海島地區(qū)海水淡化的開發(fā)和應用

劉錫文，趙河立，王生輝

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

根據(jù)1988 年～1995 年開展的“全國海島資源綜合調(diào)查”，我國沿海11 個省區(qū)市有近7 000 個500 m2以上及上萬個500 m2以下的島嶼和巖礁嶼。其中大部分島嶼由于地理位置、氣候環(huán)境而存在淡水資源匱乏的問題，如長山、廟島、舟山、澎湖、東沙、西沙、南沙群島，淡水稀缺達到難以承受的程度［1］。隨著海島經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，淡水需求量不斷加大，因此解決水資源問題成為當務之急。

解決海島水資源問題的方法主要為開發(fā)本地水資源、大陸引水、海水淡化三種類型。近年來因地制宜采取蓄水、聯(lián)網(wǎng)、開采地下水、節(jié)水、引水、海水淡化、再生水等多水源綜合配置措施，進一步提高供水能力和水資源開發(fā)利用效率，形成以本地水資源開發(fā)、大陸引水和海水淡化組成的三種方式綜合利用體系。目前國內(nèi)大中型海島多采用三種方式綜合供水，小型海島以開發(fā)本地水資源和海水淡化提供淡水。但我國海島大多面積較?。?］(面積為500 m2～5 km2海島約占我國海島總數(shù)的98%)，開發(fā)本地水資源的能力有限。另外，我國的海島大多遠離大陸、分散偏僻，不利于從大陸引水工程展開。相比之下，海水淡化可以分期分批投資、建設工期短、產(chǎn)水水質(zhì)好、建設規(guī)模靈活性大，因此海水淡化可用于解決海島水資源問題［3-6］。

1 我國海島海水淡化技術應用

早在20 世紀70 年代我國就開始了海島海水淡化技術研究，1970 年～1972 年間研制成功了日產(chǎn)淡水7 和14 m3兩種電滲析器，提供海島從海水制取飲用水。近年來，隨著海水淡化技術的發(fā)展和海島開發(fā)利用的迫切需要，海水淡化在浙江、福建、山東等省的海島地區(qū)已得到快速發(fā)展。

1.1 傳統(tǒng)海水淡化技術在海島的應用

1.1.1 傳統(tǒng)海水淡化技術的應用

目前，海水淡化方法以反滲透法和蒸餾法為主。反滲透海水淡化裝置只需外界提供電力，占用空間小，自動化程度高，裝置規(guī)模的靈活性大，目前已經(jīng)在海島上得到了廣泛應用。我國自1997 年開始在浙江舟山、遼寧長海、山東長島、海南西沙群島和福建臺山島等地建設了反滲透海水淡化裝置，裝置日產(chǎn)量從幾t 到幾萬t，極大地緩解了當?shù)厝彼疇顩r。對于遠離陸地且缺乏電力的小型海島，大多采用柴油機發(fā)電提供動力與反滲透裝置配套來提供淡水。

蒸餾法海水淡化裝置需要熱源和電力，操作簡單，所得淡水水質(zhì)好。海水蒸餾淡化裝置的熱源利用柴油發(fā)電機在運行過程中，以冷卻熱水的形式排放的余熱作為淡化的熱源(其成本可以不計)，提高了發(fā)電設備的能源利用率，降低了海水淡化成本。例如常州能源設備總廠利用柴油機缸套水廢熱，采用真空沸騰蒸餾法，制造了管式海水淡化裝置，裝置平均產(chǎn)水量分別為1、2.5 和5 m3/d，1976 年1 月此裝置被納入船舶行業(yè)標準［1］。我國在小型低溫蒸餾淡化裝置的研究工作中取得了一定的研究成果，但由于技術研制水平有限，還沒有得到大范圍的推廣和使用。

具體到實際應用可根據(jù)兩種方法的技術特點以及海島的自身條件、水資源和能源利用狀況等來綜合考慮海水淡化方法。對于大部分海島都采用中小規(guī)模海水淡化裝置，由表1 可知蒸餾法海水淡化的綜合成本較高，且投資費用也高。因此，反滲透法海水淡化占有更大的經(jīng)濟優(yōu)勢。另外，對于大中型海島，還可以采用水電聯(lián)產(chǎn)的方式建設海水淡化工程，利用電廠的低壓蒸汽、電力與蒸餾法或反滲透法海水淡化技術耦合［7］，從而實現(xiàn)能源高效利用，其綜合經(jīng)濟效益顯著。

