苦咸水淡化装置

蒸馏法就是把苦咸水或海水加热使之沸腾蒸发,再把蒸汽冷凝成淡水的过程。蒸馏法是最早采用的淡化法,其主要优点是结构较简单、操作容易、所得淡水水质好。蒸馏法有许多种,如多效蒸发、多级闪蒸、压汽蒸馏、膜蒸馏等。

1 电渗析法的基本原理、特点和适用范围在苦咸水淡化中应用的电渗析法简称ED ,是利用离子交换膜在电场作用下,分离盐水中的阴、阳离子,从而使淡水室中盐分浓度降低而得到淡水的一种膜分离技术。电渗析装置是利用离子在电场的作用下定向迁移,通过选择透过性的离子交换膜达到除盐目的。在外加直流电场的作用下,水中的离子作定向迁移(阳离子交换膜只允许阳离子通过,阴离子交换膜只允许阴离子通过) ,使一种水中大部分离子迁移到另一种水中去。该技术已比较成熟,具有工艺简单、除盐率高、制水成本低、操作方便、不污染环境等主要优点,但存在对水质要求较严格、需对原水进行预处理等缺点。20 世纪50 年代,美国、英国开始将这种方法用于苦咸水淡化,中国在20 世纪80 年代将此法用于苦咸水淡化、工业用纯水和超纯水制造。

2 电渗析法在苦咸水淡化工程中的应用特点

(1) 电渗析对铁、镁、钙、钾、氯化物等溶解性无机盐类及毒理学指标砷、氟化物的去除率达66 %~93 % ,可以满足苦咸水淡化需求;

(2) 电渗析对耗氧量、N H32N、NO-32N 、NO22N及硅的去除率较低,仅15 %~45 % ,但由于原水中上述指标含量较低,去除率虽低,尚能满足生活饮用水卫生要求;

(3) 电渗析对SO2 -4 的去除率为63. 8 % ,用以淡化SO-42Na 型和SO4 ·Cl2Na 型水,很难满足生活饮用水卫生要求;

(4) 电渗析过程的能耗与给水含盐量有密切关系,给水含盐量越高,能耗越大,因此电渗析比较适合低盐苦咸水的淡化。 此外,由于电渗析不能去除水中有机物和细菌,加之设备运行能耗较大,使其在苦咸水淡化工程中的应用受到局限,因而原有电渗析装置在苦咸水淡化方面逐渐被反渗透装置所取代。

反渗透法的基本原理及特点用一种选择透过性膜将一个容器分为两半,在膜的两侧同时分别加入纯水和盐水,使膜两侧的液面一样高,过了一定时间会发生盐水侧的液面在升高,纯水侧的液面在下降,这是由于水分子透过半透膜向盐水侧迁移的结果,这种现象称为渗透。能够对水或溶液具有选择透过性的膜称为半透膜。如果在浓溶液一边加上适当的压力,则可使渗透停止。当稀溶液向浓溶液的渗透停止时的压力称为渗透压。反渗透则是在浓溶液一边加上比自然渗透更高的压力,扭转自然渗透方向,把溶液中的离子压到半透膜的另一边,这与自然界的正常渗透过程相反,故称之为"反渗透",这种装置称为反渗透装置。反渗透方法可以从水中除去90 %以上的溶解性盐类和99 %以上的胶体微生物及有机物等。与其他水处理方法相比具有无相态变化、常温操作、设备简单、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、适应范围广、自动化程度高和出水质量好等优点。尤其以风能、太阳能作动力的反渗透净化苦咸水装置,是解决无电和常规能源短缺地区人们生活用水问题的既经济又可靠的途径。 反渗透淡化法不仅适用于海水淡化,也适合于苦咸水淡化。现有的淡化法中,反渗透淡化法是最经济的,它甚至已经超过电渗析淡化法。由于反渗透过程的推动力是压力,过程中没有发生相变化,膜仅起着"筛分"的作用,因此反渗透分离过程所需能耗较低。在现有海水和苦咸水淡化中,反渗透法是最节能的。反渗透膜分离的特点是它的"广谱"分离,即它不但可以脱除水中的各种离子,而且可以脱除比离子大的微粒,如大部分的有机物、胶体、病毒、细菌、悬浮物等,故反渗透分离法又有广谱分离法之称。

苦咸水淡化设备适用于高盐碱地区和海水倒灌地域，采用美国进口的反渗透膜元件，国产优质的压力容器，及德国进口的高压泵，配合合理的预处理设备，能有效去除水中无机盐、重金属离子、有机物、细菌及病菌等有害成分，将苦咸水淡化为符合国家生活饮用水标准的优质水。根据客户当地的水质进行细致的分析和特殊设计，力求做到高效、耐用，并使淡化水质完全达到国家生活饮用水水质标准(GB5749-85)，彻底解决缺水地区的饮用水问题。

