泵怎样才能使反渗透技术（通常需要许多能量）更加节省能源？Bryan Orchard回顾了泵业市场的一些最新进展，这些进展可以使反渗透技术用于大规模的饮用水生产。
水质和成本的平衡
影响着水处理行业的经济和环境因素使该行业内的公司受到越来越大的压力。“由于环境问题和环境法规的驱动，提高水质的需要和对有限水资源竞争日益增加之间的平衡，以及降低成本的压力，成为水处理行业面临的主要挑战。”Koch Membrane Systems欧洲公司副总裁和总经理Ian Elson说，“水资源的再利用显然成为解决水资源缺乏问题的一种方法，使用一种经济可行的工艺生产出适于再利用的水越来越重要。”
不久之前，海水淡化使用最多的还是多级闪蒸和多效蒸馏工艺，但是现在，全球的反渗透（RO）淡化产能已经超过蒸馏产能。在世界许多地方，海水反渗透（SWRO）工艺的成本最高可以降低4倍。对于水体积较小、空间有限的应用，该技术也很适合，例如船舶之上、海上平台和旅馆建筑内部。
鼓励工程师、科学家和设备制造商开发新的工艺生产淡水有着潜在的好处。在美国，海水淡化行业的一些领先的公司和代理商已经建立起“经济可行的海水淡化合作组织（ADC：Affordable Desalination Collaboration）”，贡献出他们的资源并分享他们的技术，以实现经济可行的海水淡化。ADC董事总经理John MacHarg说，通过技术联合，该组织已经证明，海水反渗透（SWRO）工艺与其它工艺相比，能够以较低的成本和能源效率生产出淡水。
2006年7月，在美国膜技术协会（American Membrane Technology Association）两年一度的研讨会上，ADC报告说：“海水淡化显然是有市场的，但一直以来的高成本限制了它的发展。高成本是由于资金和运行成本高造成的。但是，过去15年，海水淡化的资金成本已经大大下降。”既然反渗透膜的价格已大大下跌，现在的目标就是寻找降低运行成本、特别是节约能源的工艺。
能效需求
“影响反渗透转化最佳条件的因素很多，但没有一个比能耗更重要。”MacHarg说，“能源成本可能占到一个海水反渗透工厂整体运行成本的75%。”过去，海水到淡水的转化率对反渗透工厂的能耗有着直接的重大影响。这是因为能量的回收和所使用的泵送设备（例如Pelton水轮机、涡轮机和泵）有着内在的缺陷（表1）。
过去几年，几家主要的国际泵业制造商已经积极加入海水反渗透行业中来。由于不断强调的能效和能量回收问题，泵和膜制造商一直合作来优化他们产品的效率，并降低资金和运行成本。然而，关于什么才是能量回收的最有效方法，还是存在许多争论。
新旧对比
能量回收设备的优点之争，使功交换器和涡轮增压器以及使用多年的涡轮机被置于对立位置。Calder公司的Pelton水轮机效率高，可以使用低成本的电机，驱动高压给水泵，并节约大量的能量和成本。Calder公司说，能量回收涡轮机完全不过时，可以与直接与等压室技术相竞争。除了2005/2006年的几个小工程，Calder已经为三个大型工程提供涡轮机——Cartagena II ：流量65,000 m3/d、Palmachim：85,000 m3/d和Rabigh：200,000 m3/d。
Calder不仅生产能量回收涡轮机，还生产DWEER功交换器。分别位于以色列和新加坡的两个世界上最大的SWRO工厂现在使用的就是Calder公司的DWEER设备。
在DWEER系统中，高压泵流速等于水（产品）的流速加上系统损失的流速。高压盐水被引入一个装满海水的功交换器容器，交换器将海水加压到盐水压力。
海水被小型循环泵增压到高压泵压力，然后汇入高压泵水流之中。循环结束时，一个专利的LinX阀门使高压盐水转向，流到对面的功交换器容器中。然后低压海水充满空的交换器容器，盐水被排出，重新开始完整的循环。
功交换器能量回收系统首次出现于1960年，但那时它们的发展落后于膜技术。过去几十年反渗透膜技术的进展促进了功交换器的发展，现在越来越多的公司开始提供这种设备。
等压室技术
能量回收系统吸收海水的部分能量，将其返还到脱盐过程中。现在的发展趋势是用更有效的能量回收方式取代传统系统，例如Pelton涡轮机和反向旋转泵。