表1 反滲透法和蒸餾法海水淡化經(jīng)濟分析表Tab.1 Economic Analysis of Reverse Osmosis and Distillation Seawater Desalination

1.1.2 5 m3/d 海島海水淡化裝置概況

天津海水淡化研究所針對某海島的環(huán)境氣候特點，2009 年研發(fā)了一套5 m3/d 海島海水淡化裝置，以緩解海島居民的淡水供給不足的問題。

5 m3/d 海島海水淡化裝置采用了反滲透法海水淡化工藝，由取水、預處理、海水加熱和反滲透四部分組成。海水由潛水泵取出，經(jīng)過多介質(zhì)過濾器去除原海水中的細小顆粒等雜質(zhì)后，再經(jīng)過換熱器與反滲透濃縮海水進行換熱，加熱后進入到原水箱中。冬季運行裝置時，利用原水箱內(nèi)部裝設的換熱管，將換熱管內(nèi)的循環(huán)液體經(jīng)太陽能加熱后的熱量傳遞給原水箱中的海水，再通過增壓泵輸送到三級保安過濾器，之后進入到高壓泵中。高壓泵將海水加壓后送入反滲透膜內(nèi)進行淡化分離，產(chǎn)出的淡水直接進入到淡水箱中，濃縮海水進入到高壓泵的能量回收裝置中回收能量，再經(jīng)過板式換熱器回收熱能后排放。裝置如圖1 所示。

圖1 5m3/d 海島海水淡化裝置工藝流程框圖Fig.1 Flow Chart of 5 m3/d Island Seawater Desalination Process

反滲透膜對進料海水的水溫要求不能低于5 ℃。依據(jù)海島水域水溫特點，采用軟件對不同溫度條件下(5、10、25 ℃)的運行狀況進行模擬，計算得出主要工藝參數(shù)如表2 所示?？紤]到冬季海島海域表層海水溫度最低為2.6 ℃，當水溫為5 ℃時裝置中高壓泵能耗明顯過高。長時間在5 ℃以下運行，對膜的性能和使用壽命有一定的影響，所以冬季使用太陽能加熱系統(tǒng)，將水溫提升到10 ℃，保證反滲透系統(tǒng)的正常運行。

表2 不同溫度下的主要工藝參數(shù)Tab.2 Main Parameter of System at Different Temperature

海島電力資源有限，因此回收濃海水的能量是一項非常有效的節(jié)能措施。考慮到淡化系統(tǒng)產(chǎn)水量較小和淡化裝置的結構盡量緊湊的要求，研究選用了符合海島淡化系統(tǒng)使用的SWPE 能量回收泵。與不采用能量回收的高壓泵相比，噸水耗電量降低了4.3 kW·h。

經(jīng)過連續(xù)72 h 的試運行試驗，對各項參數(shù)進行了監(jiān)測。結果顯示裝置運轉(zhuǎn)正常，產(chǎn)水指標達到了設計要求，證明該工藝流程是可靠的，各部分采取的工藝方案是合理的，控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

1.1.3 反滲透海水淡化工藝的選擇

根據(jù)海島居民生活用水和工業(yè)生產(chǎn)用水等總需求量的不同建立不同規(guī)模的海水淡化裝置。對于產(chǎn)水量為日產(chǎn)數(shù)千t 至數(shù)萬t 淡水的大中型海水淡化裝置，著重取水工藝、預處理工藝、反滲透系統(tǒng)進行優(yōu)化研究。在取水方面，按照泵房輸水構筑物的區(qū)別可有三種方式，包括岸邊式取水、深海泵房+引水管渠取水、潮汐式取水。目前多采用潮汐式取水方式，利用潮位差將水留在蓄水池中，利用蓄水池沉淀泥沙、澄清，并結合取水地點的實際情況，確定經(jīng)濟可行的取水方案，這是最經(jīng)濟適用的取水方式［8］。在預處理方面，主要是預處理工藝的選擇和比較及預處理設備的開發(fā)。目前常用的預處理工藝有多介質(zhì)過濾+活性炭過濾+超濾、多介質(zhì)過濾+細砂過濾+超濾、自清洗過濾+超濾等。反滲透系統(tǒng)主要包括膜組件的選擇、高壓泵和能量回收裝置的設計、反滲透膜清洗系統(tǒng)的研究［9］。

