据水及废水处理文摘2009年3月30日讯 在美国加利福尼的Port Hueneme市，一个目前最先进之一的咸水淡化设施同时使用了三种咸水淡化技术：反渗透（RO），纳滤（NF）和电渗析逆转（EDR）。这三种技术并行工作，每天生产三百多万加仑高品质的饮用水。咸水改善示范设施工程（BWRDF）是Port Hueneme水务局（PHWA）水质改善计划的基础项目。除了为当地居民提供脱盐后的净水，BWRDF也作为一个大型工业规模的研究和示范设施。 由于源水质量的差异，工厂的产量，劳动力情况，能源和化学制品成本等都是变数，比较三种淡化技术的长期性能和经营成本是一项艰巨的任务。然而如果将三个具有工业规模的海水淡化技术设备装设在同一地点并行运作，就可能对它们直接进行比较。在工厂运作过程中，PHWA将收集这三个膜系统的长期成本和性能数据。
　　工程的目的和目标
　　在PHWA水质改善计划执行之前，PHWA的零售客户，包括Port Hueneme市[COPH]，海峡群岛海滩社区服务区[CIBCSD]，海军建筑营Port Hueneme中心[NCBC]，及海军航空武器Point Mugu站[NAS]，都非常关注现有供水的长期可靠性和水的质量。这些给水承销单位都是利用Oxnard平原地下水域开采的咸性地下水。这是一个严重透支，正处于积极管理之下的水域。
　　地下水管理计划要求在未来廿年中地下水的汲取必须削减百分之二十五。地下水取自当地海岸含水层的深水井，这些含水层日益受到海水入侵，或从内地联合水资源保护区上部含水层开采输送过来。这些水源的总溶解固体水平通常大于1000毫克/升 。虽然该地下水符合加州卫生服务部的主要饮用水标准，但这是高矿化的水，在美观的角度上也是不可取的。此外，客户要承担附加水软化费用和瓶装水费用，以及间接费用，包括因高盐度而造成管道和设备寿命缩短的成本，沾污玻璃器皿和洗衣房产生的成本。
　　考虑到当地地下水开采量透支，海水入侵和地下水质低劣（尤其是在干旱年份）等挑战，PHWA实施了它的“水质改善计划”。该计划涉及本地地下水去盐，和从“加利福尼亚水项目（CSWP）”进口水。
　　执行这项创新的计划造福了加利福尼亚Ventura县内的五万五千多人，包括改善水质，共同使用设施，以获得长期、安全、可靠和环境上可持续的高品质的水供应。水质可满足现行的和建议中的安全饮用水水质标准。PHWAs的客户因共用水处理设施而取消了每个机构对类似项目的需要。由于供水来自本地脱盐地下水和进口的CSWP水，对PHWA的客户来说水供应的长期可靠性也得到改善。从州水利工程进口水，使PHWA的客户可以减少他们开采受到海水的入侵和威胁的地下水，因此也减少对示范水厂的容量需求。地下水开采从沿海地区转移到内陆以回灌补给为主的地下水层也减少了沿海地区海水入侵的问题。此外，由于在水到达用户前已经去盐，一般家庭用的水软化和反渗透设备也不再需要。此计划同时也提高了未来对废水进行除盐与再利用的潜力。
　　预处理设备
　　咸水改善示范设施工程（BWRDF）的水源是被氯化的地下水，其来自内陆，上游水井受到原水的影响。这些水井由联合水源保护区（UWCD）操作与管理。这些水井是利用Santa Clara河及其流域的地表水来补充。对源水的预处理要求包含在膜滤前去除较大的颗粒物　以及游离氯去除，并调整水的化学特性以防止滤膜出现化学结垢。
