苦咸水淡化裝置

蒸餾法就是把苦咸水或海水加熱使之沸騰蒸發(fā),再把蒸汽冷凝成淡水的過程。蒸餾法是最早采用的淡化法,其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較簡單、操作容易、所得淡水水質(zhì)好。蒸餾法有許多種,如多效蒸發(fā)、多級閃蒸、壓汽蒸餾、膜蒸餾等。

1 電滲析法的基本原理、特點和適用范圍在苦咸水淡化中應用的電滲析法簡稱ED ,是利用離子交換膜在電場作用下,分離鹽水中的陰、陽離子,從而使淡水室中鹽分濃度降低而得到淡水的一種膜分離技術(shù)。電滲析裝置是利用離子在電場的作用下定向遷移,通過選擇透過性的離子交換膜達到除鹽目的。在外加直流電場的作用下,水中的離子作定向遷移(陽離子交換膜只允許陽離子通過,陰離子交換膜只允許陰離子通過) ,使一種水中大部分離子遷移到另一種水中去。該技術(shù)已比較成熟,具有工藝簡單、除鹽率高、制水成本低、操作方便、不污染環(huán)境等主要優(yōu)點,但存在對水質(zhì)要求較嚴格、需對原水進行預處理等缺點。20 世紀50 年代,美國、英國開始將這種方法用于苦咸水淡化,中國在20 世紀80 年代將此法用于苦咸水淡化、工業(yè)用純水和超純水制造。

2 電滲析法在苦咸水淡化工程中的應用特點

(1) 電滲析對鐵、鎂、鈣、鉀、氯化物等溶解性無機鹽類及毒理學指標砷、氟化物的去除率達66 %~93 % ,可以滿足苦咸水淡化需求;

(2) 電滲析對耗氧量、N H32N、NO-32N 、NO22N及硅的去除率較低,僅15 %~45 % ,但由于原水中上述指標含量較低,去除率雖低,尚能滿足生活飲用水衛(wèi)生要求;

(3) 電滲析對SO2 -4 的去除率為63. 8 % ,用以淡化SO-42Na 型和SO4 ·Cl2Na 型水,很難滿足生活飲用水衛(wèi)生要求;

(4) 電滲析過程的能耗與給水含鹽量有密切關系,給水含鹽量越高,能耗越大,因此電滲析比較適合低鹽苦咸水的淡化。 此外,由于電滲析不能去除水中有機物和細菌,加之設備運行能耗較大,使其在苦咸水淡化工程中的應用受到局限,因而原有電滲析裝置在苦咸水淡化方面逐漸被反滲透裝置所取代。

反滲透法的基本原理及特點用一種選擇透過性膜將一個容器分為兩半,在膜的兩側(cè)同時分別加入純水和鹽水,使膜兩側(cè)的液面一樣高,過了一定時間會發(fā)生鹽水側(cè)的液面在升高,純水側(cè)的液面在下降,這是由于水分子透過半透膜向鹽水側(cè)遷移的結(jié)果,這種現(xiàn)象稱為滲透。能夠?qū)λ蛉芤壕哂羞x擇透過性的膜稱為半透膜。如果在濃溶液一邊加上適當?shù)膲毫?則可使?jié)B透停止。當稀溶液向濃溶液的滲透停止時的壓力稱為滲透壓。反滲透則是在濃溶液一邊加上比自然滲透更高的壓力,扭轉(zhuǎn)自然滲透方向,把溶液中的離子壓到半透膜的另一邊,這與自然界的正常滲透過程相反,故稱之為"反滲透",這種裝置稱為反滲透裝置。反滲透方法可以從水中除去90 %以上的溶解性鹽類和99 %以上的膠體微生物及有機物等。與其他水處理方法相比具有無相態(tài)變化、常溫操作、設備簡單、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、適應范圍廣、自動化程度高和出水質(zhì)量好等優(yōu)點。尤其以風能、太陽能作動力的反滲透凈化苦咸水裝置,是解決無電和常規(guī)能源短缺地區(qū)人們生活用水問題的既經(jīng)濟又可靠的途徑。 反滲透淡化法不僅適用于海水淡化,也適合于苦咸水淡化?，F(xiàn)有的淡化法中,反滲透淡化法是最經(jīng)濟的,它甚至已經(jīng)超過電滲析淡化法。由于反滲透過程的推動力是壓力,過程中沒有發(fā)生相變化,膜僅起著"篩分"的作用,因此反滲透分離過程所需能耗較低。在現(xiàn)有海水和苦咸水淡化中,反滲透法是最節(jié)能的。反滲透膜分離的特點是它的"廣譜"分離,即它不但可以脫除水中的各種離子,而且可以脫除比離子大的微粒,如大部分的有機物、膠體、病毒、細菌、懸浮物等,故反滲透分離法又有廣譜分離法之稱。