產(chǎn)水量最高為日產(chǎn)數(shù)百t 淡水的小型裝置，一般用于遠離陸地的小島。由于海水水質(zhì)穩(wěn)定，污染小，因此可采用高效簡便的海水取水技術。預處理工藝也較簡單，大多采用多介質(zhì)過濾+砂濾、砂濾+濾芯式過濾等。反滲透系統(tǒng)中采用低成本高壓給水系統(tǒng)，如小型帶能量回收的高壓泵，以降低系統(tǒng)能耗。海水淡化本體實現(xiàn)模塊化設計，形成節(jié)能型海島一體化制水裝置［10］，該裝置具有設備緊湊、自動化程度高、維護使用方便的特點。

1.2 可再生能源海水淡化技術在海島中的應用

1.2.1 可再生能源海水淡化技術的應用

目前，大多數(shù)海島采用海底電纜和柴油發(fā)電來提供電力。然而小型海島只靠柴油發(fā)電提供的能源有限，很難保證海水淡化用電，而影響海水淡化成本的主要因素就是電耗。我國對石油、煤等傳統(tǒng)能源的長期依賴導致了嚴重的大氣污染和生態(tài)環(huán)境破壞，因此島嶼的長期發(fā)展需要考慮減少對傳統(tǒng)能源的利用。我國海島廣泛分布于東南沿海，所處位置太陽輻射強度大，風能資源條件好，并伴隨有取之不盡、用之不竭的海洋能資源。因此，開發(fā)利用風能、太陽能、海洋能等可再生能源與海水淡化耦合技術，是降低海水淡化成本和建設海島水資源保障體系的重要途徑［11］。

風能海水淡化可分為風電海水淡化(分離式)和風力直接驅(qū)動海水淡化(耦合式)。分離式是利用風能發(fā)電產(chǎn)生的電能來驅(qū)動海水淡化裝置;耦合式是直接將風力的機械能用于海水淡化［12，13］。目前，大多采用間接風能海水淡化方式，但此方式存在隨風速時常變化，能量供應不穩(wěn)定，具有間歇性和波動性的問題，需要采取相應的技術來解決［14］。1992年3 月由國家海洋局海洋技術研究所在山東長島縣小黑山島研建的風力發(fā)電-電滲析淡化苦咸水實驗站投入使用，不但解決了當?shù)鼐用耧嬎畣栴}，還為發(fā)展新能源海水淡化提供了示范［15］。

太陽能海水淡化按照能量的利用方式，可分為太陽能光熱海水淡化和太陽能光電海水淡化。前者是利用太陽能產(chǎn)生熱能來驅(qū)動海水相變過程，即太陽能蒸餾法海水淡化，此方法在技術上已經(jīng)比較成熟，目前占主導地位;后者是利用太陽能發(fā)電以驅(qū)動滲析過程，即太陽能反滲透法海水淡化，此方法因太陽能電池制作成本偏高，可維護性差，目前只能作為其他可再生能源的補充［16］。20 世紀70 年代，我國在海南蜈歧洲島和西沙中建島分別建成蒸發(fā)面積為385 m2、日產(chǎn)淡水為1 m3和蒸發(fā)面積為50 m2、日產(chǎn)淡水為0.2 m3的太陽能蒸餾器各一座［17］。

海洋能是海水運動過程中產(chǎn)生的可再生能，主要包括溫差能、潮汐能、波浪能、潮流能、海流能和鹽差能等［18］。較穩(wěn)定的能源為溫度差能、鹽度差能和海流能。不穩(wěn)定能源有潮汐能、潮流能和波浪能。“十五”期間中科院廣州能源研究所研制了10 m3/d波浪能海水淡化試驗裝置，該系統(tǒng)通過錨鏈驅(qū)動液壓泵，將液壓能經(jīng)蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)輸出到液壓馬達，然后驅(qū)動預處理部分的低壓泵和反滲透系統(tǒng)部分的高壓泵而生產(chǎn)淡水［19］。

可再生能源海水淡化技術具有很好的應用前景，但是風能、太陽能、波浪能等的不穩(wěn)定性影響了海水淡化系統(tǒng)的運行，成為制約可再生能源海水淡化技術大規(guī)模推廣應用的瓶頸。

