施带来许多麻烦，而且会直接影响海水淡化设备及工艺管道的正常运转。

2）风浪、潮汐作用使海水中混杂大量泥沙，浊度变化大，易造成海水预处理系统运转不稳定。

3）海水具有较大腐蚀性，海水预处理系统设备要考虑耐腐蚀性。传统的海水预处理工艺包括多个环节：加氯杀菌、在线絮凝、两级多介质过滤、加酸调pH、加阻垢剂和还原剂、保安过滤等。但传统的多介质和保安过滤器并不能有效去除胶体和悬浮物质。此外，在反洗之后的滤饼形成期，高浓度的胶体和悬浮物质会随出水排出来；在两次反洗之间的过滤过程中率速会加快，导致胶体和悬浮物质提前穿透。因此，出水水质会产生较大波动，在预防结垢和污染方面均能力有限。随着反渗透技术和蒸馏技术的日渐完善，传统预处理工艺已成为海水淡化的主要制约因素。

1不同海域的水质分析及预处理工艺现状调研分析

1.1 渤海的水质特征及预处理工艺现状调研分析

渤海是一个近封闭的内海，水温受北方大陆性气候影响显著，2月份平均水温在0℃左右，8月份达22℃。受大陆淡水注入的影响，盐度仅为30‰，是中国近海中最低的。1978-2020年历年8月的观测资料结果表明渤海夏季海水pH年际变化范围为7.81-8.27，渤海水温年际变化、降水量（酸雨）和月均黄河口径流量年际变化是影响海水pH变化的主要因素。经研究发现2022年4-7月渤海湾海水温度为12.7-30.5℃、pH为7.32-8.57、海水CODMn为0.94-3.29 mg/L、溶解性总固体（TDS）为 30.2-32.5 g/L、浊度为13.2-134 NTU、Cl-为17.5-18.7 g/L、电导率为45800-48700μS/cm。整体而言渤海水质的浊度变化范围较宽，主要受渤海湾海水泥沙含量的影响，特别在有潮汐和风浪时会大幅升高。此外还发现海水温度升高会使操作压力和脱盐率下降，主要是因为水温上升导致水的黏度降低，膜材料的渗透性能提高，从而透过的盐分增加。整体而言，渤海湾水质在温度、浊度方面变化较大，有机物、SDI较高，盐度较低。

渤海地区是中国海水淡化工程应用最广泛的地区。《2021年全国海水利用报告》统计数据表明：截止2021年底,该地区海水淡化总规模为127.9万m3/d，约占全国总规模的68.9%。从技术应用来看，目前世界上主流的海水淡化技术(反渗透、低温多效、多级闪蒸)均在该区域有所应用。其中以反渗透和低温多效为主,应用反渗透海水淡化技术的工程规模达84.7万m³/d,占渤海地区海水淡化规模的66.2%，其中华能威海电厂是威海市主要的海水淡化企业，年淡化海水237万m3，针对渤海海水特点，该电厂采取的预处理工艺如下：海水取水→加NaClO系统→加PAC、PAM系统→多介质过滤器→活性炭过滤器，此外为了克服冬季水源低温的影响，水源主要来自循环水和凝汽器排水。渤海地区应用低温多效技术的海水淡化工程规模达42.7万m3/d,占渤海地区海水淡化规模的33.4%。其预处理工艺为高潮位取水→二沉池→微砂加速絮凝沉降池→清水池。

1.2 黄海水质特征及预处理工艺现状调研分析

黄海海水的温度和盐度随地区差异显著，季节和日变化较大，具有明显的陆缘海特性。海区东南部表层年平均温度为16.7 ℃，盐度通常＞31.0‰；北部鸭绿江口表层年平均温度＜11 ℃，盐度一般＜29.0‰。整体而言黄海的水温年变化小于渤海，平均为16-25 ℃，海水盐度为32‰，呈现由南向北、由海区中央向近岸，温度和盐度都几乎均匀降低的特征。黄海的水温主要受冬季气温、黑潮现象等影响；盐度主要受黄海暖流、渤海热通量、海域冬季大风以及黄河径流量变化的影响。春季南、北黄海中部表层pH稍高，沿岸较低；夏季表层pH东西两侧偏低；秋冬季黄海表层pH相当均匀，仅朝鲜半岛近岸有低值区。黄海海域的浊度分布具有明显的区域差异，在北部成山头的近海域出现高值，中部与南部离岸水域为低值区。胶州湾表层海水中pH、DO、COD、Cu、Zn、油类等指标均符合二类海水水质标准，SS、TDS 含量较低，该区海水可作为淡化取水水源，但预处理工艺中应关注钙、镁、铁和锰的影响。整体而言黄海海水具有盐度、温度年变化小，近岸有机物高的特点。