能量回收公司（ERI：Energy Recovery Inc）说，目前最先进的能量回收设备是PX压力交换器（PX），由该公司于1997年推出。利用正排量和等压室原理，这种功交换器可以使RO工厂高压废水流（盐水）到低压进水流（海水）的能量转移效率达到98%（图2）。Energy Recovery公司的PX压力交换器包括一个带有细长排泄管的柱形转子。转子在带有进出口的两个端盖间的套筒内旋转，压力能量直接从高压浓缩（排出）水流转移到低压进水（海水）水流。自调转速的转子保持着转子中水流的界面，防止了混合。转子的低压侧充满海水，同时高压侧排出海水。
2006年7月，ERI在位于加利福尼亚州Port Hueneme的美国海军海水淡化实验室进行试验，证明了这种技术的效率。研究结果显示，实验测得的能耗比开始预期的数据低40%。ERI报导说，该实验采用集合了商业化低能耗渗透膜和高效率泵的PX技术，是有记录以来最低成本的海水反渗透淡化工艺。该工艺以每1000加仑水消耗6 kW的能耗率由海水生产纯净水。
功交换器或等压室技术也是KSB泵公司继SalTec DT系统之后开发的另一项技术。这一新型SalTec DT系统利用水力能量传输来降低能源成本。据KSB公司说，他们是第一家整套提供这种系统的供应商。这种能量回收系统结合了高压泵和功转换器，将盐水的能量直接传输到进入的海水中。这避免了液压能转换成涡轮增压器和涡轮机内部机械能时的损失。
“SalTec DT的核心是一个带有电控回转阀的压力转换器。”KSB的Stefan Schafer解释说，“这一控制设备可以根据膜尺寸和污染情况导致的不同状态自动调节系统。一个分离机构防止盐水和海水在压力容器中混合，保证了系统连续的高效率。”KSB的这一系统集成了一个目标控制系统，最小化了能耗，保证了所有部件平滑的相互作用。它可以加速和减速功交换器容器中的水柱，以消除回转阀开关之间的脉动。开放式的界面可以使其集成到工厂的工艺过程和更高水平的控制系统中用于远程监测。
KSB已经将其HGM-RO高压泵和涡壳式RPH-RO增压泵结合到SalTec系统中。两台泵专门为RO应用而设计，具有高能效、低维修特点，适合长时间的连续运转。“既然RO系统中的泵必须将侵蚀性的盐水沿着渗透膜（压力最高达100 bar）加速到1800 m3/h，整个结构必须坚固耐用，由高质量的不锈钢制成。”Schafer说。
替代技术
PX技术的一个竞争者是由美国FEDCO公司提供的TurboBooster（液压增压器的通称）和MSS给水泵系列。FEDCO公司总裁Eli Oklejas说，TurboBooster是SWRO市场主要的能量回收设备，目前的产能已经超过220000 m3。FEDCO还非常关注中小型SWRO工厂，是其给水泵和能量回收设备最主要的供应商。
“液压增压器（HPB）是一个完全独立的海水和含盐水系统用盐水能量回收设备。”FEDCO公司总裁Eli Oklejas说，“HPB为给水系统增加的压力可占到膜所需压力的20%-40%。该设备完全由盐水水流提供能量，盐水和供给水用于所有的润滑和冷却。”在运行过程中，一个转动的转子将液压能从涡轮增压器中的盐水水流转移到给水水流。两个水流是分开的，可以具有不同的流速和压力。TurboBooster泵与MSS高压泵一起供水，降低了高压泵的出水压力，因此也降低了能耗。
Oklejas相信，“效率”很可能是一个误导参数，应该问一问，在工厂的整个生命期内，哪个设备具有最低的运行成本，而不该去问哪个设备是最有效的。“生命周期成本是选择泵和ERD时的主要参数。”他主张，“每一天结束时，所耗费的成本才是最重要的。”
接下来的几个月，FEDCO将推出几个新的产品线，包括主要用于盐水能量回收、盐水压力流量和压力控制、给水压力流量和压力控制的液压能管理系统（Hydraulic Energy Management System）。这一产品不需要在高压给水泵上使用节流控制阀、变频器，以及压力控制阀和旁路管线。
在适用于海水和含盐水系统的型号中，该设备将使用一台新型单级离心泵来获得高的效率。泵的性能归功于一个经过优化的非常简单的流动途径，润滑的轴承减少了密封和轴承的阻碍。这套商标为HEMI的集成设备给水流量最高可达2,000 m3/h。
