隨著由國家發改委、國家海洋局聯合在2017年12月印發的《海島海水淡化工程實施方案》的提出，海水淡化水將在2020年成為嚴重缺水海島地區的主要供水方式之一。實施方案中明確指出，將通過3～5年的時間，在遼寧、山東、浙江、福建、海南等沿海城市重點推進100個左右的海水淡化工程(規模在50～1 000 m3/d)的建設和升級改造，以有效緩減海島居民的用水問題和滿足當地不斷提高的生活和生產用水需求。

目前，主流的海水淡化技術有：多級閃蒸(MSF)、低溫多效(MED)和膜法反滲透(RO)。借助于靈活多變、適應性強和建設維護成本低等優點,膜法反滲透已經逐漸成為“首推、首選”的海水淡化技術。

本文將針對海水淡化的取水、反滲透以及礦化材料進行講述。

中小型海水淡化系統中的海灘井取水

海灘井取水是一種在沿海沙灘或海床下建造取水井，從井中抽取經過砂層或海床滲濾后的原海水的取水方式。通過這種方式取得的原海水，由于經過了天然砂層和海床的過濾，水質具有低濁度、低有機物含量、低微生物含量等優良特性。該取水方式受潮汐、海浪、海嘯等影響較小，同時可以有效避免海洋生物的撞擊和夾帶(時常發生在地表取水方式中)。取水構筑物和設備多布置在地面以下，可以很好地融合到項目所在的自然環境中，減少不和諧感。

根據結構型式和適用范圍的不同，海灘井可以分為管井、大口井、斜井、水平定向鉆井和輻射井等幾種類型。

管井

管井是一種利用鉆井設備將井管從地表垂直打入到地下含水層中，從井管內抽取管井周邊地下水的構筑物(圖1)。一般適用于潛水、承壓水、裂隙水、巖溶水。通常由井室、井壁管、過濾器和沉淀管組成。管井的設計主要包括井徑、井深、井頂標高、開孔和終孔直徑、井壁管及過濾器的種類、規格、材質、安裝位置以及止水、封井等。位于阿曼的Sur海水淡化廠，生產容量為83 500 m3/d，是目前取水量最大的管井取水示范工程。

大口井

大口井是一種采取人工開挖或沉井施工的方式將井筒埋設到地下含水層中，以截取淺層地下水的構筑物。適用于地下水埋深較淺，含水層較薄且滲透性強的地層取水。根據取水方式的不同，大口井可以分為完整井和非完整井；大口井一般由井筒、井口和進水部分組成。三沙市某島嶼容量為100 m3/d的海水淡化裝置，采用了大口井的取水方式(圖2)。

斜井

斜井是一種以一定的傾斜角度將管井打入到海床下方的地下含水層中，從管井周邊取水的構筑物。適用于潛水、承壓水、裂隙水、巖溶水；斜井的組成構造和各部件功能類似于管井，除了與豎井相同的直接在管井內設置取水泵的取水方式外，還可以在斜井地面端的地下設置一過渡水池，從過渡水池中取水，有利于取水設備的維護和保養。圖3是Geoscience Company公司為Monterey Peninsula海水淡化廠建造的測試井施工照片。

水平定向鉆井

水平定向鉆井是一種采用水平定向鉆技術以一定的角度將多孔取水管拉到海床下，在重力的作用下，通過海床的自然截留能力，過濾后的原海水進入多孔管內而獲得原海水的一種構筑物。適用于沙土、黏土、卵石含量較少的地層，具有施工速度快、精度高和成本低等優點。位于西班牙的San Pedro del Pinatar海水淡化廠，采用了水平定向鉆井的取水方式。

輻射井

輻射井是一種由集水井及水平或傾斜的輻射管聯合構成的取水構筑物。適用于較薄的含水層(5～10 m)和厚度小而埋深大的含水層，具有管理集中、占地省、便于衛生防護等特點。輻射管一般采用人工錘打、撞錘頂進、水射法、千斤頂法、套管法和水平鉆機鉆進法等施工方法。位于墨西哥的Salina Cruz海水淡化廠，采用了輻射井的取水方式。

