青岛是我国重度缺水城市之一, 淡水资源严重不足, 人均水资源占有量仅为295m³。解决淡水资源短缺问题的基本途径是开源、节流。一方面全面节水, 提高淡水的利用率;另一方面, 积极创造条件开辟新的淡水资源, 如实施必要的跨流域调水^[1]。但跨流域调水等传统措施存在水质污染严重、水处理难度大、基础设施投资大、整体运行成本高等缺点, 且只能实现水资源的时空位移, 不能增加水资源总量, 难以从根本上解决青岛的缺水问题。海水淡化能从源头上增加淡水资源总量, 是解决青岛水资源短缺的一项重要措施。

　　 国家《海水淡化科技发展“十二五”专项规划》中明确提出:将海水淡化作为解决淡水资源匮乏的战略选择, 已不是水价高低或技术优劣层面的考虑, 而是确保国家安全和可持续发展的必然要求, 是沿海地区未来生存发展的必然选择。发展海水淡化不仅仅是解决青岛淡水资源短缺的一个途径, 更是确保青岛城市供水安全的重要保障。

　　 该海水淡化厂主厂区占地面积4.3hm², 设计生产能力为10万m³/d生活饮用水, 总投资为11.3亿元人民币。主要采用超滤 (UF) +反渗透 (RO) 双膜法海水淡化工艺, 生产的脱盐水经后处理调制后达到《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 要求, 产品水与常规工艺净水厂生产的饮用水混合后进入市政管网。该厂已正式投产运营, 是目前国内最大的双膜法海水淡化项目, 也是我国第一个独立建设且产水进入市政管网的海水淡化项目。

　　 本项目主要由以下4个部分组成: (1) 海水取水及输水工程; (2) 海水淡化及后处理工程; (3) 淡化水入网工程; (4) 浓盐水排放工程。其中, 海水淡化及后处理工程又分为海水预处理工程、反渗透脱盐工程和脱盐水后处理工程3个部分, 是本海水淡化厂的核心部分, 位于主厂区内部。主要工艺流程见图1。

　　 海水淡化厂的取水泵站设置在厂区以南1.3km的某现状海水湖北侧, 采用岸边泵站取水。根据海水温度的不同, 取水量有所变化, 设计原水温度为3~28℃, 单日取水量为25.7万~26.2万m³。海水湖与胶州湾通过两条DN2 200的管道联通, 中间设有轴流泵和闸门, 高潮时海水重力流进入海水湖, 低潮时海水通过轴流泵提升至海水湖。

　　 海水在海水湖预沉淀后, 经取水泵站加压后进入厂区。泵站前设5 mm旋转式细格栅过滤器, 泵站后向管道中直接投加次氯酸钠溶液以防止微生物在输水管道内滋生。通过总长1.3km的DN1 300的玻璃钢夹砂输水管道, 将海水输送至海水淡化厂主厂区。

　　 前过滤工艺是海水进入主厂区的第一道处理工艺, 主体设备为孔径100μm自动清洗微孔过滤器。微孔过滤器前设有DN1 300管式静态混合器, 在静态混合器前投加氯化铁混凝剂, 氯化铁与海水经过静态混合器充分混合絮凝, 用以提高微孔过滤器对原水中悬浮物质和胶体的去除率。自动清洗微孔过滤器共设置4台, 3用1备, 单台过滤器设计流量为3 637 m³/h。当滤网前后的压差达到设定值时 (0.05 MPa) , 过滤器采用吸吮扫描器自动进行清洗, 清洗过程可实现不间断工作。前过滤工艺的产水进入超滤工艺。

　　 超滤能有效去除胶体、固体颗粒、病菌、隐性孢子等杂质, 为反渗透系统提供高品质预处理水。本海水淡化厂过滤形式采用全流过滤, 选用了荷兰诺芮特公司生产的Smart UF膜。超滤系统平均进水压力为0.24MPa, 最大进水压力为0.38MPa, 设计平均进水浊度6.09 NTU, 最大进水浊度为14.4NTU, 平均进水TSS为29.6mg/L, 最大进水TSS为70.0mg/L。共设计16个超滤膜组, 每组压力容器数量为252个。设计出水浊度<0.2NTU, SDI<3.0。经超滤处理后的海水进入超滤水池, 超滤水池的有效容积为1 000m³。

　　 超滤清洗分为反冲洗和化学清洗两种工况。反冲洗水来自超滤水池, 最小频率为每50 min 1次。化学清洗分为化学反冲洗和恢复性化学清洗, 化学清洗的主要试剂有硫酸、氢氧化钠和次氯酸钠等, 化学反冲洗最小频率为每24h1次。

　　 反渗透脱盐分两级:一级反渗透和二级反渗透。一级反渗透的部分出水在特定工况下通过二级反渗透进一步脱硼, 二级反渗透出水与另一部分一级反渗透出水混合, 使脱盐水中硼含量低于0.5 mg/L的标准限值。反渗透工艺流程见图2。

