长岛，又称庙岛群岛，位于胶东、辽东半岛之间，南距蓬莱7 km，北距旅顺42 km。主要的有人居住海岛包括南北长山岛、砣矶岛、大黑山岛、小黑山岛、大钦岛、南隍城岛、北隍城岛等。南北长山岛的供水主要依靠海底输水管线从蓬莱输水；其余各岛因距离大陆较远，主要依靠船运淡水、天然雨水和苦咸水淡化等供水。近年来，随着进入海岛旅游的游客数量不断增加，南北长山岛淡水供需矛盾日益突出；因天气原因导致停航、船运淡水费用过高〔1〕、降雨量偏小、当地苦咸水水源出水量逐年减小等原因，远离大陆的海岛也面临着巨大的供水压力。而长岛的小钦岛已建成的100 t/d海水淡化项目基本解决了该岛的淡水资源供需矛盾〔2〕。为了缓解旅游高峰季节淡水需求量与供应量的矛盾，并满足长岛海洋生态文明综合试验区的发展要求，当地政府决定在上述海岛上建设海水淡化项目。
经综合研究海岛上电力、热源等公共条件，该项目决定采用以反渗透（RO）技术为核心的海水淡化工艺，出水指标达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）要求。该项目2019年7月开工建设，同年12月竣工，2020年6月份通过验收并投入使用。
1 规模及水质
长岛用水高峰出现在旅游旺季的夏季，而在旅游淡季的冬春季节，用水量较少。海水淡化水站的建设规模以满足旅游旺季的用水需求为目标。项目包括海水取水部分、海水淡化处理系统、与现有供水系统的连接部分等。项目总淡水产量为5 200 t/d，各海岛的建设规模见表1。其中，南、北长山岛和砣矶岛北村海水淡化站采用2条500 t/d的海水淡化产水线，建设规模为1 000 t/d；其他海水淡化站均为单条产水线。
表1 各岛海水淡化项目的建设规模
Table 1
| 建设地点 | 建设规模/（t·d-1） |
|---|---|
| 南长山岛海水淡化站 | 500×2 |
| 北长山岛海水淡化站 | 500×2 |
| 砣矶岛北村海水淡化站 | 500×2 |
| 小黑山岛海水淡化站 | 200 |
| 大钦岛东村海水淡化站 | 500 |
| 大黑山岛土岛海水淡化站 | 500 |
| 南隍城岛海水淡化站 | 500 |
| 北隍城岛山前村海水淡化站 | 300 |
| 北隍城岛山后村海水淡化站 | 200 |
表2 长岛海域海水水质
Table 2
| 项目 | 实测值 | 二类水质标准 |
|---|---|---|
| pH | 7.9~8.4 | 7.8~8.5 |
| DO/（mg·L-1） | 6.2~7.2 | >5 |
| COD/（mg·L-1） | 1.36~2.52 | ≤3 |
| 无机氮/（mg·L-1） | 0.099~0.113 | ≤0.30 |
| 石油类/（mg·L-1） | 0.031~0.044 | ≤0.05 |
| Cd/（mg·L-1） | 0.000 15~0.000 58 | ≤0.005 |
| Cu/（mg·L-1） | 0.001 52~0.003 67 | ≤0.010 |
| Zn/（mg·L-1） | 0.001 60~0.005 00 | ≤0.050 |
2 工艺流程
海水淡化工艺流程见图1。
图1
根据取水点位置的海滩类型、地形地质等特点，取水分为岸边渗井取水、岸边渗井+渗渠取水以及自吸泵取水等方式。前2种取水方式的水质较好，不设斜管沉淀池，原水直接进入原水池；采用自吸泵取水的项目，设置斜管沉淀池，上清液进入原水池。原水进入原水池或斜管沉淀池前需投加0.2 mg/L（以有效氯计）左右的次氯酸钠以杀灭海水中微生物；冬季风暴潮时，海水浊度较大，采用自吸泵取水的项目还需在斜管沉淀池加药。经原水泵提升，海水进入两级砂滤罐，去除海水中的胶体、悬浮物等，降低海水浊度。经保安过滤器处理后，出水经高压泵加压进入一级反渗透系统，反渗透系统带压浓水进入能量回收装置进行能量回收，低压浓水排出。一级反渗透系统产水进入二级反渗透脱盐系统，二级反渗透浓水返回原水池进行循环，产水通过矿化水泵进入矿化后处理系统。矿化系统出水加次氯酸钠消毒后进入产品水池，通过供水泵送入用户管网或者高位水池。