苦咸水淡化設備適用于高鹽堿地區(qū)和海水倒灌地域，采用美國進口的反滲透膜元件，國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的壓力容器，及德國進口的高壓泵，配合合理的預處理設備，能有效去除水中無機鹽、重金屬離子、有機物、細菌及病菌等有害成分，將苦咸水淡化為符合國家生活飲用水標準的優(yōu)質(zhì)水。根據(jù)客戶當?shù)氐乃|(zhì)進行細致的分析和特殊設計，力求做到高效、耐用，并使淡化水質(zhì)完全達到國家生活飲用水水質(zhì)標準(GB5749-85)，徹底解決缺水地區(qū)的飲用水問題。

苦咸水淡化是在壓力驅(qū)動下，用半透膜分離物質(zhì)的過程。反滲透膜表面活性只允許水透過，99%可溶性鹽及所有細菌、雜質(zhì)被截留，且水沒有相變，所以反滲透脫鹽是最先進的也是最節(jié)能的一種脫鹽方式。

苦咸水由于含有較高的硫酸鹽與氯化物，使水帶苦咸味，長期飲用苦咸水會損害人體的健康、直至殘疾。該設備適用于硫酸鹽、氯化物含量不大于500mg/L的水源，廣泛用于西部地區(qū)的苦咸水處理。產(chǎn)品特點 苦咸水淡化裝置采用專用的樹脂，經(jīng)吸附過濾后除去水中的硫酸根離子及氯根，并對傳統(tǒng)的苦咸水設備在材料上、技術(shù)上進行了改進和提高，達到操作簡便，處理成本低之目的，廣泛用于西部地區(qū)的苦咸水處理。

1 引言

2000年9月我國出水量最大的日產(chǎn)18000噸苦咸水淡化裝置在河北滄化集團滄井化工股份有限公司內(nèi)建成投產(chǎn)。它的建成對緩解該地區(qū)深層地下水資源的開采，保證化工生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定和長周期地運行具有特別重要的意義。該裝置包括原料水的預處理系統(tǒng)、苦咸水反滲透裝置主體、產(chǎn)品水的后處理和濃鹽水排放等設備及先進的控制系統(tǒng).經(jīng)過一段時間的運行，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。各項指標均達到設計要求。下面簡要介紹一下該裝置的控制系統(tǒng)。

2 設計原則

2.1 先進性

自動控制系統(tǒng)的發(fā)展是其它高新技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，自控系統(tǒng)的更新?lián)Q代的周期日益縮短。這套苦咸水淡化裝置用于為PVC裝置提供生產(chǎn)用水，因此，控制系統(tǒng)不僅水系統(tǒng)能否正常運行，同時也關系到PVC裝置能否長周期的正常運行，以減少對設備的損害和裝置停車造成的經(jīng)濟損失。因此，我們對控制系統(tǒng)的選型給予了極大的重視。根據(jù)該系統(tǒng)工藝的特點，重點是系統(tǒng)的順序控制功能，所以，在硬件方面我們選用了品質(zhì)和性能可靠的研華工控機和美國AB的SLC-500系列的PLC?？梢哉f，它們代表了當今水處理系統(tǒng)先進的控制水平。

2.2 可靠性和安全性

控制系統(tǒng)的可靠性是評估控制系統(tǒng)的一個重要指標。隨著科技的不斷進步，冗余容錯技術(shù)、加密技術(shù)等得到了廣泛的應用，這些都大大提高了系統(tǒng)的可靠性。我們采用了兩臺互為冗余的工控機操作站，操作人員可以在任一臺操作站上對由兩套PLC分別控制的四套淡化裝置進行監(jiān)控。電源部分配備UPS不間斷電源，保證了系統(tǒng)在電源故障時有足夠時間采取緊急的安全措施。另外在裝置現(xiàn)場還配備了儀表箱和操作箱，便于巡回檢查和就地操作。在其操作方式上，有就地手動和遠程控制，遠程控制又可通過操作站顯示畫面進行手動操作和自動程序運行。

