水处理

海水淡化厂取水型式的分析及设计应用

2020-03-10 17:37:48 基层建设 作者:刘海勇

摘要:海水淡化的取水系统作为海水淡化厂的重要组成部分,该系统的优化设计及稳定运行直接影响到海水淡化厂的产水量、产水水质及运营成本。本文简要介绍了海水淡化的取水方法、各方法的优缺点及选择依据,以及海水淡化取水工程设计中需注意的关键问题。

关键词:取水;海滩井;深海;浅海;防护;

随着科技的发展以及人们对环境保护的日益重视,海水淡化工艺在近些年得到了广泛的应用与推广,海水淡化厂的数量也在逐年增加。而取水系统的作用是在海水淡化厂的全寿命周期内提供充足、连续、稳定、合格的原水。取水方式的选择和取水结构的建设对整个海水淡化厂的投资、产水成本、系统稳定运行和生态环境都有重要影响。

取水工程的建设需考虑海水淡化厂的项目规模、初始投资、运行维护、产水水质等多个因素。在取水工程设计时,需要深入调查取水区的水文水质、地质条件、气象条件、潮位风浪等条件的基础上,合理的选择取水位置及取水方式。下面分别对比下常用的取水方式及设计要点:

海水取方式:

海水取水有多种方式,整体上可分为三类:海滩井式取水,深海取水和浅海取水。一般而言,海滩井式取水水质最好,深海取水次之,浅海取水水质最差,但浅海采水具有建设投资少,适用范围广的特点,因此被广泛使用。

海滩井取水方式:

海滩井取水方式是基于砂层的自然渗透原理,在海岸边打井,从井里提取出经海床渗滤过的海水作为海水淡化厂的原水。这种方式取得的海水具有浊度低、水质好的特点,尤其适用于采用反渗透膜法工艺的海水淡化厂。

能否使用此种取水方法,主要取决于海岸构造的透水性、海岸沉积物的厚度及海水对海床的冲刷效果等因素。通常要求海岸地质为砂质结构,有良好的渗水性,渗水率至少为1000m³/(d•m),沉积物厚度至少为15m。其工作原理是:海水流经海岸时,海水被过滤,固态颗粒等杂质则被留在海床上,这些杂质经海浪、潮汐等冲刷后大多会被冲回海中,保持了海岸的良好渗透性。但如果这些颗粒不能被及时地冲回海中,将会降低海滩的渗透性,导致海滩供水能力下降。同时,考虑海滩井取水方式时,还需要考虑取水系统是否会污染地下水或被地下水污染,海水对取水结构的腐蚀性以及对沿海自然生态环境的影响等因素。

海滩水取水方式的不足之处是建筑面积大,所取原水中可能含铁和锰,溶解氧含量低等问题。比如产水量40000吨/日的反渗透膜法海水淡化厂,海滩井占地面积大概为20000平方米。

由于可获得高质量的水源且占地面积较大,海滩井取水方式一般适用于小型反渗透膜法海水淡化厂。因受到单井取水能力的影响,当淡化厂规模>40000吨/日时,海滩井取水方案的优势就不再明显。如我国浙江省嵊山镇的反渗透海水淡化示范工程,项目产水量为500吨/日,产水水质符合我国饮用水卫生标准,为我国首座自选设计,建造的反渗透法海水淡化厂。项目采用的就是海滩井取水方式,在海岸上建造钢筋混凝土深井,井深3.7米,底部直径5 米,省掉了海水澄清沉砂工序。

总而言之,海滩井取水适用于取水量稳定,离海岸近、海底砂层的渗水性良好,地下矿物质溶出量比较少、且取水量不是太大的海水淡化厂。

深海取水

深海进水是通过建造管道,将外海的深海水引入岸边,再通过岸边的取水泵房将海水输送至海水淡化厂。

正常情况下,海面以下1-6米内的水中会含有沙子、鱼虾、水母、海藻等微生物,水质较差。而海面以下35m附近的海水中,这些物质的含量将非常少,水质较好,可明显减轻预处理的负担。同时,深海水温较低,也有利于海水淡化系统的运行维护,尤其是对采用热法海水淡化工艺的项目。

对于海床比较平缓的海岸取水,如需取到海面以下35米附近的水,需要向海中铺设相当长的取水管道,而海底铺设取水管道的工艺复杂,投资巨大,这种情况下便不适宜采用深海取水方式。因此深海取水方式主要适用于海床陡峭,最好是距离海岸线50米以内即达到深度35米。因此,这种取水方式也不适于大型取水工程。

浅海取水

浅海取水的海水水质较差,但投资少,适应性广,应用经验丰富,因此被普遍使用,是目前使用最普遍的海水取水方式。常见的浅海取水方式主要有:海岸式取水、海床式取水、引水渠式取水、潮汐式取水等。

①海岸式取水

海岸式取水方式的原理是取水泵直接从海边抽水,然后经过加压泵将海水输送到厂区,这种方式主要适用于海岸线比较陡峭,海水含沙量少,高低潮位差较小,低潮时近岸水深大于1米且取水量较少的项目。

其优点是系统简单,投资低,方便运行管理。缺点是容易受到海潮变化的影响,泵房会受到海浪的影响且受到海中微生物的危害较大,需做好耐腐蚀及去除微生物的工作。为保证安全性与可靠性,泵房一般距离海岸10-20米,每台取水泵配置独立取水头、独立取水管并考虑足够的冗余配置。