　　水源的水是相当饮用水质量的水（除含盐度之外），且其浊度很低。其平均淤泥密度指数（SDI）（一个度量导致滤膜微粒污染可能性的指标）也非常低，通常小于0.5。但是，由于水源井域的系统中不断有井在开开停停，BWRDF时而可以在水源水中看到相当大的颗粒。这是因为井水泵启动时瞬间高速的水流可导致沉在管道里的锈片和颗粒再度浮起。因此，要求对源水进行过滤的预处理以保护滤膜免受时而出现的锈片和颗粒所伤害。
　　为避免遭受比较大的颗粒的损害，反渗透膜系统中在薄膜之前使用自动反冲洗过滤系统和标称5～10微米的袋滤系统。选择自动反冲洗过滤系统是因为它允许工厂连续运行，需要的劳动力少，而且投入预处理过滤器的维修时间短。由于井泵的运行可能产生绣片和颗粒，一般的5～10微米筒式过滤系统可能需要过度频繁地更换滤筒，甚至因颗粒阻塞而失效。
　　尽管EDR膜可以容忍低水平游离氯，源水还是必须脱氯，以保护反渗透膜和纳滤膜避免遭受游离氯的氧化损坏。脱氯处理是在预处理的过滤系统后添加亚硫酸氢钠这种还原剂以消除游离氯。一种称为氧化还原电位（OPR）分析仪则被用来监测水中的游离氯。另一种选择是加氨气，把自由氯转换成氯胺。EDR膜、RO膜和NF膜都可以承受氯胺，而且氯胺已经证明有助于减少膜的生物淤积。
　　如果水中盐的浓度超过其溶解度的限制，沉淀物可能在摸上形成矿物垢。通常是加酸和防垢剂以防止矿物垢在RO膜，NF膜和EDR膜上积累。在反渗透和NF系统中，进水沿着膜的长度方向流动，总溶解固体浓度则因渗透水穿过膜而增加。将酸和/或防垢剂添加到源水中可防止盐类沉淀。在EDR系统中的，在膜的浓缩液侧的总溶解固体浓度随着阳离子和阴离子通过EDR膜而增加。在这种情况下，酸和/或防垢剂则添加到浓缩液循环流中。
　　盐酸必需要在EDR系统之前添加。目前，反渗透和NF系统不需要加酸，这是基于源水的pH值小于7.5和其目前TDS的水平。然而，考虑将来反渗透和NF系统也可能会需要加酸，设计中还是为它们应提供了盐酸的添加系统。此外，每个膜系统都需要加少量的防垢剂。PHWA已经过测试过不同的防垢剂，而每个系统的补给率是则根据生产商建议和操作经验来确定。每个膜处理系统有其专门的酸和防垢剂化学计量泵，允许不同的化学补给率，并准确地监测三个膜系统每一个系统所使用的化学品数量。
　　反渗透膜系统
　　反渗透膜可去除水源水中的总溶解固体（TDS）。渗透是一种自然过程，水从低总溶解固体浓度的一侧穿过半透膜，到高总溶解固体浓度的一侧。反渗透是一种压力驱动的过程，在膜的高总溶解固体（水源水）浓度一侧提高水压至高于膜的渗透压，迫使水通过膜流到低总溶解固体（产品水）浓度一侧。反渗透膜允许水分子通过，而对水中大多数离子却是一个障碍。水源水沿着膜流动，总溶解固体进一步浓缩，并最终作为废物流从过程中释放出来。
　　BWRDF反渗透膜系统是一个分为两级的过程，包含14个第一级滤箱以及7个第二级滤箱，每个滤箱里有6个过滤单元。第一级膜的浓缩液废物流是第二级膜的给水。反渗透膜元件是以薄薄的塑料复合材料制成，元件采用Filmtec BW40LE-440。反渗透系统的进水回收率大约是百分之七十五。回收率的定义是：系统生产的水除以进入系统的源水。总溶解固体浓度1000毫克/升的源水，其反渗透脱盐所需压力约每平方英寸160磅。反渗透产品水的总溶解固体浓度约15毫克/升，远远低于水处理总溶解固体浓度370毫克/升和水的硬度150毫克/升的目标。为了产生所预期的处理水质，部份的源水必须绕过反渗透系统与低总溶解固体浓度的反渗透膜产品水混合，以生产每天100万加仑的淡化水。
　　由于项目投资成本的限制，RO和NF给水使用带有调制压力控制阀的固定高速泵，而且RO和NF系统没有使用任何能量回收装置。一般来说，RO和NF系统的操作效率，将会因供水泵采用变频驱动（VFDs），以及适度的高压废物流能量回收而得到改善。
