海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀
文/天津工業(yè)大學(xué)生物化工研究所 呂曉龍
1. 海水淡化背景
隨著社會(huì)的高速發(fā)展和人口的急劇增加，淡水資源短缺問題已經(jīng)引起世界各國的普遍重視。我國是水資源大國，同時(shí)也是最為缺水的國家之一。我國水資源總量為2.8萬億立方米，居世界第6位，而人均淡水資源量僅為2125立方米，是世界人均占有量的四分之一，被聯(lián)合國列為13個(gè)貧水國之一。我國沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集，但人均淡水資源量只有1266立方米，處于嚴(yán)重缺水狀態(tài)。淡水資源短缺乃至水資源危機(jī)是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展過程中的最大瓶頸制約之一。地球上并不缺水，但只有不到1%的水是可直接利用的淡水，地球表面70%被海水覆蓋，海水淡化技術(shù)是解決沿海地區(qū)淡水資源短缺的重要途徑，是水資源利用的開源增量技術(shù)，是增加淡水資源儲(chǔ)備的新戰(zhàn)略，對(duì)于實(shí)現(xiàn)沿海地區(qū)水資源優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)以水資源可持續(xù)利用,保障沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大措施,具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。因此，加快海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展是保障我國沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。海水淡化不僅是保障我國水資源持續(xù)利用的開源之舉，更是水資源保障的戰(zhàn)略儲(chǔ)備。
海水資源取之不盡，海水淡化成本又在不斷地下降，因此，在沿海地區(qū)進(jìn)行海水淡化，比從內(nèi)陸調(diào)水更加科學(xué)，在節(jié)省成本的同時(shí)，也可避免因內(nèi)陸水源污染使調(diào)水水質(zhì)差和調(diào)水工程造成的生態(tài)環(huán)境破壞問題。
國家《海水利用專項(xiàng)規(guī)劃》中指出：
1、到2010年，全國海水淡化能力達(dá)到80～100萬噸/日，實(shí)施十萬噸/日級(jí)海水淡化和循環(huán)冷卻等產(chǎn)業(yè)化示范工程；到2020年，全國海水淡化能力達(dá)到250～300萬噸/日，建設(shè)若干個(gè)20～50萬噸/日能力的大規(guī)模海水淡化工程。
2、新建的電力、石化、冶金等企業(yè)要求配套建設(shè)海水淡化作為純水，現(xiàn)有企業(yè)要進(jìn)行改造，用淡化海水取代現(xiàn)用的自來水、純凈水。
3、把海水淡化列入《當(dāng)前國家重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄》、《當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南》，組織國債資金支持海水淡化的科技攻關(guān)和示范。新《企業(yè)所得稅法》中，對(duì)于從事海水淡化項(xiàng)目的企業(yè)實(shí)行稅收優(yōu)惠，海水淡化項(xiàng)目給予前三年免稅、后三年稅收減半的優(yōu)惠。
因此，目前對(duì)于我國從事海水淡化的企業(yè)，面臨很好的發(fā)展機(jī)遇。
2. 現(xiàn)階段海水淡化的主要方法
現(xiàn)階段世界上實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的海水淡化方法主要分為兩大類：一是熱處理過程，主要包括多級(jí)閃蒸（MSF）、多效蒸發(fā)（MED）；二是膜處理過程，如電滲析（ED）和反滲透（SWRO）。
（1）多級(jí)閃蒸（MSF）
技術(shù)原理：經(jīng)過加熱的海水，依次在多個(gè)壓力逐級(jí)降低的閃蒸室進(jìn)行蒸發(fā)，蒸發(fā)的蒸汽用于加熱循環(huán)的海水并冷凝成淡水的過程。通常與火力發(fā)電站聯(lián)合建設(shè)與運(yùn)行，以汽輪機(jī)低壓抽汽作為熱源，海灣國家采用較多。其優(yōu)點(diǎn)是，加熱過程與蒸發(fā)過程分開進(jìn)行，海水結(jié)垢傾向小。MSF技術(shù)是迄今為止最為成熟的海水淡化技術(shù)，整體性好，運(yùn)行安全性高，適合于大型和超大型淡化裝置。其淡化水量在全球仍屬第一。發(fā)展方向：進(jìn)一步擴(kuò)大單機(jī)容量，系統(tǒng)操作最優(yōu)化，開發(fā)對(duì)環(huán)境影響小、用量小的新型阻垢劑，新型傳熱材料。
