海水淡化技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

陳金婷，樊俊鋒，杜亞威

（1天津市化工設(shè)計(jì)院，天津市300193；2上海緯縱化工工程咨詢有限公司，上海市 200235；3河北工業(yè)大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津市 300130）

1 海水淡化技術(shù)簡(jiǎn)介

海水淡化技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已成為一種可靠的工業(yè)技術(shù)。目前海水淡化的主要方法有蒸餾法、膜法、結(jié)晶法、溶劑萃取法、離子交換法等，此外,還有太陽(yáng)能淡化,核能淡化等。蒸餾法可分為三大類即多級(jí)閃蒸（MSF）、多效蒸發(fā)（MED）、壓汽蒸餾（VC）。膜法海水淡化技術(shù)從過(guò)程原理上主要有三種，即反滲透（RO）、電滲析（ED）、納濾（NF）。結(jié)晶法則由冷凍法和水合物法構(gòu)成[1]。在諸多方法中，工業(yè)上主要有以下幾種：MSF、MED、VC、RO、ED，其中后者主要用于苦咸水淡化[2]。

多級(jí)閃蒸海水淡化是將經(jīng)過(guò)加熱的海水,依次在多個(gè)壓力逐漸降低的閃蒸室中進(jìn)行蒸發(fā),將蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化裝置仍以多級(jí)閃蒸方法產(chǎn)量最大,技術(shù)最成熟,運(yùn)行安全性高彈性大,主要與火電站聯(lián)合建設(shè),適合于大型和超大型淡化裝置,主要在海灣國(guó)家采用。

反滲透海水淡化方法是一種以壓力為驅(qū)動(dòng)力的分離技術(shù)，屬于物理脫鹽方法[3]。與傳統(tǒng)的蒸餾法相比，反滲透海水淡化過(guò)程不發(fā)生相變。從理論上講，它是最節(jié)能的海水淡化方法。在反滲透器中，在海水一側(cè)施加高于滲透壓的壓力（通常的壓力范圍在5.5～6.8MPa之間）[4,5]，由于海水和淡水之間滲透壓的原因,淡水會(huì)通過(guò)半透膜滲透到海水一側(cè),利用這一原理,如果對(duì)海水一側(cè)施加大于海水滲透壓的外壓,那么海水中的純水將反滲透到淡水中,從而得到淡水。由于其較低的能耗,所以越來(lái)越多的國(guó)家把發(fā)展重心轉(zhuǎn)向反滲透法。

多效蒸發(fā)是將前一效蒸發(fā)器蒸發(fā)出來(lái)的二次蒸汽引入下一效蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，并在下一效蒸發(fā)器中冷凝為蒸餾水，如此依次進(jìn)行。多效蒸發(fā)與單效蒸發(fā)相比，熱能得到重復(fù)利用，造水比幾乎按效數(shù)成倍增加，技術(shù)簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用比較廣泛[6]。

以上三種方法目前是海水淡化產(chǎn)業(yè)主要的方法，由于不同地區(qū)，海水水質(zhì)不一樣，選的方法也不一樣?？傮w而言,反滲透因?yàn)橥顿Y費(fèi)用低、運(yùn)行費(fèi)用低、能耗低、腐蝕輕、壽命長(zhǎng)、維修難度低、大型化技術(shù)進(jìn)展快而具有明顯的優(yōu)勢(shì),成為21世紀(jì)大型海水淡化的主要方法。

2 國(guó)外海水淡化產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)海水淡化技術(shù)的研究起步較早，世界上首個(gè)海水淡化工廠1954年建于美國(guó)德克薩斯州。聯(lián)合國(guó)關(guān)于非常規(guī)水源的報(bào)告指出，從1950～1985年的35年間，海水淡化的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，即發(fā)展階段、開(kāi)發(fā)階段和商業(yè)化階段。在這個(gè)期間主要研究開(kāi)發(fā)反滲透、蒸餾、電滲析和冷凍法[7]。在此后的幾十年里蒸餾法和反滲透法都發(fā)揮了更大的作用，形成了當(dāng)代海水淡化與苦咸水淡化技術(shù)與市場(chǎng)的主體。目前世界上大部分大型海水淡化廠多與大型發(fā)電站聯(lián)合建設(shè)，已成為當(dāng)前大型海水淡化裝置的主要建設(shè)模式。水電聯(lián)產(chǎn)可以利用電站的蒸汽和電力為海水淡化裝置提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)能源高效利用和降低海水淡化成本。目前，全球海水淡化總產(chǎn)量已達(dá)日均6 348×104 t。用于全球海水淡化工程的投資以年20%～30%的增幅速度增長(zhǎng)，2015年海水淡化工程總投資額預(yù)計(jì)將達(dá)564億美元[8]。全球海水淡化市場(chǎng)已頗具規(guī)模。根據(jù)國(guó)際脫鹽協(xié)會(huì)（IDA）的數(shù)據(jù)，截止至2009年底，全球已有150多個(gè)國(guó)家和地區(qū)再利用海水淡化技術(shù)，全球共建有1.4451萬(wàn)個(gè)脫鹽工廠，合計(jì)日產(chǎn)水量近6000萬(wàn)t。其中海水淡化日產(chǎn)水量約4000萬(wàn)t，2009年新增水量近500萬(wàn)t，年增長(zhǎng)率約為15%。預(yù)計(jì)到2015年，全球海水淡化市場(chǎng)有將近700～950億美元的規(guī)模，未來(lái)20年國(guó)際海水淡化市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的仍然是中東地區(qū)，其次是美國(guó)、澳大利亞、阿爾及利亞、西班牙、印度和中國(guó)[9]。