　　RO、NF和EDR系统所产生的废水总溶解固体浓度，大约是源水总溶解固体浓度的3至4倍。咸水改善示范设施工程中所有三种膜系统的废水都排放到邻近污水处理厂的渠首，通过现有的处理程序再经由排污渠排放到海洋。
　　BWDRF的数据收集采用完全自动化。工厂监控与数据采集（SCADA）系统可监测每个膜系统的流量，压力，水质，化学品使用和能源消耗。工厂工作人员可以随时掌握每个系统的操作，维护时间和成本。
　　纳滤系统
　　纳滤膜系统的工作原理和反渗透系统去除水源的TDS一样。然而，与反渗透膜系统相比，NF系统允许通过较大的分子通过膜（NF膜的孔径是0.001～0.01微米，反渗透膜是 0.0001～0.001微米）。其结果是NF系统可以使用远较反渗透系统为低的压力生产同样数量的产品水。然而，更大的毛孔也允许更多的单价盐通过纳滤膜。
　　BWRDF纳滤系统也是一个两级过程，包含15个第一级滤箱，7个第二级滤箱，每个滤箱里有6个过滤单元。第一级膜的浓缩液废水流是第二级膜的给水。纳滤渗透膜元件是以薄薄的塑料复合材料制成，元件采用Filmtec NF90-400。纳滤系统进水回收率大约是百分之七十三。对总溶解固体浓度1000毫克/升的源水进行纳滤脱盐所需压力约为每平方英寸140磅。纳滤产品水的总溶解固体浓度约20毫克/升，这仍然低于预定的处理水指标。如同反渗透过滤系统，部份源水绕过纳滤系统与低总溶解固体浓度的纳滤膜产品水混合，以生产每天100万加仑的淡化水。
　　电渗析逆转系统
　　电渗析是一种以电力驱动的程序，使用电压驱动电荷离子通过半透膜，从而减少源水中总溶解固体。处理程序中将阳离子（带正电荷的离子）和阴离子（负电荷的离子）半透膜交错置放于直流电压电场中。源水在阳离子和阴离子膜之间流过时，直流电压电场诱导阳离子透过阳离子膜向阳极迁移，阴离子通过阴离子膜向阴极迁移。阳离子和阴离子积聚在膜的废水侧，而低总溶解固体的产品水便生产出来。电渗析逆转系统定期逆转电场的极性，也就是逆转稀释物和浓缩物舱室，帮助清除膜表面的离子垢，尽量减少对膜清洗的需求。
　　EDR系统产品水不像在RO和NF系统中那样，需通过脱盐膜。 这减少了微粒污染EDR系统的潜在性，因而没有地下水脱盐在法规管理上的问题。然而脱盐处理也同时需要并满足地表水处理规范，因此EDR系统需要增加可去除微生物的过滤程序。
　　每天生产一百万加仑脱盐水的BWRDF的EDR膜处理系统使用15个膜栈。每个膜栈包括600对离子交换膜组和水流间隔片。
　　EDR系统进水回收率约百分之八十五（将一些源水添加到废水循环流中，以保持足够低的溶解离子浓度，以防止矿物垢形成）。EDR系统不同于反渗透和NF系统的是不需将没有过滤的源水与产品水混合。EDR系统可调整电场强度来满足处理水的质量目标。其结果是水的总溶解固体浓度可调整到仅仅满足处理水质量标准，以求优化EDR处理系统的电力效率。
　　后处理
　　由于一些溶解在水中的碱度被去除，反渗透和NF系统产品水的pH值通常是较原水为低，。BWRDF反渗透和NF系统产品水是在5.8到6.0 pH单位。EDR系统对pH值的影响不大，产品水的pH值通常是更接近原水的pH值。要加一些氢氧化钠（烧碱）以提高脱盐水的pH值，使其达到8.0 pH单位，以控制输水管线腐蚀。PHWA并在水分配系统中添加钠次氯酸盐和氨以提供氯胺消毒残余。该BWRDF也有一个600,000加仑的储水罐和增压泵站来储存处理过的水，为他们的用户输送脱盐地下水和低总溶解固体的地表水。