　　 一级反渗透采用东丽公司生产的TM820R-440反渗透膜, 分为6个膜组架, 每个膜组架有162个压力容器, 每个压力容器有7个膜元件。设计最大进水压力为7.1 MPa, 脱盐率为99.8%, 回收率为44%~47%。

　　 二级反渗透采用东丽公司生产的TM720C-430反渗透膜, 共分为6个膜组架, 每个膜组架有16个压力容器, 分为两段过滤, 每个压力容器有7个膜元件。设计进水压力为1.05~1.3 MPa, 脱硼率为95%, 回收率为90%。二级反渗透仅在进水温度为21~28℃, 一级反渗透出水硼含量不达标时启用, 其处理量占一级反渗透出水量的7%~20%。混合反渗透出水水质为TDS<400 mg/L, 硼离子<0.5mg/L, 钠离子<200mg/L, 氯离子<250mg/L, 浊度<0.1NTU。

　　 一级反渗透能量回收装置采用美国ERI公司的PX-260型压力交换器, 单个能量回收器设计流量为50m³/h, 平均转数为1 100r/min, 能量回收率达98%, 每个一级反渗透膜组架设有20个能量回收装置。一级反渗透高压泵采用瑞士SULZER高压泵, 设计扬程为5.5MPa。

　　 为维持反渗透膜过滤通量, 提高过滤效率, 防止和延缓反渗透膜的氧化、结垢, 延长膜的使用寿命, 工艺在反渗透的进水中加入焦亚硫酸氢钠、氢氧化钠和阻垢剂, 以调节反渗透膜进水的氧化还原电位、pH。

　　 反渗透系统设有化学清洗单元, 由化学清洗罐、筒式过滤器、化学清洗泵等设备组成。对反渗透膜进行化学清洗时, 配制的化学清洗液由化学清洗泵提供动力, 经筒式过滤器过滤后进入膜系统进行循环清洗。反渗透膜主要使用的化学清洗剂有硫酸、氢氧化钠、柠檬酸等。

　　 为了提高反渗透产品水的稳定性, 调节产品水的pH、碱度、余氯等指标, 使其达到国家《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 的要求, 在反渗透工艺后投加适量的二氧化碳、饱和石灰水和次氯酸钠对脱盐水进行后处理。

　　 液态二氧化碳经气化、减压溶解于反渗透水中, 投加于清水池前端;食品级氢氧化钙先被制成石灰乳, 再被稀释成饱和石灰水, 经过滤后投加于清水池前端;适量的次氯酸钠则保证二级泵房出水的游离氯≥0.3mg/L的要求。

　　 清水池总容积为2万m³, 分为2格, 单格容积为1万m³。海水淡化厂产品水经二级泵站加压后进入某常规工艺自来水厂的清水池, 与通过常规工艺生产的自来水按照1∶5混合后进入城市给水管网。

　　 反渗透浓盐水及超滤反冲洗水通过设置在厂区内的高位井排放至胶州湾零米等深线处, 设计最大日流量为16万m³。浓盐水和经中和处理的化学清洗水由浓盐水排放管道排放至胶州湾。浓盐水排放管道为DN1 600玻璃钢夹砂管, 总长度为1.5km。排放后的浓盐水与附近某市政污水处理厂排放10万m³/d的尾水于海中混合, 最大程度消除了浓盐水排放对海洋生态的影响。

　　 其他附属设施主要有35~10kV变电站、配电室、办公及控制室、实验室、服务楼、储藏室等建筑。

　　 (1) 采用海水预沉淀、100μm微孔过滤和超滤作为反渗透的预处理工艺能够有效去除原水中的悬浮物和胶体, 为反渗透系统提供高品质进水, 同时能减少预处理构筑物和厂区占地面积。

　　 (2) 采用低压、大通量、高脱硼反渗透膜作为二级反渗透, 在一级反渗透产水硼含量不达标的情况下可有效控制产水中的硼含量。

　　 (3) 采用PX-260压力交换装置, 能量回收率达到98%, 有效节约了能源, 降低制水成本。

　　 (4) 采用投加二氧化碳和饱和石灰水作为后处理工艺, 较好地调节了淡化水的pH、碱度等参数, 降低了淡化水在输配水过程中的二次污染风险, 同时提高了淡化水的饮用舒适度。

　　 (5) 浓盐水与污水处理厂的尾水混合, 降低了浓盐水对胶州湾生态的影响, 从而有效避免了对胶州湾海域环境的影响。

　　 (6) 超滤+反渗透膜法用于海水淡化由于其建设规模灵活, 能源需求单一, 制水成本低, 自控程度高等优点, 是我国海水淡化厂未来发展的主流方向。