3 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)和發(fā)展趨勢(shì)

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)從1958年就開(kāi)始研究海水淡化技術(shù)，1967～1969年全國(guó)組織海水淡化會(huì)戰(zhàn)，同時(shí)開(kāi)展反滲透、電滲析和蒸餾等多種海水淡化方法的研究。自從1982年在西沙永興島建成我國(guó)第一座200m3/d電滲析海水淡化站的建設(shè)，經(jīng)過(guò)30多年的努力我國(guó)海水淡化技術(shù)有了重大突破。我國(guó)先后又建成了舟山嵊山島用國(guó)外的膜組件建成500m3/d的海水RO淡化示范站，長(zhǎng)海大長(zhǎng)山島建成1000 m3/d的海水RO淡化站，山東長(zhǎng)島和浙江嵊泗分別建成1000 m3/d的海水RO示范工程，威海和大連的華能電廠也都分別建了2000m3/d的海水RO淡化站。國(guó)家發(fā)改委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目“山東榮成日產(chǎn)10000噸級(jí)反滲透海水淡化示范工程”一期5000m3/d機(jī)組在榮成市石島；黃驊電廠日產(chǎn)2萬(wàn)t海水淡化系統(tǒng)工程；華能玉環(huán)電廠日產(chǎn)3.5萬(wàn)t海水淡化系統(tǒng)工程，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)“雙膜法”海水淡化工藝的先例,首鋼京唐2.5萬(wàn)t(MED)、天津大港新泉10萬(wàn)t(RO)、天津北疆電廠I期10萬(wàn)t(MED)等一批中大型海水淡化工程[13]。

反滲透和低溫多效蒸餾是國(guó)內(nèi)海水淡化工程中應(yīng)用最多的技術(shù)。2003年，我國(guó)海水淡化水產(chǎn)能尚不足3萬(wàn)m3/d，但從2003年起，特別是“十一五”以來(lái)，我國(guó)海水淡化快速發(fā)展，海水淡化產(chǎn)能年均增長(zhǎng)超過(guò)60%，截止2012年底，我國(guó)海水淡化水產(chǎn)能已達(dá)86萬(wàn)m3/d。已建、在建和近期籌建的工程已超過(guò)100萬(wàn)m3/d。

反滲透和低溫多效蒸餾兩大主流海水淡化技術(shù)得到較快發(fā)展，成本不斷降低。反滲透海水膜、高壓泵、能量回收裝置、反滲透膜壓力容器、海水預(yù)處理連續(xù)膜過(guò)濾組器等取得明顯進(jìn)步；膜通量增加了近40%，脫鹽率由99.2%提高到99.7%以上；能量回收裝置的應(yīng)用和不斷改進(jìn)使能耗大幅降低，新一代正位移式能量回收裝置的回收效率達(dá)94%以上。我國(guó)已自主建成日產(chǎn)萬(wàn)m3級(jí)反滲透海水淡化裝置，海水淡化工程進(jìn)入大型化階段。目前，反滲透海水淡化投資為6000～8000元/m3，綜合產(chǎn)水成本為5～6元/m3[10]。

低溫多效蒸餾海水淡化具有水質(zhì)好和可利用工廠余熱或低品位熱源的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于需提供鍋爐補(bǔ)給水和工藝純水，且有低品位蒸汽或余熱可利用的電力、石化、鋼鐵等企業(yè)。我國(guó)自主建成了1.25萬(wàn)m3/d低溫多效海水淡化蒸餾裝置，為大型熱法海水淡化工程的啟動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)