目前多級(jí)閃蒸僅在沙特、卡塔爾、阿聯(lián)酋和阿爾及利亞有新建項(xiàng)目。國內(nèi)，在2003年，青島等地通過采用具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海水淡化裝置進(jìn)行海水淡化，取得了很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)時(shí)國內(nèi)設(shè)備的日處理量為3000噸/日，在2005年，國內(nèi)能生產(chǎn)出日處理量為5000噸/日的淡化設(shè)備；如今，日處理量為1萬噸/日的設(shè)備已經(jīng)建成運(yùn)行。國際方面，日產(chǎn)6萬噸淡水的單機(jī)已投入商業(yè)運(yùn)行，日產(chǎn)16萬噸淡水的裝置正在設(shè)計(jì)中，是世界上規(guī)模最大的海水淡化裝置。
（2）多效蒸發(fā)（MED）
技術(shù)原理：加熱后的海水經(jīng)過多個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)運(yùn)行，前一效蒸發(fā)的二次蒸汽作為下一效的加熱蒸汽，并冷凝成淡水的過程。主要與火電廠聯(lián)合運(yùn)行。包括兩種類型，一類是各效分列式，操作溫度一般較高，頂溫100～120℃；另一類是低溫多效蒸餾（LT-MED），頂溫65～70℃。后者較前者更具競(jìng)爭(zhēng)力，是蒸餾法中最節(jié)能的方法之一。發(fā)展方向：集中于提高其傳熱效果，制作材料，系統(tǒng)優(yōu)化等。該技術(shù)可利用電廠、化工廠或低溫核反應(yīng)堆提供的低品位蒸汽，將海水多次蒸發(fā)和冷凝而達(dá)到較高的造水比。所產(chǎn)蒸餾水純度高（含鹽量<5mg/l），電導(dǎo)率可達(dá)到2.7-7μs/cm可作為鍋爐的補(bǔ)充用水、生產(chǎn)過程的工藝用水或者大規(guī)模的市政飲用水供水。目前最大裝置產(chǎn)量為2.5萬噸/日，已有數(shù)百臺(tái)1000t/d以上裝置在世界各地運(yùn)行。
低溫多效技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：
1) 由于操作溫度低，完全避免或減緩了設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢。
2) 進(jìn)料海水得了預(yù)處理簡化。只需經(jīng)過篩網(wǎng)過濾和加入5mg/L左右的阻垢劑即可。不需多級(jí)閃蒸的加酸脫氣處理。
3) 操作彈性大。
4) 系統(tǒng)動(dòng)力消耗小，系統(tǒng)的動(dòng)力消耗低，可降低制水成本。
5) 熱效率高。30℃的溫差即可安排12以上的傳熱校數(shù)，從而達(dá)到10左右的造水比。
6) 系統(tǒng)操作安全可靠。不會(huì)因?yàn)槔淠艿赖钠屏褜?dǎo)致濃鹽水泄漏。
缺點(diǎn)：
鹽水蒸發(fā)溫度不能超過70℃制約了熱效率的提高。由于冷凝和蒸發(fā)過程的傳熱系數(shù)隨操作溫度的提高而提高，另外由于低溫操作時(shí)蒸汽的比容較大，使得設(shè)備的體積較大，增加了設(shè)備的投入。
從表1可以看到，低溫多效海水淡化方法能耗更低。多級(jí)閃蒸和低溫多效的造水比一般不超過11和15，若進(jìn)一步提高造水比，設(shè)備中海水的濃度會(huì)比較高，需要大幅度提高操作溫度。而在高溫下操作時(shí)，不僅會(huì)使能量消耗大大提高，還會(huì)加劇設(shè)備結(jié)垢腐蝕。因此多級(jí)閃蒸和低溫多效處理后的海水濃度通常僅為原料海水的2倍。
（3）反滲透