3 主要构筑物及参数
3.1 取水构筑物
3.1.1 取水位置
取水位置应考虑台风、冬季寒风大潮、洋流等对取水构筑物、取水水质的影响，同时还要兼顾投资及运行成本。在确保取水量、取水水质的前提下，取水点尽量选择在冬季寒风大潮的背侧，还应尽量远离海港、码头等登陆点，避免水质污染。此外，还要考虑取水点的地质情况、海滩情况及取水构筑物类型等。
3.1.2 取水方式
根据取水点的地质情况及现场位置，取水方式主要分为岸边取水井取水、自吸泵取水。
（1）岸边取水井取水。
海滩平缓且为卵石滩的海岛，采用岸边渗井的取水方式。取水采用非完整井，井壁和井底同时进水，井底低于低潮位2 m。此方案共设计2处：大钦岛、北隍城岛山前村，各1座，内径分别为3 m和2 m。
海滩平缓、卵石滩层较浅的海岛，采用完整井，且沿海滩朝向海水的方向开挖渗渠，渗渠内回填当地卵石，井底及渗渠的渠底均低于低潮位2 m，渗渠内敷设穿孔花管。此方案共设计4处：南长山岛、北长山岛、大黑山岛、北隍城岛山后村。其中，南、北长山岛各设2个取水井，内径3 m；大黑山岛和北隍城岛山后村各设1个取水井，内径分别为3 m和2 m。花管材质为钢筋混凝土，直径均为0.5 m。
取水井内均采用潜水泵取水，材质为双相不锈钢。每个取水井安装2台潜水泵，1用1备。
（2）自吸泵取水。
海滩陡峭且为不透水的石英岩的海岛，采用自吸泵取水。自吸泵带有自动抽真空装置，吸程较大，取水管道采用316L不锈钢材质〔4〕。取水头设置90°向上弯头，尽量减少吸取水中的砂砾。取水头设置超声波除菌器，利用特定超声波段产生的空化、剪切作用以及微射流、自由基的氧化作用预防取水头滋长海草、牡蛎等杂质。砣矶岛、小黑山岛和南隍城岛均采用此方式。
系统的总产水率按30%计，淡化站自用水率按5%计，取水构筑物的设计参数见表3。
表3 各岛海水淡化项目取水点设计
Table 3
| 海水淡化站 | 取水点位置 | 取水方式 | 取水流量/（m3·h-1） |
|---|---|---|---|
| 南长山岛海水淡化站 | 南长山岛南侧 | 岸边取水井+渗渠 | 73×2 |
| 北长山岛海水淡化站 | 北长山岛北侧 | 岸边取水井+渗渠 | 73×2 |
| 砣矶岛北村海水淡化站 | 砣矶岛东北外侧 | 自吸泵取水 | 73×2 |
| 小黑山岛海水淡化站 | 小黑山岛南侧 | 自吸泵取水 | 30 |
| 大钦岛东村海水淡化站 | 大钦岛东南侧 | 岸边取水井 | 73 |
| 大黑山岛土岛海水淡化站 | 大黑山岛东南侧 | 岸边取水井+渗渠 | 73 |
| 南隍城岛海水淡化站 | 南隍城岛东南侧 | 自吸泵取水 | 73 |
| 北隍城岛山前村海水淡化站 | 北隍城岛南侧 | 岸边取水井 | 44 |
| 北隍城岛山后村海水淡化站 | 北隍城岛东南侧 | 岸边取水井+渗渠 | 30 |
3.2 斜管沉淀池
砣矶岛、小黑山岛及南隍城岛均设置1座斜管沉淀池，斜管倾角60°，斜管直径35 mm，表面负荷3.0 m3/（m2·h），采用多斗式排泥砂系统，设置气动排泥阀。絮凝剂投加系统包括制备和储存系统，投加量为2~5 mg/L。当取水中含有较多海藻时，投加现场制备的次氯酸钠，有效氯投加量为0.2 mg/L左右。
3.3 原水池