海水淡化水目前主要用于電力和市政用水?，F(xiàn)階段，我國(guó)發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)采取“政府引導(dǎo)，市場(chǎng)運(yùn)作”的發(fā)展機(jī)制，主要靠企業(yè)主導(dǎo)，通過(guò)市場(chǎng)化運(yùn)作；同時(shí)政府通過(guò)制定相關(guān)政策等必要的手段來(lái)引導(dǎo)和規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國(guó)家和各級(jí)政府正在不斷加大對(duì)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持力度，增加投入，完善政策，強(qiáng)化試點(diǎn)示范；支持海水淡化產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

我國(guó)已能生產(chǎn)出達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)的海水淡化水，但國(guó)內(nèi)的水資源狀況尚未到非喝淡化水不可的地步。淡化水作為飲用水不僅需要在定位上突破（國(guó)家還沒(méi)有將淡化海水納入水資源相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，但未來(lái)將會(huì)有所變動(dòng)），還需要在確保人身健康安全的前提下，從技術(shù)、工程、運(yùn)行、標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管等多方面逐步推進(jìn)[11]。

3.3 發(fā)展趨勢(shì)

2012年，《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見(jiàn)》指出，到2015年，我國(guó)海水淡化能力達(dá)到220萬(wàn)～260萬(wàn)m3/d，對(duì)海島新增供水量的貢獻(xiàn)率達(dá)到50%以上，對(duì)沿海缺水地區(qū)新增工業(yè)供水量的貢獻(xiàn)率達(dá)到15%以上，大幅度提高苦咸水、微咸水的淡化利用能力。到2015年，在全國(guó)建成2O個(gè)海水淡化示范城市，建成2個(gè)日產(chǎn)能5萬(wàn)～10萬(wàn)t的國(guó)家級(jí)海水淡化重大示范工程和2O個(gè)日產(chǎn)能萬(wàn)噸級(jí)海水淡化示范工程，5個(gè)濃鹽水綜合利用示范項(xiàng)目[12]。

《國(guó)家“十二五”海洋科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中指出，遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶、河北曹妃甸工業(yè)區(qū)、天津?yàn)I海新區(qū)、山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)等沿海區(qū)域?qū)⒙氏扔瓉?lái)海洋經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展期。到2015年的海水科技發(fā)展重要任務(wù)中提出要培養(yǎng)海洋戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，開(kāi)發(fā)高智能化的大型反滲透，低溫多效海水淡化成套技術(shù)和裝備，發(fā)展適用于海島的多能源耦合海水淡化裝置。

總之，如今我國(guó)完全掌握海水淡化技術(shù)，隨著裝置規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步，造水成本仍有降低的空間。海水淡化有望替代南水北調(diào)工程解決我國(guó)北方水資源短缺問(wèn)題。

［1］李憑力，馬佳，解利昕，等.冷凍法海水淡化技術(shù)新進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2005，24（7）：749-753.

［2］解利昕，李憑力，王世昌.海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀及各種淡化方法的評(píng)述[J].化工進(jìn)展，2003，22（10）：1081-1084.

［3］M.Mulder,Basic Principles of Membrane Technology.Kluwer Academic,Dordrecht.The Netherlands,2nd Edition,1996.

［4］B.Liberman,The importance of energy recovery devices in reverseosmosis desalination, http：//www.twdb.state.tx.us/Desalination/The%20Future%20of20Desalination%20in%20Texas%20%20Volume% 202/documents/C8.pdf#search =% 22The%20importance%20of%20energy%20 recovery%20devices%20in%20 reverse%20osmosis%20des alination%2290H.

［5］Desalination by reverse osmosis,http：//www.oas.org/usde/publications/Unit/oea59e/ch20.htm.

［6］R.Semiat,Desalination：present and future.Water Int.2000,25(1)：54-65.

［7］United Nations Report.Natural Resources,Water Series New York,1985,14：8.

［8］侯勇,王桂華.海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].吉林電力，2011，39（1）：8-10.

［9］申屠勛玉,孟友國(guó),趙丹青,等.海水淡化技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].水工業(yè)市場(chǎng)，2011，12：41-46.

［10］國(guó)家發(fā)展改革委《海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》(發(fā)改環(huán)資[2012]3867號(hào)).

［11］中國(guó)科學(xué)院信息咨詢中心,中國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)調(diào)研與分析報(bào)告,2011,11.

［12］國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見(jiàn) (國(guó)辦發(fā)[2012]13號(hào)).

［13］王琪，鄭根江，譚永文.中國(guó)海水淡化工程運(yùn)行狀況[J].水處理技術(shù),2011,37(10)：12-14.