操作方式的多樣化和靈活性有利于系統(tǒng)的連續(xù)運行和故障處理。

2.3 可操作性

整個控制系統(tǒng)由兩套工控機和兩套PLC構(gòu)成，具有相互的統(tǒng)一性和獨立性監(jiān)控系統(tǒng)具有動態(tài)工藝流程畫面，人機界面清晰友好，具有在Windows環(huán)境下提供數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控以及信息管理功能，操作簡單易學，便于一般操作人員掌握。

3 系統(tǒng)控制及聯(lián)鎖保護

3.1 計算機的應用

控制系統(tǒng)由工控機操作站及可編程控制器PLC構(gòu)成一個分散采樣，集中監(jiān)視操作的控制系統(tǒng)。對水處理系統(tǒng)的水質(zhì)、溫度、流量、濁度、PH值、液位、電導率、壓力等相關物理量的模擬信號進行實時監(jiān)測、顯示、存儲、統(tǒng)計制表和打印。還可對主要運行參數(shù)的歷史趨勢進行查詢，當運行參數(shù)超限時進行聲光報警。同時，系統(tǒng)工藝流程圖采用動態(tài)畫面模擬顯示，除了一個全部裝置的總貌畫面外，還把它分成若干個單元畫面，點擊其中的任一臺設備又都可進入一個單獨的畫面進行手/自動切換操作。另外，畫面上設備的顏色還能隨著其運行狀態(tài)的改變而改變.使操作管理人員能直觀，生動地觀察設備的運行工況。

控制系統(tǒng)構(gòu)成圖如下所示:

3.2 自動順序控制功能

(1)系統(tǒng)的順序控制功能主要應用在細沙雙濾料過濾器的運行中，通過對每臺過濾器上近10個閥門的順序控制來完成過濾器的投運、停止、反洗和正洗過程。過濾器的失效停運可根據(jù)各過濾器進口流量的累計值及瞬時流量來確定。遠程手動時，畫面根據(jù)流量累計達到設定值時提示進行清洗，自動時則由上位機判斷自動進行清洗。

(2)反滲透系統(tǒng)的啟停操作可以由PLC實行順序控制，也可以通過點擊鼠標對每一臺設備進行手動單操，由CRT監(jiān)視各設備的運行狀態(tài)。?

3.3 加藥系統(tǒng)的模擬控制功能

系統(tǒng)的模擬控制功能主要應用在裝置的加藥系統(tǒng)，包括NaOH、NaHSO4、防污堵劑和凝聚劑等的加藥控制。加藥量都是根據(jù)進水流量的大小，通過上位機、PLC對計量泵進行比例調(diào)節(jié)。在自動狀態(tài)下，可在CRT操作畫面上進行比例參數(shù)的設定和修改，也可手動直接改變輸出值，調(diào)節(jié)計量泵加藥量的大小。

3.4 高壓泵的聯(lián)鎖保護

每套反滲透的高壓泵進出口都分別裝有低壓保護開關和高壓保護開關，當高壓泵入口壓力低于某一設定值時，進口開關信號會自動停止高壓泵的運行，并由CRT報警，以保護高壓泵不在空操作情況下運行。當高壓泵出口壓力超過某設定值時，出口開關會自動發(fā)出信號送PLC，PLC經(jīng)延時后如慢開門(慢開功能通過PLC的程序來實現(xiàn))未打開，出口壓力仍高于設定值，則由PLC發(fā)出信號自動停止高壓泵的運行，以保護高壓泵不在憋壓工況下運行。

3.5 其它

該系統(tǒng)還具有RO清洗水箱恒溫控制回路，自備空壓系統(tǒng)的低、高壓自動啟停等聯(lián)鎖保護裝置。

4 系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)硬件采取優(yōu)化配置，提高了控制系統(tǒng)的安全性、可靠性，可編程控制器PLC選用美國AB的SLC-500系列產(chǎn)品，具有模塊化設計，可以根據(jù)系統(tǒng)控制要求進行模塊配置，并具有一定的擴展功能。其模塊式處理器具有高達20K的指令內(nèi)存能力。選用的DH+(Data Highway Plus)是一個局域網(wǎng)，用于支持遠程編程和數(shù)據(jù)采集的工廠級應用網(wǎng)，通訊速度更快。上位機選用了研華工控機兩臺，它具有能承受惡劣工作環(huán)境的影響，平均無故障時間長的特點。同時，配備了大屏幕高清晰彩色顯示器及打印機，SANTAK的UPS在電源系統(tǒng)故障時能保證供電30分鐘。現(xiàn)場儀表選用進口SIGNET的流量、PH、溫度、電導等系列產(chǎn)品，以及GFI的在線濁度分析儀，具有檢測穩(wěn)定、可靠、精度高的特點。另外，還選用了進口EBRO的氣動、電動閥門，這些都為系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行提供了有力的保障。

