西班牙加那利群岛反渗透海水淡化新工艺

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摘 要 Lanzarote是加那利群岛中的一个岛屿，在西班牙各种大规模海水淡化系统方面居于开创性的地位，该岛上的某些老系统已经到了闲置淘汰的地步，遭闲置淘汰的原因不是能耗太高就是装置已经到了使用寿命的末期，它们仅仅作为旅游旺季用水高峰期的备用，因而需要建造新的反渗透海水淡化系统，新建系统要求其回收率在50%左右时，产水含盐量低(50mg/L)，而且能耗也要低。本文介绍了成功地满足这一要求的新设计工艺，就是于1999年底开始建造并投运的Lanzarote四期海水淡化系统，在一级海水淡化部分采用了FILMTEC™新型高产水量反渗透海水膜元件SW30-380(非高脱盐率产品)，在二级深度脱盐部分采用了FILMTEC超低压膜元件BW30LE-440，本 文给出了具体的操作参数，并且与传统的反渗透海水淡化系统进行了比较。 关键词：二级反渗透海水淡化工艺，FILMTEC膜元件，反渗透 1. 引 言 西班牙加那利群岛，是一个由七个主要岛屿组成的群岛，位于北回归线北纬28度的位置，由于地理位置及四季如春的气候而被称为“幸运岛”。这里已经发展成为备受世界欢迎的旅游胜地，每年游客达1千多万人次。伴随旅馆业、体育与其它相关行业及专业农业的发展，人口不断增长，当地的生活水平亦不断提高，而水资源匮乏的状况却在一天天加重，为了解决缺水的问题，以海水淡化为依据的基础水设施建设得到了长足的发展。 Lanzarote岛以其火山景观而名扬天下，它是西班牙最早安装海水淡化系统的地方，一些建于20世纪70年代和80年代的老系统主要采用多级闪蒸(MSF)和多效蒸锱(MED)工艺。近期建造的6万吨/天的海水淡化系统则采用了反渗透海水淡化工艺。 从1997年左右起，部分海水淡化装置遭闲置，有些是因为能耗太高，有些是因为系统已经到了使用寿命末期，这些系统仅在旅游旺季用水高峰时期使用，通常为夏季和圣诞节前后，作为常年运行的新建反渗透淡化厂的补充。另一方面淡化厂的规模需要增加，除了岛上游客人数增加之外，伴随着建筑业和旅游业的发展导致了岛上永久居留人口数量的不断增加。 出于上述原因，决定公开投标新建一座2万吨/天的反渗透海水淡化厂，以满足对淡水的当前和今后几年的需求。 由于考虑到用户的各种情况，包括因反渗透系统产水含盐量比饮用水标准低，必须让其与高含盐量的水进行混合，但仍必须满足饮用水水质的规定，新建海水淡化反渗透产水含盐量设定为50ppm而不是常规的400ppm。 另一个要求是该系统即便是全部采用两级反渗透工艺过程，仍必须与附近的传统一级反渗透海水淡化系统的吨水单位能耗相当，这一要求只有采用新一代的海水淡化膜元件才能达到。