苦咸水淡化是在压力驱动下，用半透膜分离物质的过程。反渗透膜表面活性只允许水透过，99%可溶性盐及所有细菌、杂质被截留，且水没有相变，所以反渗透脱盐是最先进的也是最节能的一种脱盐方式。

苦咸水由于含有较高的硫酸盐与氯化物，使水带苦咸味，长期饮用苦咸水会损害人体的健康、直至残疾。该设备适用于硫酸盐、氯化物含量不大于500mg/L的水源，广泛用于西部地区的苦咸水处理。产品特点 苦咸水淡化装置采用专用的树脂，经吸附过滤后除去水中的硫酸根离子及氯根，并对传统的苦咸水设备在材料上、技术上进行了改进和提高，达到操作简便，处理成本低之目的，广泛用于西部地区的苦咸水处理。

1 引言

2000年9月我国出水量最大的日产18000吨苦咸水淡化装置在河北沧化集团沧井化工股份有限公司内建成投产。它的建成对缓解该地区深层地下水资源的开采，保证化工生产装置的安全稳定和长周期地运行具有特别重要的意义。该装置包括原料水的预处理系统、苦咸水反渗透装置主体、产品水的后处理和浓盐水排放等设备及先进的控制系统.经过一段时间的运行，控制系统运行稳定、可靠。各项指标均达到设计要求。下面简要介绍一下该装置的控制系统。

2 设计原则

2.1 先进性

自动控制系统的发展是其它高新技术发展的产物。随着计算机技术、网络技术等高新技术的发展，自控系统的更新换代的周期日益缩短。这套苦咸水淡化装置用于为PVC装置提供生产用水，因此，控制系统不仅水系统能否正常运行，同时也关系到PVC装置能否长周期的正常运行，以减少对设备的损害和装置停车造成的经济损失。因此，我们对控制系统的选型给予了极大的重视。根据该系统工艺的特点，重点是系统的顺序控制功能，所以，在硬件方面我们选用了品质和性能可靠的研华工控机和美国AB的SLC-500系列的PLC。可以说，它们代表了当今水处理系统先进的控制水平。

2.2 可靠性和安全性

控制系统的可靠性是评估控制系统的一个重要指标。随着科技的不断进步，冗余容错技术、加密技术等得到了广泛的应用，这些都大大提高了系统的可靠性。我们采用了两台互为冗余的工控机操作站，操作人员可以在任一台操作站上对由两套PLC分别控制的四套淡化装置进行监控。电源部分配备UPS不间断电源，保证了系统在电源故障时有足够时间采取紧急的安全措施。另外在装置现场还配备了仪表箱和操作箱，便于巡回检查和就地操作。在其操作方式上，有就地手动和远程控制，远程控制又可通过操作站显示画面进行手动操作和自动程序运行。

操作方式的多样化和灵活性有利于系统的连续运行和故障处理。

2.3 可操作性

整个控制系统由两套工控机和两套PLC构成，具有相互的统一性和独立性监控系统具有动态工艺流程画面，人机界面清晰友好，具有在Windows环境下提供数据采集，监控以及信息管理功能，操作简单易学，便于一般操作人员掌握。

3 系统控制及联锁保护

3.1 计算机的应用

控制系统由工控机操作站及可编程控制器PLC构成一个分散采样，集中监视操作的控制系统。对水处理系统的水质、温度、流量、浊度、PH值、液位、电导率、压力等相关物理量的模拟信号进行实时监测、显示、存储、统计制表和打印。还可对主要运行参数的历史趋势进行查询，当运行参数超限时进行声光报警。同时，系统工艺流程图采用动态画面模拟显示，除了一个全部装置的总貌画面外，还把它分成若干个单元画面，点击其中的任一台设备又都可进入一个单独的画面进行手/自动切换操作。另外，画面上设备的颜色还能随着其运行状态的改变而改变.使操作管理人员能直观，生动地观察设备的运行工况。

控制系统构成图如下所示:

3.2 自动顺序控制功能

(1)系统的顺序控制功能主要应用在细沙双滤料过滤器的运行中，通过对每台过滤器上近10个阀门的顺序控制来完成过滤器的投运、停止、反洗和正洗过程。过滤器的失效停运可根据各过滤器进口流量的累计值及瞬时流量来确定。远程手动时，画面根据流量累计达到设定值时提示进行清洗，自动时则由上位机判断自动进行清洗。

(2)反渗透系统的启停操作可以由PLC实行顺序控制，也可以通过点击鼠标对每一台设备进行手动单操，由CRT监视各设备的运行状态。?