5 系統(tǒng)軟件配置

可編程控制器PLC安裝了Rslogix500軟件，它是針對SLC-500處理器以Windows操作系統(tǒng)為基礎的梯形圖邏輯編程軟件包。具有統(tǒng)一項目查看、靈活的梯形圖編輯器、拖放式操作、簡易的通訊配置等特點?？梢宰畲笙薅鹊靥岣哕浖阅?，節(jié)省開發(fā)時間提高生產(chǎn)力。研華工控機內(nèi)裝有Rsview32，它是基于組件的用于監(jiān)視與控制自動化設備和過程的集成的人機界面軟件?？蓪崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、畫面的動態(tài)顯示，包括工藝流程圖、儀表圖、單機設備圖、趨勢畫面、報警一覽等.該系統(tǒng)還可進行在線參數(shù)修改，圖形報表打印等，人機界面親切友好.通過顯示畫面對系統(tǒng)進行安全準確的操作控制，是目前國內(nèi)水處理裝置中最高水平的監(jiān)控系統(tǒng)。

總之，這套控制系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的運行，各項指標達到了設計要求，經(jīng)過進一步的總結(jié)，為今后的不斷完善和推廣應用積累了理論和實踐的寶貴經(jīng)驗。

我國是一個缺水國家，全國有 300多個城市缺水，110個城市嚴重缺水，14個沿海開放城市中有9個嚴重缺水。在我國的西北干旱地區(qū)，可供利用的淡水資源更加有限。此外我國沿海有人居住的島嶼有幾千個，但其淡水資源短缺，只能靠積聚雨水和用船從陸地運水來解決飲用水問題，成本很高，遇到惡劣天氣，供水還經(jīng)常得不到保障。

在我國的西北干旱地區(qū) ，雖然淡水資源嚴重缺乏卻蘊含豐富的地下苦咸水或苦咸水湖。沿海地區(qū)具有豐富的海水資源。由此可見 研究開發(fā)并推廣有效的海水淡化技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實意義，是解決中國沿海地區(qū)水資源危機，解決我國華北西部和西北某些苦咸水地區(qū)淡水資源緊缺、解決我國沿海許多島嶼居民的生活用水等問題現(xiàn)實可行的根本舉措。

本項目的主要研究目標是針對傳統(tǒng)反滲透預處理的缺點，探索一種新的反滲透苦咸水淡化工藝，降低淡化成本，為我國淡水缺乏但咸水資源豐富的地區(qū)提供安全的飲用水提供技術(shù)基礎。

本項目在調(diào)研及資料分析的基礎上，確定了一種全新的苦咸水反滲透工藝流程:全膜法工藝流程。該全膜法工藝流程的主要優(yōu)點為:工藝簡單，流程路線短，設備體積小，易于集成化，投資、運行費用低、易實現(xiàn)整機的自動化控制。

對高分子膜材料進行了比較分析，選擇確定了各工藝過程中采用的膜:第一級微濾采用聚乙烯燒結(jié)微濾膜，精度為 5μm，用于粗濾;第二級微濾采用聚丙烯折疊膜，選用精度為0.2μm，用于保安過濾。超濾膜選用聚砜材料，紡制成中空纖維膜(30000道爾頓) 。反滲透膜材料選用具有高抗張強度、耐溶劑性的芳香聚酰胺。

研制組裝了一套可移動的苦咸水淡化裝置，把裝置制作成可移動的，可以適應不同地區(qū)的需要。該裝置采用了操作壓力、進水流量、淡化水流量和濃水流量連續(xù)在線監(jiān)測和超限報警控制，設置了反滲透進水欠壓和高壓泵出口過壓的停機和報警系統(tǒng)，設置了反滲透膜清洗和防止膜損壞的安全保護裝置。采用變頻控制，以控制合理的輸出功率，達到節(jié)能降耗的目的。

