在海水淡化厂建设前, 岛上居民的饮用水主要依靠补给船定期向岛内补给, 每船的补给量约为200 m³。船运的补给淡水用运水车运送至各居民自建的水窖储存, 水量有限, 仅供日常居民餐饮使用。

除饮用以外的其他生活用水水源主要是岛上降雨, 即依靠汇集各建筑屋顶雨水, 储存在自建雨水窖。自建雨水窖零散分布于各建筑间, 部分有简单的沉淀、过滤设施。原先各雨水窖储存的雨水均通过水泵输送至工委建设的雨水净化站, 经净化后使用。但淡化厂建设前雨水净化站已报废, 居民一般自行加压直接将雨水用作洗涤、冲厕等饮用外的生活用水。

永兴岛附近海域环境保护良好, 水质清澈, 原水浊度≤10 NTU, 其余主要水质指标见表1。

本项目水厂产水规模为近期1 000 m³/d, 远期2 000 m³/d。

产水目标:原水采用海水, 出水水质达到《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 的要求。

本工程近期产水规模1 000 m³/d, 规模较小, 工程地点位于永兴岛, 路途较远, 岛上物资匮乏, 所有物资均需船运上岛, 交通不便, 岛上可用地面积较小, 因此采用的海水淡化技术应具有占地面积小、工程量小、自动化程度高、安全可靠、运行过程耗材种类少、用量小的特点, 分析上述工程特点, 推荐采用反渗透海水淡化技术。

反渗透技术目前一般采用一级过滤, 但Rodrguez^[1]通过研究认为, 当原水中硼含量>3.5 mg/L时需要使用多级反渗透工艺。本工程海水硼浓度为4.5 mg/L, 因此采用二级反渗透技术。

反渗透膜进水水质要求较高, 海水原水一般需进行预处理。常规预处理技术采用加入絮凝剂对海水中海洋浮游生物、胶体物、固体颗粒进行沉淀后, 再经过砂滤过滤。其优点是除浊的效率较高, 技术比较成熟。其不足之处在于处理过程中需投加化学药剂, 整套预处理构筑物占地面积较大。永兴岛处于西沙群岛, 其主体由珊瑚礁及其风化产物构成, 可用地面积较小, 岛周围无外源污染物, 絮凝过程中投加的絮凝剂部分残留在浓盐水中, 随浓盐水一起排海会对当地环境造成污染^[2]。

因此, 本工程从减少使用药剂保护环境、节约工程用地等方面考虑, 采用电解沉淀+超滤预处理工艺。海水是理想的电解液, 纳米催化电解可在短时间内氧化分解海水中的有机物, 使海水脱稳, 具有一定的絮凝效果, 通过后续沉淀工艺去除水中的胶体物质和悬浮性物质, 无需投加化学药剂。同时电解过程中产生的Cl、O等自由基, 可有效杀灭藻类、微生物等, 解决膜生物污染的问题。电解预处理技术已在三沙市赵述岛40 m³/d小型海水淡化工程中得到应用, 效果良好。沉淀后出水采用超滤膜过滤可确保满足反渗透进水水质要求, 减轻对反渗透膜的污染。

海水经淡化处理后, 钙离子含量很低, 其水质不稳定且具有较强的腐蚀性, 因此本工程考虑对其进行化学稳定性处理。改善海水淡化水稳定性的措施是对其进行再矿化处理, 提高水中矿物质和碱度含量, 使其水质稳定, 不具有腐蚀性, 并符合生活饮用水标准, 这样既可以维护居民身体健康又能稳定水质。

矿化通常是通过过滤、投加化学药剂等措施来实现。海水淡化产水再矿化处理是调节产水pH, 加入钙等矿化物, 从而调节反渗透产水的碱度和硬度, 适度提高pH, 使产水的总碱度为80 mg/L (以CaCO₃计) , 总硬度为80～120 mg/L (以CaCO₃计) 。使水质既不产生结垢, 也不对输水管造成腐蚀。

可用于反渗透产水再矿化处理工艺方案大致有如下5个。

2CO₂+Ca (OH) ₂=Ca (HCO₃) ₂。

CO₂ + H₂O + CaCO₃=Ca (HCO₃) ₂。

Ca (OH) ₂+Na₂CO₃=CaCO₃+2NaOH。

CaCl₂+2NaHCO₃=Ca (HCO₃) ₂+2NaCl。

以上5个方案, 应根据工程情况、水质、处理水量和投资运行成本进行比选。方案3、方案4、方案5主要是向淡化水中投加药剂, 操作运行维护较为简便, 但费用较高, 适用于较小型的淡化水装置。方案1、方案2适用于较大型的海水淡化厂, 其中方案2具有更高的经济性。