各设1座，钢混结构，采用“界面剂+无毒防腐涂料”为防腐层，水力停留时间为1.2 h，有效容积不小于100 m3。原水池吸水管设置在水池一半高度的位置，可以沉降一部分砂砾。原水池内配套原水泵，南、北长山岛及砣矶岛项目3台，2用1备；其余项目2台，1用1备。
3.4 砂滤罐
砂滤罐可以去除原水中的藻类、细微砂砾等，保护膜组件，延长保安过滤器的使用时间。每个站点的每个系统均设置两级砂滤罐，采用无烟煤石英砂双层滤料，滤速为10 m/h，采用气水反冲洗。各个站点砂滤罐的配置情况见表4。
表4 各岛砂滤罐配置表
Table 4
| 建设地点 | 砂滤罐规格及数量 |
|---|---|
| 南长山岛海水淡化站 | D 3.0 m×2级×2条 |
| 北长山岛海水淡化站 | D 3.0 m×2级×2条 |
| 砣矶岛北村海水淡化站 | D 3.0 m×2级×2条 |
| 小黑山岛海水淡化站 | D 1.9 m×2级 |
| 大钦岛东村海水淡化站 | D 3.0 m×2级 |
| 大黑山岛土岛海水淡化站 | D 3.0 m×2级 |
| 南隍城岛海水淡化站 | D 3.0 m×2级 |
| 北隍城岛山前村海水淡化站 | D 2.3 m×2级 |
| 北隍城岛山后村海水淡化站 | D 1.9 m×2级 |
3.5 保安过滤器
两级砂滤罐出水进入反渗透主机前均需经过滤精度为10 μm和5 μm的保安过滤器过滤，配置情况见表5。保安过滤器集成在膜架上，外壳材质为纤维增强复合塑料（FRP）。
表5 保安过滤器配置表
Table 5
| 建设规模/（t·d-1） | 10 μm过滤器数量/支 | 5 μm过滤器数量/支 | 过滤器型号 |
|---|---|---|---|
| 500 | 3 | 3 | 8040，骨架PP棉 |
| 300 | 2 | 2 | |
| 200 | 1 | 1 |
3.6 一级反渗透膜组
一级反渗透膜组主要包括一级反渗透供水泵、高压泵、能量回收装置、膜组件和一级反渗透产水池。一级反渗透供水泵出口压力为350 kPa，过流部件材质为2205双相不锈钢。高压泵采用柱塞泵，过流部件材质为2507超级双相不锈钢，额定出口压力6 MPa，进出口设置低压和超压保护开关。为降低系统能耗，采用等压正位移式的能量回收装置iSave系列产品，过流部件材质为2507超级双相不锈钢，能量回收总效率可达95%，与不设能量回收的系统相比可节能60%以上；该装置具有自适应能力，运行时无需人工额外调解和操作；该装置可将回收的能量用于提升低压海水的压力，但提升后海水压力仍低于高压泵的出口压力，iSave集成的增压泵可将这部分海水的压力提升至一级反渗透所需压力，增压泵扬程为50 m。
一级反渗透膜设计产水率35%，采用TM820V-400的8040高通量高脱盐节能型海水淡化反渗透膜元件，单支膜有效面积为37.16 m2，流道宽度0.863 6 mm，材质为架桥芳香族聚酰胺复合膜。膜壳材质为玻璃钢，承压能力为6 895 kPa，6芯装。采用一级一段排列。一级反渗透膜组件主要设备技术参数见表6。
表6 一级反渗透膜组件主要设备技术参数
Table 6
| 建设规模/（t·d-1） | 设备名称 | 主要技术参数 | 设备数量 |
|---|---|---|---|
| 500 | 高压泵 | 额定流量24.7 m3/h，额定扬程600 m，功率55 kW | 1台 |
| 能量回收装置 | 型号iSave50，流量45.5 m3/h，功率18.5 kW，转子式，回收效率≥95% | 1台 | |
| RO膜元件 | 脱盐率99.8%，脱硼率92%，最大进水SDI=5.0 | 48支 | |
| 300 | 高压泵 | 额定流量14.7 m3/h，额定扬程600 m，功率30 kW | 1台 |