1.2.2 可再生能源不穩(wěn)定性的研究

近年來，針對可再生能源不穩(wěn)定性問題，國內(nèi)外進行了很多研究，歸納起來主要有以下三方面。

(1)儲能技術

為了避免風電、太陽能光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性對反滲透系統(tǒng)的影響，通常設置有儲能系統(tǒng)。常規(guī)的儲能方法有蓄電池儲能、抽水蓄能、柴油發(fā)電互補、飛輪儲能和電解制氫儲能等。2010 年在舟山市岱山縣大魚山島建成一套5 m3/d 太陽能光伏反滲透海水淡化示范工程［20］，該工程的供電系統(tǒng)設置了蓄電池和柴油發(fā)電機以備電能的不穩(wěn)定。大魚山島是一個遠離岱山本島的小海島，缺水季節(jié)靠運輸，噸水總成本達30 元左右。如利用柴油發(fā)電機供電進行海水淡化，噸水制水成本約16.5 元/m3，如采用光伏太陽能供電噸水成本約13.0 元/m3。

(2)供電形式

由于太陽能和風能在時間分布上具有很強的互補性，風光互補發(fā)電系統(tǒng)在很大程度上彌補了風電和太陽能光伏發(fā)電獨立應用在資源上的各自缺陷，且在技術應用中可以通過儲能環(huán)節(jié)使獨立的風電、光電系統(tǒng)得到合理化整合，構成能充分利用資源條件的獨立供電系統(tǒng)。何小龍等［21］自行研制了產(chǎn)水量為25 L/h的風光互補反滲透海水淡化裝置，運行結果表明技術成熟穩(wěn)定可靠，噸水能耗4.8 kWh/m3。

(3)與變負荷相適應的反滲透海水淡化技術

王春等［22］為適應風電、太陽能等新能源的不穩(wěn)定性，設計了可變負荷的反滲透海水淡化裝置，在維持膜殼內(nèi)壓力穩(wěn)定的工況下，低功率運行時可以增加系統(tǒng)回收率，降低單位產(chǎn)水能耗，可以降低運行成本。

2 海島海水淡化的發(fā)展趨勢

(1)傳統(tǒng)海水淡化技術的海島適用性將逐漸增強

經(jīng)過多年的發(fā)展，以反滲透和蒸餾為主的傳統(tǒng)海水淡化技術已接近成熟，但是不同的技術都具有各自的特點，對于不同的、復雜多變的海島環(huán)境的適用性也有顯著差別。隨著對傳統(tǒng)海水淡化海島適用技術的深入研究，其在海島上的適用性將逐漸增強，成為解決海島淡水資源缺乏的主要途徑之一。

(2)可再生能源在海水淡化領域的應用將更為廣泛

利用可再生能源進行海水淡化已經(jīng)越來越多地應用在我國缺水缺電的海島，但規(guī)模還比較小。隨著傳統(tǒng)能源使用成本的持續(xù)上升和可再生能源利用技術的快速發(fā)展，可再生能源在海水淡化領域的應用將更為深入和廣泛。

(3)新型海水淡化方法的研究和應用將成為熱點

正滲透、膜蒸餾、迅速噴霧蒸發(fā)技術、納米結晶技術、超聲波技術和分子篩膜蒸餾技術等新型海水淡化方法的出現(xiàn)，為海島海水淡化的發(fā)展開辟了新的途徑，它們在不同類型海島上的應用將成為世界范圍內(nèi)的研究熱點。

3 存在的問題和建議

(1)海水淡化工藝的選擇

海島大多遠離大陸、分散偏僻、大小不一、人口數(shù)量不等、自然條件各異，經(jīng)濟社會發(fā)展水平不同，對水資源的需求也有區(qū)別。因此，海水淡化工藝的選擇要因地制宜、優(yōu)先比選，確定最佳工藝方案。

(2)小型海水淡化設備的國產(chǎn)化

小型海島海水淡化裝置規(guī)模較小，相匹配的設備較少(如能量回收裝置)。因此，研發(fā)低成本國產(chǎn)小型高壓泵、能量回收裝置、反滲透膜元件等關鍵設備，可降低小型淡化裝置的成本。

(3)可再生能源的穩(wěn)定性

可再生能源的開發(fā)利用是解決海島海水淡化能源問題的重要途徑，但是海島可再生能源分布不均勻，能源的穩(wěn)定性較差。因此，應加強多種能源互補系統(tǒng)的研究、低成本儲能裝置的研發(fā)和變負荷海水淡化裝置的研制，以保證海水淡化裝置的正常運行。

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