小型系统
在回顾RO淡化系统用能量回收设备和泵解决方案时，一定不要忘记还有一些中小量淡水生产商也需要RO系统。这种需要可能来小型船舶、海上采油平台、旅馆和小型岛屿。对于其中某些应用来说，能量回收设备不是问题，确保泵经济实用、抵抗海水腐蚀和低维护成本才是主要的考虑因素。
“假如你处于任何一种船舶上，不论是采油平台还是海军舰艇，驱动给水泵需要的能量只占所需总能量很小的一部分。”Cat Pumps公司的Brian Hubbard说，“在另一种情况下，例如岛屿或小的休闲设备，由于当地的电能昂贵，能量就成为一个问题。”Hubbard还指出，难以找到一个已经具备许多小型RO设备的地方，而在饮用水需求改变时，这种小型设备可以投入生产或停止使用。
“在RO市场的低端，几乎不可能找到接近正排量泵效率水平的多级离心泵。”他继续到，“使用正排量泵，效率是相当稳定的。为最小化淡化工艺的生命周期成本，Cat泵通常以最大转速的一半运转，因为这种应用本质上是连续的，而且被泵送的流体也是高度腐蚀性的。但是，即使以这样的方式运转，泵的总体效率也只有80-85%。”
Cat出售到该市场的最小型泵是3Frame泵，该泵的每种结构尺寸具有不同的泵头。对于淡化系统，使用带有最大柱塞的泵头是最经济的，可以达到该结构尺寸的最大流量。关于压力，即使最低压力的泵也能达到70 bar，这对于RO应用来说已经足够。
偏远地区的能量回收
运行效率和投资成本是丹佛斯（Danfoss）开发新型液压轴向活塞电机（APM）的两个驱动力。该电机可使偏远地区分散着的工厂实现能量回收，这些工厂的产量低至2 m3/d。这种能量回收系统以轴向活塞泵（APP）为基础，APM直接连接到电机上以获得最高的效率和简单性。APP安装在双轴电机的一端，APM安装在另一端，而不使用任何齿轮箱或皮带传动设备。当隔膜中的高压盐水进入APM时，高压盐水中的能量转换成机械能供电机再利用，从而实现能量回收。
APP总是泵送着100%的隔膜所需要的水，APM的尺寸只定义了隔膜中的能量回收率。如果APM以60%的额定功率运转，那么能量回收率就是40%，盐水中的所有能量可以实现再利用。APP和APM都是正排量设备，压力、温度或盐度都不会影响回收率。过去两年所记录的饮用水实验能耗已经降低到了4-5 kWh/m3左右，然而小型SWRO工厂的能耗通常是9-12kWh/m3。
以90%的效率运转，APP泵具有更类似于离心泵的维修情况和平稳流量。他们使用水力技术，将水而不是油用作润滑介质，从而消除了很多传统柱塞泵或活塞泵造成的人工维修问题。据说，APP在高运转效率下具有平稳的流量，可以提高使用低效离心泵的大型系统的效率。
由于RO适用于中小型的本地化生产，可以看出大型工厂的需求将会持续增加（因此需要泵类制造商在能源效率上投入更多的资源）对于小型设备的需求也会增加。对于较小的淡化工厂，能效当然不是主要的考虑因素。减少腐蚀、改善维修状况等基于增强型结构材料的生命周期成本很可能会成为焦点。膜制造商也有望保持他们的开发动力。
KMS公司的Ian Elson指出，RO市场是非常活跃的，发展过程也会很长。以更有效率和有效的方式再利用水资源的能力正如人口和工业增长一样至关重要。
膜和泵制造商更紧密的合作也将带来更多好处。泵业制造商渴望与膜制造商更好的交流。KSB Pumps的Stefan Schafer说，“因为假如膜制造商能开发出更低压或低流速的膜，那么泵业制造商就可以开发出适合的压力交换器。”
联系方式
Bryan Orchard
Orchard Public Relations
The Cottage, Gosport Road
Farringdon, Alton
Hampshire
GU34 3EL, UK
电话/传真：+44 1420 588194
Email: orchard@primex.co.uk
图片说明：图1. Calder的DWEER能量回收设备安装在以色列的Ashkelon。
图2. 位于塞浦路斯Dhekalia的Caramondoni海水淡化工厂正在用ERI的压力交换器更新其4台10,000 m3/d的设备。 | 