黄海地区海水淡化工程主要应用在辽宁省、山东省和江苏省等沿海省份。山东省青岛市淡水资源贫乏，目前引黄济青工程、南水北调工程、海水淡化相关企业等都是利用海水淡化技术来供应饮用水。其中青岛百发海水淡化有限公司海水淡化产能为20万 m3/d，采用海水反渗透淡化技术，其预处理工艺为海水→加NaClO系统→微孔过滤器→超滤膜组件。大唐黄岛电厂海水淡化产能为1.6万 m3/d ，采用的预处理流程为：黄海原水→调节池→斜管沉淀池→盘滤→SVF超滤工艺，为解决冬季进水温度过低问题，将凝汽器冷却海水引入海水淡化系统。江苏省海岸线长，但多为淤泥质海岸，利用难度大。2006年来有多个项目建成投产，盐城射阳港电厂二、三期扩建工程采用海水冷却，年利用海水3.5亿m3。2007年连云港田湾核电站正式投入运营。这为江苏省海水利用的进一步发展积累了经验，并为全面进行海水直接利用起到工程示范作用。

1.3 东海水质特征及预处理工艺现状调研分析

东海是中国岛屿最多的海域，濒临中国的沪、浙、闽、台4省市。东海海域水体平均盐度为31‰-32‰，东部较高为35‰，水温度平均9.5 ℃，冬季南部水温在21 ℃以上。通过研究东海北部冬、夏季悬浮物浓度的分布特征和运输规律，发现东海北部悬浮物运输季节变化特征明显，冬季陆架上悬浮物浓度明显高于夏季。研究发现东海水体的悬浮物浓度自近岸向外海降低，等值线走向基本与岸线平行，浓度最大区域位于长江口及闽浙沿岸，浓度最低区域位于100 m等深线以深的外海。整体而言，东海海水水质具有盐度高、温度高、近岸悬浮物和SDI高的特点。

东海地区海水淡化工程主要应用在浙江省、福建省、台湾省及上海市。海水淡化产业在上海刚刚起步，发展相对滞后，但上海却拥有较为先进的海水淡化技术，如上海电气的低温多效海水蒸发技术，该技术日产淡水量达12000 m3。上海704所与711所拥有较先进的多级闪蒸技术，华东理工大学拥有海水淡化浓盐水处理技术、低温多效蒸发器生产的关键设备——烧结型表面多孔管高通量换热器的生产技术。目前，上海决定通过政策来推动海水淡化产业，这是快速提升海水淡化产业发展的重要途径。截至2021年底，浙江省现有海水淡化工程规模44.5万m3/日，淡化水已成为浙江主要海岛和沿海部分缺水地区淡水资源的重要补充。目前已有的大型海水淡化工程有华能玉环电厂、大唐乌沙山电厂、舟山六横电厂、嵊山岛海水淡化工程等。海岛地区舟山市是我国最早建设海水淡化工程的地区，截至2021年9月底，舟山总共建成海水淡化装置近40套，规模达15.42万 m3/d。其中六横电厂10万m3/d海水淡化工程是我国大型海水淡化项目之一，其预处理工艺流程为海水→絮凝反应池→斜板沉淀池→多介质机械过滤器→保安过滤器→反渗透系统。针对东海水域受风浪和长江入海水影响、浊度变化大等情况，舟山各淡化企业采用浊度变化环境下调节药剂投加量及配比的方法，稳定前处理海水水质，降低制水成本。