根據(jù)我國各地苦咸水水質(zhì)，用上述裝置進行了苦咸水淡化模擬試驗研究，實驗結(jié)果表明原水的總?cè)芙夤腆w( TDS)高達22g/L時，淡出水的TDS僅為368mg/L,能夠達到飲用水水質(zhì)標準(我國生活飲用水水質(zhì)標準規(guī)定TDS<1000mg/L)。對于所有的模擬苦咸水，TDS的去除率在95%以上，電導率的降低率也達95%以上。

在水體中，當氟含量大于1.2mg/L時，稱為氟超標，也稱高氟水。溶解性固體含量>1500mg/L時,稱為苦咸水。氟是一種非金屬化學元素，在元素周期表排列第九位，屬于第二周期第七族的主族元素，化學性質(zhì)非?；顫姡瑤缀醪荒軉为毚嬖?，自然界中都是以各種化合物的狀態(tài)存在，廣泛存在于巖石、土壤、海洋中，在地球上的分布是相當廣泛的。氟高了以后容易造成氟 中毒。 氟在日常生活中的應用范圍還是很廣的，包括醫(yī)藥、化工、航天、原子能等方面都有應用。比如氟化鈉本身是一種有毒物質(zhì)，但是也可以作為藥物或者殺蟲劑來使用。 地方性氟中毒是因為人們生活在這種高氟環(huán)境中，長期過量攝入氟引起機體慢性中毒的改變，主要影響人體的硬組織，包括牙齒、骨骼，對其他一些軟組織也有損傷，當然臨床表現(xiàn)最明顯的還是氟斑牙和氟骨癥。氟對于牙齒的損傷不僅僅是影響美觀，而且會影響到咀嚼和消化功能。氟骨癥一般多發(fā)于成年人，兒童也有發(fā)生氟骨癥的。氟骨癥最早的改變從臨床檢查上來看包括骨骼彎曲比如胳膊伸不開等，影響生活和勞動。地方性氟中毒危害是很大的，不僅給患者帶來痛苦，而且影響到了當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展， 氟進入體內(nèi)后使得鈣過量地在血管上沉積，造成血管鈣化，引起動脈硬化。飲用高氟水很容易引起氟中毒。在我國除了上海、海南、臺灣，還沒有發(fā)現(xiàn)氟中毒，其他各個省市自治區(qū)都有地方性氟中毒不同程度的流行。內(nèi)蒙101個旗縣中有77個旗縣存在飲水型氟中毒，生活在高氟地區(qū)的人口大約為600萬，氟斑牙患者現(xiàn)有170萬。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國有近3000萬人飲用高氟水。我國苦咸水主要分布在北方和東部沿海地區(qū)。農(nóng)村飲用苦咸水的人口有3800多萬人。苦咸水主要是口感苦澀，很難直接飲用，長期飲用導致胃腸功能紊亂，免疫力低下。

苦咸水淡化的主要設備有:

反滲透膜元件: 反滲透設備應用膜分離技術(shù)，能有效地去除水中的帶電離子、無機物、膠體微粒、細菌及有機物質(zhì)等。是高純水制備、苦咸水脫鹽和廢水處理工藝中的最佳設備。廣泛用于電子、醫(yī)藥、食品、輕紡、化工、發(fā)電等領域。

壓力容器: 工業(yè)生產(chǎn)中具有特定的工藝功能并承受一定壓力的設備，稱壓力容器。貯運容器、反應容器、換熱容器和分離容器均屬壓力容器。要滿足滿足下列三個條件的容器，才稱之為壓力容器:

(1)最高工作壓力(Pw)(注1)大于等于0.1Mpa(不含液體靜壓力,下同);

(2)內(nèi)直徑(非賀形截面指其最大尺寸)大于等于0.15m,且容積(V)(注2)大于等于0.25m3;

(3)盛裝介質(zhì)為氣體液化氣體或最高工作溫度高于等于標準沸點液體.

高壓泵: 高壓泵是為高壓旋噴水泥漿提供高壓動力，用于新建建筑物、高速公路、高速鐵路、地下鐵路等軟弱地基強化加固補強，舊的建筑物不均勻沉降整治，水庫大壩與底下建筑工程防深帷幕，擋土圍堰、礦山堵漏、井桶護壁，邊坡錨固等方面提供幫助的的設備。主要有:高壓柱塞泵、高壓往復泵、高壓電動試壓泵、高壓清洗機