各類井對比

表1為各海灘井類型的適用范圍及特點，為項目的設計和選型提供了參考。

反滲透海水淡化高壓系統

“高壓泵-正位移式功交換式能量回收-增壓泵-膜組”

“高壓泵-正位移式功交換能量回收-增壓泵-膜組”是反滲透海水淡化工程中最為典型、成熟的工藝，其中功交換式能量回收設備按市場產品結構形式又分為轉子式、交換缸式兩種。該工藝的特點是高壓泵可選用小流量泵，流量約等于系統產水流量；高壓系統能量回收效率可達90%以上；設計形式靈活，可選擇“一對一”獨立膜堆式或“三中心”式設計；主要的缺點是系統必須配備增壓泵，將能量回收增壓后的海水進一步提升壓力以補充過程中的壓力損失；增壓泵要承受進口、出口的雙重高壓，進口密封要求較高，價格也較一般水泵高；一般占地面積較大，工藝控制相對較復雜。

“高壓泵-水力透平能量回收-膜組”

“高壓泵-水力透平能量回收-膜組”是最早應用的反滲透高壓系統工藝，該工藝的主要特點是高壓泵與能量回收成串聯式連接，高壓泵需具有較高的流量，但揚程較低，無需配備增壓泵，系統控制、操作也相對較簡便，一次設備投資也較“高壓泵-功交換能量回收-增壓泵-膜組”工藝低。但該種工藝的能量回收設備有效能回收效率低，一般在50%～70%，綜合能耗相對較高，從運行成本來看，較上一種工藝有明顯的劣勢。從應用規模來看，該工藝較靈活，產水規模從百噸級到萬噸級以上都可選用。

“高壓泵-能量回收增壓泵一體機-膜組”

該工藝主要是基于一種新型的能量回收設備，這種能量回收設備相當于將能量回收、增壓泵一體集成，省去了增壓泵、增壓管路、閥門、儀表等高壓設備及材料，按該產品的技術特點，較適合規模為1 000 t/d級，且能量回收效率較高，可達到93%以上。能夠得到能量回收效率高、更加緊湊的高壓系統。由于該種能量回收設備精密度較高，在高壓系統進水處應設置絕對過濾精度為10 μm或更高的保安過濾器。另外，該產品在運行時有較大的噪音和震動，在高壓系統設計時，應設置降震、減噪的措施，如選用高壓軟管、底座設計減震墊等。

“高壓泵能量回收一體機-膜組”

高壓泵能量回收一體機是將高壓泵與能量回收設備一體連接，通過高壓濃水驅動能量回收器，提高高壓泵的轉速和運行壓力，從而降低高壓泵配備電機的功率，達到能量回收利用的目的。該種工藝的最大優勢就是結構緊湊、占地面積小，非常適合一體式的小型淡化裝置，最大的缺點就是可選擇的規模較少、靈活性較差。在選用該工藝進行設計時，必須要基于相應產品的性能特點進行集成，需協調好回收率、產水量與高壓泵能量回收一體機的匹配問題。同時，因能量回收增壓器與高壓泵同軸轉動，系統設計時應增加防止過流、超轉速的保護措施。

“高壓泵-膜組”

“高壓泵-膜組”這種組合方式是反滲透淡化最早、最傳統的工藝，系統的運行壓力完全由高壓泵來決定，系統可靠性較高，故障率較低。但該工藝最大的缺點就是噸水能耗高。自能量回收技術出現以后，該工藝已很少在反滲透海水淡化工程中應用，目前也僅僅應用在產水規模100 t/d級以下的一些特殊場合，比如空間有限、對可靠性要求高、維護條件簡陋的船舶、平臺、島嶼等地點。

性能比較

海水淡化用高壓泵主要有2種形式：柱塞式高壓泵、多級離心高壓泵。

市場上常見的能量回收設備形式主要包括采用正位移功交換原理和水力透平原理的兩大類。

天然礦化材料

高效利用淡化海水，需要對其選擇合適方式進行礦化處理。通常淡化海水后礦化過程是通過過濾、投加化學藥劑來實現，主要分為3大類方法：與其他水源混合法、添加藥劑法、溶解富含碳酸鈣的礦石。本試驗不添加化學藥劑，選取麥飯石、沸石、木魚石和扇貝殼4種礦化材料，采用溶解法對淡化海水進行礦化處理。