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2. 案例历史：Lanzarote四期 新的设计和操作工艺采用两级反渗透海水淡化流程，基于新型高产水量FILMTEC SW30-380海水元件和高产水 量超低压FILMTEC BW30LE-440苦咸水元件。 1998年年中，INIMA，一家位于马德里的工程公司获准承建该项目，系统工艺路线基于两级反渗透，第一级反渗透的淡水含盐量为700～1000ppm，然后再全部作为二级反渗透的进水，使用超低压低能耗的苦咸水膜元件进一步脱盐，使产水含盐量达到50ppm左右，但二级反渗透应以极高的回收率运行(90%左右)。 在两级反渗透之间设置二级反渗透高压泵可以实现上述工艺操作，这样一级反渗透配备的膜元件可以在相对低的进水压力下，以50%的回收率制得合乎要求的一级产水；但也可以采取提高一级反渗透运行压力，使一级反渗透产水压力维持在9～14bar，以便直接驱动二级反渗透超低压低能耗元件，这样两级反渗透间就不再需要设置二级反渗透高压泵，这一工艺选择必须在一级海水淡化部分选用FILMTEC SW30-380高产水量反渗透元件，在二 级反渗透部分选用FILMTEC BW30LE-440元件。 经过在德国Rhinecenter和FilmTec公司液体分离部的实验室以及现场采用这两种膜元件所进行的模拟试验，印证了这一工艺的可行性，这一工艺仅使用一个高压泵(HPP)和能量回收透平(ERT)，在Lanzarote四期中采用的这种配置允许膜在其使用寿命周期内所选择的高压泵和能量回收透平位于最适宜的操作点，并能使整个系统能量消耗降到最低。 西班牙加那利群岛海水淡化项目 点击此处查看全部新闻图片 2.1 膜元件型号与规格 第一级的SW30-380元件比标准高脱盐率海水元件SW30HR-380的脱盐率略低，但却具有较高的膜本征值A值， 因而仅需较低的操作压力，并允许在不同的反渗透产水压力下工作，可以根据系统的使用年限和污染程度将一级产水压力调节到合适值，提高产水压力的概念也被用于二级反渗透部分的设计，以便节省输送成品水到最终产品水水箱的成品水泵。二级反渗透部分选用的元件为在许多工业领域得到广泛使用的超低压苦咸水反渗透元件，该元件命名为FILMTEC BW30LE-440，BW表示苦咸水的意思，LE表示低能耗的意思，440是膜元件的有效膜面积 ，以平方英尺计，表1列举了两种元件的主要性能规范。 表1 Lanzarote四期FILMTEC反渗透元件性能 元 件 类 型 SW30-380 BW30LE-440 级 1 2 标准产水量 gpd ( l/hr ) 8,000* (1,260) 11,500 (1,820) 标准压力 (bar) 55 10.3 典型脱盐率, % 99.1* 99.0 * 最新的膜产水量和脱盐率性能分别提高到 9000gpd，99.4 % 2.2 系统规模和投运时间 该海水淡化工厂设有4个系列，每个系列一级反渗透规模为5,600m3/d，产水目标含盐量为1,000ppm(mg/L)，该一级产水然后进入二级反渗透，其产水量为5,000m3/d，最终目标产水含盐量要求低于50ppm。 其中三个系列于1999年9月～11月之间投运，第四个系列于2000年1月投运，工厂的实际结果远优于原设计预期值，实际产能也大于21,000m3/d，产水总含盐量低于35mg/L。 2.3 RO系统的构造 每组系列原始设计采用7芯元件的压力外壳95支，后来减少为85支，原因是实际的膜元件平均产水量略高于最初的模拟试验时的产水量。在投运初始阶段决定每个系列仅安装75支外壳，其理由是，元件经过测试后仍具有很高的产水量，而且最终用户并不希望在投运初期操作压力太低。 二级反渗透采用二段排列组合24:8，也选用了含7支元件的压力外壳。在投运初期，二级系统进水压力9.9～10.2bar，由一级反渗透的产水压力直接驱动，二级反渗透的段间没有设置段间增压泵，但同样因为元件实际产水量比额定值高，现场决定将二级反渗透的排列组合降低至21:7，否则一级反渗透的操作压力太低，能量回收透平的进水负荷会太高，当运行8个月后，二级反渗透的操作压力达到11.2bar，此时恢复了24:8的原设计排列方式。