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②海床式取水

海床式取水方式的原理是将取水管道(耐腐蚀自流管或隧道)埋入海底,仅取水头暴露在海水中,在海岸上建造泵房和集水井。适用于取水量大,海岸平坦,深水区离海岸较远或潮汐位差大及海湾条件恶劣的项目。

其优点是所取原水为低温海水,利于海水淡化厂的运行;泵房距离海岸有一定距离,保证泵房免受海浪冲击,取水的安全性与可靠性更高。缺点是取水管道埋在海床底部,容易积聚海洋生物或泥沙,难以清除;取水管铺设工艺复杂,施工成本高。

③引水渠式取水

引水渠式取水的原理是自深海区开挖引水渠,将海水引至取水泵房,同时在泵房进水侧建造防浪堤,引水渠两侧建造防浪堤坝。适用于海岸陡峭,取水点海水较深,海水淤泥较少,且高低潮位差值较小的石质海岸或港口、码头附近。引水渠在设计时需保证其入口标高低于设计最低潮位0.5米以上,且设计取水量需考虑足够的冗余系数。

其优点是取水量不受限制,引水渠内的粗细格栅及清污系统等能截留较大的海生物。缺点是工程量大、海生动植物的活动比较活跃,且容易受海潮影响。

④潮汐式取水

潮汐式取水的原理是利用海水的涨潮落潮,在海岸建造调节水库,并在水库入口安装自动逆止闸门。高潮位时,闸板门自动开启将海水流入水库。水库水位到达一定高度后,闸板门自动关闭,存储在水库中的海水即作为海水淡化厂的供水水源。适用于海岸平坦、深水区较远、且涨落潮位差比较大的地区。

其优点是利用了海水涨落潮的规律,供水安全可靠;泵房不需要建在海岸,免受海潮威胁;同时蓄水池自身也起到一定的澄清作用,取水水质较好。缺点是调节水库占地大,投资高;海中的微生物生长会导致逆止闸门关闭不严,需考虑配置微生物清除设备;

在海水淡化厂的设计阶段,可根据项目所需水质、水量、取水结构及地质条件等因素综合考虑取水方式,比如引水渠式和潮汐式组合使用。这种方式的调节水库与引水渠并列独立布置,水库中的海水可经由引水渠流至取水泵房;高潮位时,调节水库的逆止闸门自动开启蓄水,但不流入取水泵房,海水直接经引水渠取水并流入取水泵房;低潮位时,开启调节水库与引水渠之间的联通阀,同时关闭引水渠的进水闸门关闭,由调节水库向取水泵房供水。这种取水方式供水量大、水质好、供水安全可靠且泵房不易被腐蚀,但施工工程量较大。

海水取水工程设计要点

因海水水质的特殊性,海水取水设备很容易受到腐蚀、微生物侵袭和海潮影响。在项目设计阶段尤其要注意这些问题的防护,现对主要的设计要点进行说明:

海水的腐蚀性和防范要点

海水中含有氯化钠、氯化镁、硫酸镁等多种盐分,会严重腐蚀其中的金属材料。其腐蚀速度及腐蚀程度主要取决于海水含盐量、海水流经材料表面的相对速度等。

此问题的防范要点主要有:选用耐蚀材料、降低海水与设备的相对流速、通过耐蚀材料将金属设备隔离等方法。具体措施如下:

选择与海水有直接接触的设备或材料时,应优先考虑其耐腐蚀性,选用耐蚀金属材料,比如钛合金、高纯度不锈钢等材质;

在金属表面刷防腐保护层,比如涂刷防锈漆等;

采用阴极保护法等电化学防腐保护。

尽量降低海水与金属材料间的相对流速,比如采用低转速的取水泵等。

向水中加入化学药剂已减缓腐蚀性或在金属管道内形成保护性薄膜等。

海洋微生物的影响和防范要点

海洋中的微生物进入取水流道或取水泵房后,会附着在管道及设备表面并不断生长,造成通水面积减小,取水流量降低,设备工作负荷增大,进而减少了设备的使用寿命。针对此问题,一般采用过滤法及化学加药法综合处理,在取水口前设置滤网拦截微生物并定时清理,同时在取水流道中定期加入化学药品,以便及时杀死微生物。

潮汐等自然因素的影响

潮汐、赤潮、风暴潮、海冰、冻土、暴风雪等对取水结构有很大的影响,在设计时需综合考虑这些自然因素的影响;比如尽量将取水结构建在海湾内,选择风浪、海潮较小的地方作为厂址,取水泵房建在坚硬的原土层和基岩上等。

结论

海水淡化厂的常规取水方式主要有海滩井取水、深海取水及浅海取水三种。海滩井取水水质好,能够节省预处理费用,但占地面积大、前期地勘工作量较大,适用于较小的海水淡化厂;深海取水水质也比较好,但因投资大、施工复杂等原因而较少应用;浅海取水水质相对略差,但适用性大且施工相对简单,是目前使用最广泛的取水方式。同时,在海水取水工程设计时,应综合考虑海水的腐蚀性、微生物的生长及潮汐等的影响。

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