礦化試驗分為兩部分：①燒杯浸泡試驗主要研究靜置浸泡時間和攪拌浸泡時間對礦化效果的影響。在不同條件下用淡化海水浸泡不同礦化材料，檢測礦化后水樣中礦物質含量，與原水水樣中礦物質含量進行比較，選出較理想的礦化材料；②填充柱試驗主要研究淡化海水流量和pH對礦化效果的影響。在試驗裝置的3個柱子中填充不同的礦化材料，使流動的淡化海水通過填充柱，檢測出水水樣中礦物質的含量，與進水水樣中礦物質含量進行比較，篩選最佳工藝條件。

燒杯試驗結果與分析

靜置浸泡時間對礦化效果的影響

礦化效果如表4所示。

由圖6～圖7可知，與原水相比較，4種礦化材料礦化水中溶解性總固體和總硬度均有提升，其中扇貝殼組試驗最為明顯，礦物質含量增長量最大，木魚石礦物質含量增長量最小。同種礦化材料的不同靜置浸泡時間下的試驗結果相互對比，礦物質含量相差不大，說明此試驗條件下8 h的浸泡時間已經足夠長。

4種礦化材料均有偏硅酸溶出。麥飯石溶出偏硅酸較多，可達4～6 mg/L。沸石溶出偏硅酸為2～3 mg/L，木魚石溶出偏硅酸為1～2 mg/L。扇貝殼溶出偏硅酸較少，但溶解性總固體、堿度、總硬度等指標增量都較大，具有研究價值。木魚石各種礦物質元素溶出量均不突出，不適用于淡化海水的礦化處理。

攪拌浸泡時間對礦化效果的影響

礦化效果如表5所示。

對比表7、圖8、圖9中試驗數據可知，各種元素溶出量較低且差別不大；礦物質總量指標總硬度、溶解性總固體等除扇貝殼外基本與原水差別不大；幾種礦化材料在該條件下均無偏硅酸溶出；沸石和扇貝殼有有益元素鍶元素溶出，含量約為0.05～0.07 mg/L。主要原因是攪拌時間較短且pH接近中性，礦物質很難溶出，礦化效果不明顯。

填充柱試驗結果與分析

礦化效果如表6所示，混合組為麥飯石組、沸石組和扇貝殼組的混合水。

對比表4、圖10、圖11中A、B兩組試驗可知，pH對扇貝殼的礦化效果影響較大，不添加二氧化碳調節pH時，幾乎無礦物質溶出(A組)，加入二氧化碳調節pH值為4.3后，礦物質溶出量明顯增多(B組)。對比B、C兩組試驗數據可知，水在填充柱中的流量對扇貝殼的礦化效果有影響，流量小，礦物質溶出量更大，原因是流量變小，流速變慢，水力停留時間增長，礦化材料的浸泡時間相應增大，礦物質溶出量增多。因此，降低pH并增大水力停留時間，有利于礦物質溶出。

總之，3種礦化材料僅扇貝殼有明顯的鍶元素溶出，其他2種礦化材料無鍶溶出。

結論

(1)靜置浸泡試驗結果得出，浸泡時間越長，礦化材料中元素溶出量越多。考慮有益礦物質元素的溶出量時，麥飯石溶出偏硅酸較多、沸石溶出鍶和偏硅酸均較多，扇貝殼鍶和其他礦物質指標如溶解性總固體、堿度、總硬度等增量都較大，均有研究價值，而木魚石各種礦物質元素溶出量均不明顯。

(2)攪拌浸泡試驗結果得出，攪拌浸泡試驗各種元素溶出量較低且差別不大；幾種礦化材料在該條件下均無偏硅酸溶出；沸石和扇貝殼有有益元素鍶元素溶出。

(3)填充柱試驗試驗表明，降低pH且增長水力停留時間，有利于礦物質溶出。3種礦化材料僅扇貝殼有明顯的鍶元素溶出，并達到了《飲用天然礦泉水國家標準》(GB 8537—2008)標準。扇貝殼的鈣元素溶出量很高，使礦化水的總硬度大大提升，但存在菌落數超標、濁度較高的問題，需要再處理。

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