3.3 加药系统的模拟控制功能

系统的模拟控制功能主要应用在装置的加药系统，包括NaOH、NaHSO4、防污堵剂和凝聚剂等的加药控制。加药量都是根据进水流量的大小，通过上位机、PLC对计量泵进行比例调节。在自动状态下，可在CRT操作画面上进行比例参数的设定和修改，也可手动直接改变输出值，调节计量泵加药量的大小。

3.4 高压泵的联锁保护

每套反渗透的高压泵进出口都分别装有低压保护开关和高压保护开关，当高压泵入口压力低于某一设定值时，进口开关信号会自动停止高压泵的运行，并由CRT报警，以保护高压泵不在空操作情况下运行。当高压泵出口压力超过某设定值时，出口开关会自动发出信号送PLC，PLC经延时后如慢开门(慢开功能通过PLC的程序来实现)未打开，出口压力仍高于设定值，则由PLC发出信号自动停止高压泵的运行，以保护高压泵不在憋压工况下运行。

3.5 其它

该系统还具有RO清洗水箱恒温控制回路，自备空压系统的低、高压自动启停等联锁保护装置。

4 系统硬件配置

系统硬件采取优化配置，提高了控制系统的安全性、可靠性，可编程控制器PLC选用美国AB的SLC-500系列产品，具有模块化设计，可以根据系统控制要求进行模块配置，并具有一定的扩展功能。其模块式处理器具有高达20K的指令内存能力。选用的DH+(Data Highway Plus)是一个局域网，用于支持远程编程和数据采集的工厂级应用网，通讯速度更快。上位机选用了研华工控机两台，它具有能承受恶劣工作环境的影响，平均无故障时间长的特点。同时，配备了大屏幕高清晰彩色显示器及打印机，SANTAK的UPS在电源系统故障时能保证供电30分钟。现场仪表选用进口SIGNET的流量、PH、温度、电导等系列产品，以及GFI的在线浊度分析仪，具有检测稳定、可靠、精度高的特点。另外，还选用了进口EBRO的气动、电动阀门，这些都为系统安全稳定地运行提供了有力的保障。

5 系统软件配置

可编程控制器PLC安装了Rslogix500软件，它是针对SLC-500处理器以Windows操作系统为基础的梯形图逻辑编程软件包。具有统一项目查看、灵活的梯形图编辑器、拖放式操作、简易的通讯配置等特点。可以最大限度地提高软件性能，节省开发时间提高生产力。研华工控机内装有Rsview32，它是基于组件的用于监视与控制自动化设备和过程的集成的人机界面软件。可实现数据通讯、画面的动态显示，包括工艺流程图、仪表图、单机设备图、趋势画面、报警一览等.该系统还可进行在线参数修改，图形报表打印等，人机界面亲切友好.通过显示画面对系统进行安全准确的操作控制，是目前国内水处理装置中最高水平的监控系统。

总之，这套控制系统经过一段时间的运行，各项指标达到了设计要求，经过进一步的总结，为今后的不断完善和推广应用积累了理论和实践的宝贵经验。

我国是一个缺水国家，全国有 300多个城市缺水，110个城市严重缺水，14个沿海开放城市中有9个严重缺水。在我国的西北干旱地区，可供利用的淡水资源更加有限。此外我国沿海有人居住的岛屿有几千个，但其淡水资源短缺，只能靠积聚雨水和用船从陆地运水来解决饮用水问题，成本很高，遇到恶劣天气，供水还经常得不到保障。

在我国的西北干旱地区 ，虽然淡水资源严重缺乏却蕴含丰富的地下苦咸水或苦咸水湖。沿海地区具有丰富的海水资源。由此可见 研究开发并推广有效的海水淡化技术具有十分重要的现实意义，是解决中国沿海地区水资源危机，解决我国华北西部和西北某些苦咸水地区淡水资源紧缺、解决我国沿海许多岛屿居民的生活用水等问题现实可行的根本举措。

本项目的主要研究目标是针对传统反渗透预处理的缺点，探索一种新的反渗透苦咸水淡化工艺，降低淡化成本，为我国淡水缺乏但咸水资源丰富的地区提供安全的饮用水提供技术基础。

本项目在调研及资料分析的基础上，确定了一种全新的苦咸水反渗透工艺流程:全膜法工艺流程。该全膜法工艺流程的主要优点为:工艺简单，流程路线短，设备体积小，易于集成化，投资、运行费用低、易实现整机的自动化控制。