| 能量回收装置 | 型号iSave40，流量27.3 m3/h，功率11 kW，转子式，回收效率≥95% | 1台 | |
| RO膜元件 | 脱盐率99.8%，脱硼率92%，最大进水SDI=5.0 | 30支 | |
| 200 | 高压泵 | 额定流量9.8 m3/h，额定扬程600 m，功率22 kW | 1台 |
| 能量回收装置 | 型号iSave21Plus，流量9.8 m3/h，功率7.5 kW，转子式，回收效率≥95% | 1台 | |
| RO膜元件 | 脱盐率99.8%，脱硼率92%，最大进水SDI=5.0 | 18支 |
3.7 二级反渗透膜组
二级反渗透膜组主要包括二级反渗透增压泵、高压泵、膜组件和产品水池。增压泵过流部件材质为304不锈钢，出口压力为300 kPa。高压泵过流部件材质为304不锈钢，出口压力为980~1 150 kPa，进出口设置低压和超压保护开关。
二级反渗透的设计产水率为85%，采用TM720D-400的8040架桥芳香族聚酰胺复合膜，单支膜有效膜面积为37.16 m2，流道宽度0.863 6 mm，具有高脱盐率、高产水量、高化学耐久性、抗污染的性能。膜壳材质为玻璃钢，承压能力为2 068 kPa，6芯装。采用一级一段排列，浓水回流入原水池。二级反渗透膜组主要设备技术参数见表7。
表7 二级反渗透膜组件主要设备技术参数
Table 7
| 建设规模/（t·d-1） | 设备名称 | 主要技术参数 | 设备数量 |
|---|---|---|---|
| 500 | 增压泵 | 额定流量24.7 m3/h，额定扬程30 m，功率4 kW | 南、北长山岛及砣矶岛项目3台，2用1备；其余项目2台，1用1备 |
| 高压泵 | 额定流量24.7 m3/h，额定扬程115 m，功率15 kW | 1台 | |
| RO膜元件 | 脱盐率99.8%，脱硼率92%，最大进水SDI=5.0 | 18支 | |
| 300 | 增压泵 | 额定流量14.7 m3/h，额定扬程30 m，功率3 kW | 2台，1用1备 |
| 高压泵 | 额定流量14.7 m3/h，额定扬程98 m，功率7.5 kW | 1台 | |
| RO膜元件 | 脱盐率99.8%，脱硼率92%，最大进水SDI=5.0 | 12支 | |
| 200 | 增压泵 | 额定流量9.8 m3/h，额定扬程30 m，功率1.5 kW | 2台，1用1备 |
| 高压泵 | 额定流量9.8 m3/h，额定扬程110 m，功率5.5 kW | 1台 | |
| RO膜元件 | 脱盐率99.8%，脱硼率92%，最大进水SDI=5.0 | 9支 |
3.8 矿化、消毒和供水
采用填充方解石填料的矿化罐对二级反渗透出水进行矿化，矿化罐设备技术参数见表8。采用现场制备的次氯酸钠进行消毒，有效氯投加量为2~4 mg/L。考虑到海岛对化学品运输存在一定限制，同时设置管式紫外消毒设备。各海水淡化站的供水方式不同，南、北长山岛直接由供水泵与供水管网连接，其他各岛均由供水泵将淡水输送到原有的高位水池。
表8 矿化罐设备技术参数
Table 8
| 建设规模/（t·d-1） | 矿化罐规格 | 矿化罐数量/个 |
|---|---|---|
| 500 | D 1.8 m×3.5 m | 1 |
| 300 | D 1.4 m×3.0 m | 1 |
| 200 | D 1.2 m×3.0 m | 1 |
4 运行效果
自正式运行以来，系统的产水水质良好，一级反渗透出水电导率在300~600 μS/cm，二级反渗透出水电导率不超过20 μS/cm；经矿化系统后，出水pH在7左右。系统正式供水2个月后对各站点矿化罐出水进行现场例行取样，主要检测数据见表9。出水各项指标检测数据均优于设计标准（GB 5749—2006）。本项目在1.5 a的运行时间内，出水效果稳定。