反滲透膜分離過程是利用反滲透膜選擇性地透過溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)的性質(zhì)，以膜兩側(cè)的靜壓差為推動(dòng)力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合物進(jìn)行分離的膜過程。因此，反滲透膜分離過程必須具備兩個(gè)條件：一是具有高選擇性和高滲透性的半透膜；二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓。反滲透膜分離過程在常溫下進(jìn)行、無相變、能耗低，可有效地去除無機(jī)鹽和有機(jī)小分子雜質(zhì)。膜分離裝置簡單，操作簡便，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。分離過程要在高壓下進(jìn)行，因此需配備高壓泵和耐高壓管路。反滲透膜分離裝置對(duì)進(jìn)水指標(biāo)有較高的要求，需對(duì)源水進(jìn)行一定的預(yù)處理。分離過程中，易產(chǎn)生膜污染，為延長膜使用壽命和提高分離效果，要定期對(duì)膜進(jìn)行清洗。
通常能耗占海水淡化費(fèi)用的一半以上，反滲透能耗一般為3～6kWh/m3。從表2可以看到，與蒸餾法相比，反滲透法能耗最低。從圖1可以看到，反滲透法是海水淡化技術(shù)中近20年來發(fā)展最快的技術(shù)，也是海水淡化技術(shù)的發(fā)展方向。反滲透技術(shù)主要存在兩個(gè)問題：一是反滲透淡水回收利用率低，一般只能達(dá)到40%左右，仍有60%左右濃縮水排放。若繼續(xù)對(duì)濃海水進(jìn)行反滲透處理，會(huì)導(dǎo)致操作壓力大大升高，成本提高。二是反滲透海水淡化技術(shù)并不能充分去除天然海水中的硼元素。由于硼元素會(huì)對(duì)人體及動(dòng)植物的生長產(chǎn)生危害，世界衛(wèi)生組織(WHO)要求飲用水中硼的含量在0.3mg/L以下，反滲透法生產(chǎn)的淡水硼含量在2mg/L～3mg/L之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出世界衛(wèi)生組織規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。在美國，由于硼含量超標(biāo)，已經(jīng)停止了對(duì)海水淡化廠的審批。由于硼可以和重金屬絡(luò)合，絡(luò)合之后的物質(zhì)毒性強(qiáng)于絡(luò)合之前的物質(zhì)，所以用淡化后的水灌溉土壤會(huì)對(duì)土壤造成更大的危害。
3. 海水淡化工程應(yīng)用
目前，無論是中東的產(chǎn)油國還是西方的發(fā)達(dá)國家都建有相當(dāng)規(guī)模的海水淡化廠。沙特、以色列等中東國家70%的淡水資源來自于海水淡化，美國、日本、西班牙等發(fā)達(dá)國家為了保護(hù)本國的淡水資源也競(jìng)相發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)。目前全球海水淡化總產(chǎn)量已達(dá)日均6348萬噸，2008年海水淡化工程總投資額達(dá)248億美元，并以每年20至30%的速度增長，由此帶動(dòng)了淡化水產(chǎn)品提供、設(shè)備制造、工程安裝、技術(shù)服務(wù)等整體海水淡化市場(chǎng)的巨大需求。
從表3看出，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國的海水淡化工程應(yīng)用規(guī)模也迅速增長。
我國已具有自主研發(fā)的膜法和熱法海水淡化技術(shù)，并具備生產(chǎn)建設(shè)日產(chǎn)淡化水萬噸級(jí)的海水淡化工程的能力。我國1958年建造西沙群島日產(chǎn)200噸電滲析海水淡化裝置，是世界上最早掌握海水淡化先進(jìn)技術(shù)的國家之一。浙江舟山六橫島10萬噸/日的反滲透海水淡化工程已開始建設(shè)，其中一期工程的日產(chǎn)淡化水1萬噸的海水淡化裝置已建成投產(chǎn)；河北滄州黃驊電廠的1.25萬噸/日的MED低溫多效海水淡化工程運(yùn)行良好。至今已建成投產(chǎn)的海水淡化裝置有72套，日產(chǎn)淡水44萬噸，在建和待建工程有56項(xiàng)，主要分布在天津、浙江、山東、河北和遼寧等地。如天津北疆電廠、天津大港新泉、青島百發(fā)等多個(gè)10萬噸級(jí)海水淡化工程相繼投產(chǎn)運(yùn)行或立項(xiàng)開工建設(shè)。全部完成后，日產(chǎn)淡水將達(dá)到220萬噸/日。到2010年底，天津?yàn)I海新區(qū)海水淡化總規(guī)模將達(dá)到50萬噸/日，成為國內(nèi)最大的海水淡化基地。