对高分子膜材料进行了比较分析，选择确定了各工艺过程中采用的膜:第一级微滤采用聚乙烯烧结微滤膜，精度为 5μm，用于粗滤;第二级微滤采用聚丙烯折叠膜，选用精度为0.2μm，用于保安过滤。超滤膜选用聚砜材料，纺制成中空纤维膜(30000道尔顿) 。反渗透膜材料选用具有高抗张强度、耐溶剂性的芳香聚酰胺。

研制组装了一套可移动的苦咸水淡化装置，把装置制作成可移动的，可以适应不同地区的需要。该装置采用了操作压力、进水流量、淡化水流量和浓水流量连续在线监测和超限报警控制，设置了反渗透进水欠压和高压泵出口过压的停机和报警系统，设置了反渗透膜清洗和防止膜损坏的安全保护装置。采用变频控制，以控制合理的输出功率，达到节能降耗的目的。

根据我国各地苦咸水水质，用上述装置进行了苦咸水淡化模拟试验研究，实验结果表明原水的总溶解固体( TDS)高达22g/L时，淡出水的TDS仅为368mg/L,能够达到饮用水水质标准(我国生活饮用水水质标准规定TDS<1000mg/L)。对于所有的模拟苦咸水，TDS的去除率在95%以上，电导率的降低率也达95%以上。

在水体中，当氟含量大于1.2mg/L时，称为氟超标，也称高氟水。溶解性固体含量>1500mg/L时,称为苦咸水。氟是一种非金属化学元素，在元素周期表排列第九位，属于第二周期第七族的主族元素，化学性质非常活泼，几乎不能单独存在，自然界中都是以各种化合物的状态存在，广泛存在于岩石、土壤、海洋中，在地球上的分布是相当广泛的。氟高了以后容易造成氟 中毒。 氟在日常生活中的应用范围还是很广的，包括医药、化工、航天、原子能等方面都有应用。比如氟化钠本身是一种有毒物质，但是也可以作为药物或者杀虫剂来使用。 地方性氟中毒是因为人们生活在这种高氟环境中，长期过量摄入氟引起机体慢性中毒的改变，主要影响人体的硬组织，包括牙齿、骨骼，对其他一些软组织也有损伤，当然临床表现最明显的还是氟斑牙和氟骨症。氟对于牙齿的损伤不仅仅是影响美观，而且会影响到咀嚼和消化功能。氟骨症一般多发于成年人，儿童也有发生氟骨症的。氟骨症最早的改变从临床检查上来看包括骨骼弯曲比如胳膊伸不开等，影响生活和劳动。地方性氟中毒危害是很大的，不仅给患者带来痛苦，而且影响到了当地经济发展， 氟进入体内后使得钙过量地在血管上沉积，造成血管钙化，引起动脉硬化。饮用高氟水很容易引起氟中毒。在我国除了上海、海南、台湾，还没有发现氟中毒，其他各个省市自治区都有地方性氟中毒不同程度的流行。内蒙101个旗县中有77个旗县存在饮水型氟中毒，生活在高氟地区的人口大约为600万，氟斑牙患者现有170万。据不完全统计，我国有近3000万人饮用高氟水。我国苦咸水主要分布在北方和东部沿海地区。农村饮用苦咸水的人口有3800多万人。苦咸水主要是口感苦涩，很难直接饮用，长期饮用导致胃肠功能紊乱，免疫力低下。

苦咸水淡化的主要设备有:

反渗透膜元件: 反渗透设备应用膜分离技术，能有效地去除水中的带电离子、无机物、胶体微粒、细菌及有机物质等。是高纯水制备、苦咸水脱盐和废水处理工艺中的最佳设备。广泛用于电子、医药、食品、轻纺、化工、发电等领域。

压力容器: 工业生产中具有特定的工艺功能并承受一定压力的设备，称压力容器。贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。要满足满足下列三个条件的容器，才称之为压力容器:

(1)最高工作压力(Pw)(注1)大于等于0.1Mpa(不含液体静压力,下同);

(2)内直径(非贺形截面指其最大尺寸)大于等于0.15m,且容积(V)(注2)大于等于0.25m3;

(3)盛装介质为气体液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点液体.

高压泵: 高压泵是为高压旋喷水泥浆提供高压动力，用于新建建筑物、高速公路、高速铁路、地下铁路等软弱地基强化加固补强，旧的建筑物不均匀沉降整治，水库大坝与底下建筑工程防深帷幕，挡土围堰、矿山堵漏、井桶护壁，边坡锚固等方面提供帮助的的设备。主要有:高压柱塞泵、高压往复泵、高压电动试压泵、高压清洗机