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2.4 比 较 在进水含盐量和主要操作参数与Lanzarote很相似的其它反渗透海水淡化厂中，当回收率按45%运行时，产水含盐量为310ppm，为了进行条件相同的对比，假设该含盐量的90%的一级产水进入二级反渗透，按90%回收率运行，进一步脱盐后再与未经二级反渗透处理的10%的一级产水混合，获得50～60ppm的目标水质(与Lanzarote四期的最终水质相当)。这样相似的两个反渗透海水淡化系统相比，当采用高效率的高压泵和能量回收装置时，本体吨水单位能耗分别为4.32和4.5kwh/m3。 表2 Lanzarote四期，系列3，一级海水反渗透装置主要操作系数（每支压力外壳装7支SW30-380） 操 作 参 数 投 运 初 期 8 个 月 之 后 a 实际值 设计软件预测值 实际值 设计软件预测值 进水压力 (bar) 产水流量 (m3/h) 回收率 (%) 进水TDS (mg/L) 产水TDS (mg/L) 标准化产水量 (gpd) (l/h) 进水温度 (℃) 标准化脱盐率 (%) 污堵因子 (FF) 单位能耗 (kWh/ m3) 65.3 252 48 38,600 612 9,200 1,450 21.2 99.2 1.25 2.97 (3.4)b 66.1 248 46 38,600 662 8,000 1,260 21 99.1 1.15 3.04 (3.65) b 68.2 249.8 49 38,600 643 8,160 1,285 20.8 99.15 0.92 3.16 (3.65) b 68.8 248 48 38,600 678 7,120 1,120 21 99.1 0.87 3.24 (3.85) b a 未进行化学清洗 b 括号中的数字包含海水提升泵的能耗。 表3 Lanzarote四期，系列3，二级反渗透装置主要操作参数（每支压力外壳装7支BW30LE-440） 操 作 参 数 投 运 初 期 a 8 个 月 之 后 b 实际值 设计软件预测值 实际值 设计软件预测值 进水压力 (bar) 产水流量 (m3/h) 回收率 (%) 进水TDS (mg/L) 产水TDS (mg/L) 标准化产水量 (gpd) (l/h) 进水温度 (℃) 标准化脱盐率 (%) 污堵因子 (FF) 单位能耗 (kWh/ m3) 10.2 212 88 612 60 c 11,840 1,870 21.2 98.8 c 1.05 0.10 d 10.9 209 88 662 54 11,500 1,815 21 99 1.00 NA 11.2 216 90 643 34 10,400 1,640 20.8 99.1 0.90 0.10 d 11.3 209 88 678 42 10,350 1,630 21 99 0.88 NA a 排列为 21:7 b 排列为 24:8 c 当解决了四支压力容器内漏后，产水TDS下降到37ppm d 为估计值，因为没有段间的压力提升 泵，仅为能量转换消耗。 估算Lanzarote四期的理论单位能耗(基于工程计算)为4.8kwh/m3，它包括所有的公用用电量和高压泵和海水提升泵的总耗电量3.85kwh/m3。实际能耗为3.6～3.7kwh/m3，比理论计算要好得多，与采用标准的二级反渗透工艺相比有较明显的优势。 2.5 结 论 本项目采用两级反渗透工艺，选用了两种高产水量的膜元件，即海水部分选用FILMTEC SW30-380海水膜元件 ，二级深度处理采用FILMTEC BW30LE-440超低压低能耗元件，这种组合工艺流程获得了更低的能耗效果，单 位电耗仅为3.65～3.85kWh/m3，以更低的运行维护成本从海水中获得50ppm的最终产品水，这些结果比传统工艺具有较明显的优势，值得未来膜法海水淡化系统选用。 3. 总 结 新型高产水量元件SW30-380本身或与其它型号的产品组合使用，例如与上述提到的超低压低能耗元件组合使用 ，有如下特点：适用于进水含盐量范围在10,000～50,000ppm的各种淡化处理要求，实现低能耗、高回收率的水处理目标。 本文介绍的高产水量的膜元件产品，提高了反渗透系统的经济性，使从前被认为不经济的大容量反渗透海水淡化工艺成为可能，此外，由于新型元件所具有的优异特点，使其在实际应用时表现出比预期的结果还要好的系统性能，已成为众多新项目和一些老系统升级改造的首选。 参考文献 [1] “La Provincia”Seccion Lanzarote, Las Palmas Newspaper, February 1997. [2] J.A. Redondo, Start-up protocol and normalization of Lanzarote IV, December, 1999. [3] J.A. Redondo and A. Casanas, Desalination, 134 (2001) 83. [4] J.M. Sanchez, Inima Meeting on 2 pass concept, PC, February 1997. [5] J.A. Redondo and A. Aldaz, Energy savings with HR-380 in large sea water RO projects, Rheinmunster seminars on Reverse Osmosis, November, 1995. [6] J.A. Redondo, Large-scale desalination experiences with the FILMTEC SW30HR-380, IDA, Madrid, 1997. [7] F.Castro, J. Bethencourt and A. Sanchez, Datos operacion Lanzarote IV, PC, July, 2000. [8] J.M. Sanchez and J. Ferrer, Datos de proyeccion y documentos del proyecto Lanzarote IV, February, 1998. [9] J.A. Redondo, C. Broden and T. Tapper, Development protocol of FILMTEC SW30-380, February,1998. [10] L. Johnson and I. Lomax, Marketing communication FILMTEC SW Membranes, August 1998, November 1999. [11] J.A. Redondo. Start-up document VDM II, March, 1999. [12] Y. Monette, Lab protocol, second trial series with SW30-380 Dow Rhinecentre, February, 1998. [13] J.A. Redondo, SWRO for agricultural application, Devre Meeting on Membranes, Buenos Aires, 1999. [14] J.L. Loidi, Tedagua, project documents, Virgen del Milagro II, November, 1998. [15] A. Casanas, Prestart-up protocoal, VDMII, November, 1998. [16] J.L. Loidi, Pilot test SW30-380, Document PC, 1999. [17] J.A. Redondo, Desalination, 108 (1996) 59. [18] ROSA Version 4.00, R&D Version, Reverse Osmosis System Analysis, 1998. [19] J. A. Redondo and A. Casanas, experiencias piloto e industrial con el nuevo elemento FILMTEC SW30-380,AEDyR, Murcia, Spain, November, 2000. [20] E. Kuendig, Quantitative comparison energy recovery turbines, Letter of September 5, 1994. [21] BEKOX Seminar at Colegio Ingenieros de Minas, Sta Cruz, ref. Grundfoss International, Mogens Ellegaard Lectures, 1994. 作者：J.A. Redondo 高级技术专家，液体分离部 美国陶氏化学(德国)有限公司 译者：张建飞 首席代表，液体分离部 美国陶氏化学(中国)投资有限公司

ymwatcher

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hanyijun1330122

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