表9 各站点的矿化罐主要水质检测数据
Table 9
| 项目 | pH | 肉眼可见物 | 嗅味 | 浊度/NTU | 溶解性总固体/（mg·L-1） | 色度/度 | 氟化物/（mg·L-1） | 氯化物/（mg·L-1） | 硝酸盐/（mg·L-1） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 南长山岛 | 7.03 | 无 | 无 | <1 | 54 | <5 | <0.2 | 0.94 | 0.19 |
| 北长山岛 | 6.85 | 无 | 无 | <1 | 31.5 | <5 | <0.1 | 1.22 | 0.18 |
| 砣矶岛 | 6.8 | 无 | 无 | <1 | 18.5 | <5 | <0.1 | 0.84 | <0.15 |
| 小黑山岛 | 6.89 | 无 | 无 | <1 | 23 | <5 | <0.1 | 2.43 | <0.15 |
| 大钦岛 | 6.89 | 无 | 无 | <1 | 20.0 | <5 | <0.1 | 7.56 | <0.15 |
| 大黑山岛 | 6.95 | 无 | 无 | <1 | 12 | <5 | <0.1 | 2.08 | <0.15 |
| 南隍城岛 | 6.89 | 无 | 无 | <1 | 23 | <5 | <0.1 | 0.69 | <0.15 |
| 北隍城山前村 | 7.03 | 无 | 无 | <1 | 12 | <5 | <0.1 | 2.47 | <0.15 |
| 北隍城山后村 | 6.99 | 无 | 无 | <1 | 25 | <5 | <0.1 | 2.73 | <0.15 |
设计指标 （GB 5749—2006） | 6.5~8.5 | 无 | 无 | ≤1 | ≤1 000 | ≤15 | ≤1.0 | ≤250 | ≤10 |
因冬夏季海水水温差异较大，夏季运行时运行压力相对较小，产水量较设计规模偏大；冬季水温较低，运行压力较大，产水量较设计规模偏小，但冬季用水量较小，系统间断运行。
5 技术经济分析
本项目总投资4 890万元，其中设计费85万元，工程费4 805万元。运营成本包括电费、药剂费、膜更换费及人工费。其中产水耗电量为4.60 kW·h/t（含海水取水泵和淡水供水泵），山东省发展和改革委员会《关于烟台市海水淡化用电价格有关事项的通知》规定海水淡化优惠电价为0.555元/（kW·h），电费为2.55元/t；化学药剂费（含阻垢剂、消毒剂和化学清洗剂）为0.42元/t；材料更换费（反渗透膜每3 a更换1次，滤芯每3月更换1次）为0.85元/t；人工费（每个站点按3人计）为0.865元/t；设备维护费（按投资额的3%计）为0.76元/t，管理费（含日常检测、第三方检测等）为0.63元/t，总计产水成本为6.075元/t。
表10 类似项目的直接运行费用对比
Table 10
6 结论
本项目采用主处理工艺为二级砂滤+一级反渗透+二级反渗透+矿化的组合工艺进行海水淡化，年总制水量可达1.56×106 t（年满负荷运转时间按300 d计），出水指标均优于设计标准（GB 5749—2006），解决了长岛有人居住岛屿用水高峰期用水供需矛盾问题。采用高效的iSave能量回收装置，电耗降低，产水电耗控制在4.60 kW·h/t左右，总计产水成本为6.075元/t，明显降低了反渗透海水淡化装置的制水成本。在1.5 a多的运行时间里，出水效果稳定，为长岛的经济发展做出了贡献。
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