能量回收、變頻控制等技術(shù)的應(yīng)用，使反滲透海水淡化工程能耗大幅降低。我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的能量回收技術(shù)和裝置已進(jìn)入開發(fā)階段。我國還自行研究和開發(fā)了連續(xù)微濾或超濾技術(shù)用于預(yù)處理中；在杭州、貴陽（北京）和葫蘆島等地建立了反滲透復(fù)合膜生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)膜生產(chǎn)能力達(dá)300萬平方米/年；研究開發(fā)了海水淡化復(fù)合膜組器；海水淡化用膜壓力容器已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化；已具有了較強(qiáng)的海水淡化工程設(shè)計(jì)成套能力。
我國海水淡化雖然起步較早，但存在發(fā)展慢、規(guī)模小、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)等問題，主要表現(xiàn)在：一是海水淡化發(fā)展慢、規(guī)模小。我國海水淡化水日產(chǎn)量還很少，尚未成為沿海地區(qū)的重要水源；海水淡化裝置千噸級(jí)的較多，規(guī)模小。二是海水淡化成本高、推廣難。海水淡化噸水成本雖逐步下降，目前大約是5-7元，但相對(duì)于大部分沿海城市偏低的自來水價(jià)格而言，仍然偏高，這是制約海水淡化發(fā)展的最直接和最主要因素之一。
海水淡化產(chǎn)生的濃鹽水，其含鹽量高于海水一倍左右，濃鹽水的直接排放是否會(huì)對(duì)海洋生物構(gòu)成威脅、破壞海洋生態(tài)環(huán)境，目前尚無定論。當(dāng)前國際上海水淡化工程中常用的濃鹽水處理方法可分為兩大類：第一類，直接排放，如排入海洋、地表水、污水處理系統(tǒng)等，濃鹽水作為廢水被直接排放；第二類，將濃鹽水進(jìn)行再利用，如地表灌溉、制鹽（也可用來提取鉀、鎂、溴等物質(zhì)）等。國外海水淡化廠排放濃鹽水時(shí)，通常是把濃鹽水引入大海深處，讓濃鹽水與天然海水自然混合，以解決濃鹽水區(qū)域性污染問題。
4. 海水淡化新技術(shù)
（1） 膜蒸餾（MD）
膜蒸餾(Membrane Distillation)是傳統(tǒng)蒸餾工藝與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種液體分離技術(shù)，膜蒸餾過程是熱側(cè)液體的水分子蒸發(fā)汽化，穿過疏水膜的微孔，水相中非揮發(fā)性的離子和分子等溶質(zhì)則不能透過疏水膜，從而實(shí)現(xiàn)溶液分離、濃縮或提純的目的。膜蒸餾是有相變的膜過程，同時(shí)發(fā)生熱量和質(zhì)量的傳遞，傳質(zhì)的推動(dòng)力為疏水膜兩側(cè)透過組分的蒸汽分壓差。
膜蒸餾過程的特征：使用疏水性微孔膜，分離膜至少有一個(gè)表面與所處理的液體接觸，且不能被所處理的液體潤濕，傳質(zhì)推動(dòng)力是液體中可汽化組分在膜兩側(cè)氣相中的分壓差。相對(duì)于其它的分離過程，膜蒸餾的優(yōu)點(diǎn)主要有：① 對(duì)液體中的離子、大分子、膠體等非揮發(fā)性溶質(zhì)能達(dá)到100％的截留；② 操作溫度比傳統(tǒng)的蒸(精)餾低；③ 操作壓力遠(yuǎn)低于反滲透過程；④ 與傳統(tǒng)的蒸餾設(shè)備相比，無蒸發(fā)器腐蝕問題、設(shè)備體積小、造價(jià)低。膜蒸餾近年來成為了海水淡化新技術(shù)領(lǐng)域中最被研究關(guān)注的熱點(diǎn)方向之一。目前膜蒸餾技術(shù)還未能大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，主要是因?yàn)樵谑杷げ牧系挠H水化滲漏、膜組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與干燥方法、膜蒸餾工藝流程優(yōu)化與系統(tǒng)集成、蒸汽相變熱回收、加熱與廢熱利用方式等一系列膜蒸餾環(huán)節(jié)上均有待于提高。
（2） 正滲透（FO）
正滲透（Forward Osmosis）脫鹽技術(shù)是一種正在研究的新技術(shù)，其原理是，海水中的水分子在滲透壓的作用下，通過半透膜進(jìn)入膜另一側(cè)的特殊溶劑中，其它溶質(zhì)則被分離膜所截留，然后通過加熱、化學(xué)反應(yīng)等方式使該溶劑與水分離，從而獲得純水。該溶劑可重復(fù)使用。
（3） 技術(shù)集成
將太陽能、風(fēng)能、潮汐能等新能源與反滲透技術(shù)相結(jié)合，可降低海水淡化的耗電成本。將納濾、蒸發(fā)技術(shù)與反滲透技術(shù)耦合，可提高淡化水收率、降低工程投資。
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