1.4 南海水质特征及预处理工艺现状调研分析

南海被中国大陆、台湾岛、菲律宾群岛、大巽他群岛及中南半岛所环绕。南海海域面积为356万平方公里，其中有超过200个无人居住的岛屿和岩礁，通称为南海诸岛。温度上，由于接近赤道，南海表层水温较高，年平均水温为25.7-28.8℃，年温差变化小。盐度上，受沿岸淡水注入的影响，近岸海域盐度较低，中、南部海域盐度分布较均匀，为31.5‰-32.5‰，最高盐度值出现在次表层，可达33.9‰。海南西部近海海域表层水体浊度与悬浮颗粒物浓度由近岸向外海方向逐渐降低，水体浊度和悬浮颗粒物体积浓度随着水深增加而增大。整体而言，南海海域具有温度高、盐度高、近岸SDI高的特点。

南海地区海水淡化工程主要应用在广东省、广西省和海南省。南海区中，香港的海水利用技术位于世界前列，其海水冲厕规模居世界之最。在海水淡化研究方面，目前香港已建立鸭脷洲和屯门的小型海水淡化试验工程，正在兴建将军澳海水淡化厂，建成后预计供水量为5 000万m3/a。截止2021年在广东省现有海水淡化工程规模88896吨/日，已初步形成以反渗透技术为主体的海水淡化技术产业群。其中惠州平海电厂于2009年开始运行，目前海水淡化量为16704 m3/d，其预处理工艺为海水→斜板沉淀池→清水池→AMIAD滤网式自清洗过滤器→超滤装置。2021年广东省使用冷却水的海水用量达571.25亿m3，海水经淡化后主要用作居民的生活饮用水和冲厕用水，海水淡化技术大大缓解了广东省淡水资源短缺的局面。

2针对不同海域的海水淡化预处理方案

2.1渤海海水淡化预处理方案

渤海湾水质在温度、浊度方面变化较大，有机物、SDI较高，盐度较低。采用混凝→斜板沉淀池→砂滤工艺处理渤海海水，可使出水浊度降至1 NTU以下，铁降至0.1 mg/L，该工艺适合处理水质变化范围广的渤海海水。

2.2黄海海水淡化预处理方案

对于黄海海域采用胶州湾海水直接进入系统和海水添加絮凝剂后再进入系统两种工艺，初步验证了超滤膜作为海水淡化预处理工艺的可行性。采用砂滤→超滤/纳滤等预处理工艺可以有效软化胶州湾原水，提高RO的水回收率。

2.3东海海水淡化预处理方案

东海海水水质具有盐度高、温度高、近岸悬浮物和SDI高的特点，应采用海水→絮凝反应→多介质过滤器→超滤装置的海水淡化预处理工艺。

2.4南海海水淡化预处理方案

南海海域具有温度高、盐度高、近岸SDI高的特点，应采用海水→沉淀→过滤器→超滤装置的海水淡化预处理工艺。

3结论

本课题系统梳理我国不同海域海水水质情况、各地海水淡化项目及预处理方式选择情况，针对不同海域的海水水质制定了海水淡化预处理方案，以期解决由于海水中的盐度、硬度及其他杂质的含量均较高，易造成反渗透膜污堵，蒸馏淡化装置结垢等问题，降低清洗频次、延长反渗透膜的使用寿命、降低淡化过程的能耗及维护费用。本课题对于优化沿海水资源结构、保障国家用水安全和促进沿海经济社会可持续发展具有战略意义。

整体而言，我国海水淡化技术日趋成熟，海水淡化设备的自我研发、设计和制造已具有一定基础，海水淡化工程设计、建设和运营管理已具备一定的能力和经验。此外在国家层面上，中央政府和各级地方政府开始重视海水淡化，通过规划、政策积极引导规范海水淡化市场，沿海各地及社会各界积极推动海水淡化工作开展。

经研究，渤海湾水质在温度、浊度方面变化较大，有机物、SDI较高，盐度较低，针对渤海的水质特点，可采用混凝→斜板沉淀池→砂滤新工艺；黄海海水具有盐度、温度年变化小，近岸有机物高的特点，对于黄海海域，可采用砂滤→超滤→纳滤等预处理工艺可以有效软化黄海原海水，提高海水淡化RO的水回收率；东海海水水质具有盐度高、温度高、近岸悬浮物和SDI高的特点，可采用海水→絮凝反应→超滤过滤器的海水淡化预处理工艺；南海海域具有温度高、盐度高、近岸SDI高的特点，可采用海水→沉淀→过滤器→超滤装置的海水淡化预处理工艺。同时，结合本文研究成果，针对10万吨级海水淡化项目预处理方式的选择进行了方案比选论证。

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