本工程产水规模为1 000 m³/d, 属于小型海水淡化工程, 且距离陆地比较远, CO₂的储存及运输比较困难, 且操作难度大, 因此方案1和方案2不适用。Ca (OH) ₂需用生石灰制备, 制备原料需要从陆地运输上岛, 且使用过程中会产生大量的石灰渣, 造成新的污染和破坏, 因此方案3不适用。方案5采用自来水与海水淡化水进行勾兑, 勾兑比例为1∶5～1∶10 (淡化海水∶自来水) , 但岛上船运淡水量不足, 该方案不适用。

通过以上对比分析, 本工程采用方案4, 通过投加CaCl₂和NaHCO₃实现淡化水的矿化处理。

本工程规模较小, 周边海水量巨大, 浓海水采用排海处理。

海水淡化系统由纳米催化电解絮凝沉淀系统、超滤系统、海水淡化膜系统、后处理系统、药剂投加系统组成。海水通过取水系统进入纳米催化电解机, 电解机出水进入斜板沉淀池, 再经过柱式超滤系统过滤后, 作为海水淡化膜系统的进水。在反渗透海水淡化膜分离设备进行一级脱盐处理;一级脱盐处理后的水一部分直接作为饮用水, 另一部分则进行二级脱盐;脱盐处理后的淡水作为饮用水供给岛上军民使用, 浓缩海水进行排放。系统流程如图1所示。

综合池包括纳米催化电解系统、絮凝沉淀池、海水储水池、预留水池、滤后海水池、一级淡水池、二级淡水池, 组合建设。

考虑海岛运输困难, 同时减少排放浓海水对周边环境的影响。沉淀池设计不投加混凝药剂, 采用纳米催化电解机电解海水助凝。电解机设于絮凝沉淀池上部, 设计处理能力115 m³/h, 产生NaClO浓度0.8%。共设2组, 单组处理能力57.5 m³/h, 停留时间4.5 min, 有效接触时间3 min。

3座, 每座尺寸4 m (宽) ×7 m (长) ×5 m (深) , 蜂窝斜管Ø50×1 000, 斜管90 m², 表面负荷1.46 m³/ (m²·h) 。

接收沉淀池出水, 1座, 钢筋混凝土 (防腐处理) 材质。尺寸4 m (宽) ×8 m (长) ×5 m (深) ;有效容积145 m³。

接收超滤系统出水, 规格与海水储水池相同。

接收一级反渗透系统出水, 规格与海水储水池相同。

接收二级反渗透系统出水及部分一级反渗透系统出水。永兴岛上用水时变化系数较大, 二级淡水池容积应满足水量调节需求, 有效容积按日供水量的20%取值。水池进水管上投加次氯酸钠, 最大投加量2 mg/L。1座, 钢筋混凝土 (防腐处理) 材质。尺寸5.5 m (宽) ×8 m (长) ×5 m (深) , 有效容积200 m³。

可同时接收二级反渗透系统出水或其他淡水 (如岛外运水等) 。1座, 钢筋混凝土 (防腐处理) 材质。尺寸4 m (宽) ×8 m (长) ×5 m (深) , 有效容积145 m³。

综合净水车间内设超滤及反渗透系统。

采用压力式膜, 设2套膜主机, 主要设计参数如下:

设计水温5～40 ℃, 运行压力<0.15 MPa, 产水率≥90%, 膜组件材质为聚偏氟乙烯 (PVDF) , 膜组件数量80支, 设计通量30 L/ (m²·h) 。

设计回收率43%, 日运行时间24 h/d, 工作温度5～40 ℃, 运行压力≤0.65 MPa, 膜组件设计产水通量0.6 m³/ (h·支) 。采用1堆膜组件, 膜壳采用6芯装, 13支膜壳, 78支膜芯。

设计回收率90%, 日运行时间24 h/d, 工作温度5～40 ℃, 运行压力≤12.5 MPa。膜组件设计产水通量0.9 m³/ (h·支) ;设计按1堆膜组件, 膜壳采用6芯装, 6支膜壳, 36支膜芯。

三沙市永兴岛海水淡化厂于2016年12月建成通水。现已正常运行一年多, 产水1 000 m³/d, 运行中不投加混凝剂, 消毒采用电解海水产生次氯酸钠, 全厂电耗3～5 kW·h/m³。水质满足国标要求, 饮用口感良好, 较好地满足了岛上居民的生活用水需求。