海水淡化技術(shù)的發(fā)展與應用

文 // 吳鳴 南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司

20世紀初，國際上就有“19世紀爭煤、20世紀爭石油、21世紀爭水”的說法，根據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，20世紀初以來全球淡水消耗量增加了約6～7倍，比人口增長速度高2倍，估計到2025年，全世界將有近1/3的人口（23億）缺水。

中國被聯(lián)合國認定為世界上13個最缺水的國家之一。按淡水資源總量我國名列世界第六，但人均占有量僅為世界平均值的 1/4，位居世界第109位，而且水資源分布很不均衡。目前我國有300個城市缺水，其中110個城市嚴重缺水，主要分布在華北、東北、西北和沿海地區(qū)，水已經(jīng)成為制約這些地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。

水資源的日益匱乏使海水淡化技術(shù)越來越受到關(guān)注，作為常規(guī)水資源的重要補充，積極發(fā)展海水淡化技術(shù)，對緩解全球及我國沿海和中西部地區(qū)缺水狀況具有重要意義。

1 海水淡化技術(shù)發(fā)展狀況

截止2013年，世界上已有120多個國家在運用海水淡化技術(shù)，全球有海水淡化廠1.6萬多座，海水淡化日產(chǎn)量近8000萬立方米，其中80%用于飲用水，解決了世界上大約3%亦即2億多人口的供水問題。

世界上海水淡化最多的地方是中東地區(qū)，那里淡水資源缺乏，水比油貴。因為能源供應充足，那里的海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展很迅速。中東地區(qū)的富油國淡水供應80%都是來自海水淡化。沙特阿拉伯、阿拉伯聯(lián)合酋長國、以色列、地中海中部的馬耳他，都建有規(guī)模巨大的海水淡化廠。

以色列擁有世界最大規(guī)模的海水淡化設施，有31個海水淡化廠，其中最著名的海水淡化企業(yè)IDE技術(shù)有限公司，是世界上唯一一家能同時提供熱法和膜法兩種海水淡化工藝技術(shù)及設備的供應商。IDE公司在世界各地的海水和苦咸水淡化項目有370多個。

近年來，我國海水淡化有了較快的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢良好，在海水淡化關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破。海水淡化設備國產(chǎn)化率穩(wěn)步提升，低溫多效法設備國產(chǎn)化率達到90%以上，反滲透法設備國產(chǎn)化率達到60%以上。從我國現(xiàn)已建成的項目看，反滲透法占據(jù)了約2/3市場，但從近幾年開工項目看，低溫多效法和反滲透法基本平分秋色。

我國海水淡化工程已進入大型化階段，但我國已建成的海水淡化裝機容量占比只有全球的1%左右，而同期沙特占22%、美國占13%、歐洲占15%，表明我國海水淡化發(fā)展空間廣闊。

2 海水淡化技術(shù)的能耗與成本分析

目前世界上百余家科研機構(gòu)在進行著海水淡化的研究，淡化水的成本不斷降低，有些國家已經(jīng)降低到和自來水的價格差不多。

目前我國已基本具備了海水淡化設備加工制造能力，設備制造成本比國外至少低30%左右，具有很強的價格競爭優(yōu)勢。

目前常用的海水淡化取水方式主要有取地下水、遠程調(diào)水和海水（苦咸水）三種。表1～表3為三種水淡化方案設備投資、環(huán)評、造水成本（以10000噸/天海水淡化工程為例）。

表1 設備投資

表2 獲取方式的成本及環(huán)評比較

表3 獲取方式的成本及環(huán)評比較

3 海水淡化技術(shù)的發(fā)展與比較

海水淡化主要分為蒸餾法（熱法）和反滲透（膜法）兩大類，具體海水淡化技術(shù)超過20余種，包括多級閃蒸、低溫多效、反滲透、電滲析、壓汽蒸餾、露點蒸發(fā)、水電聯(lián)產(chǎn)、熱膜聯(lián)產(chǎn)以及利用核能、太陽能、風能、潮汐能海水淡化技術(shù)等等。

經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，形成了以多級閃蒸、多效蒸餾和反滲透為主流的工業(yè)技術(shù)。從地區(qū)上來講，中東海灣國家仍將以多級閃蒸為首選，因為它具有大型化和超大型化（單臺設備產(chǎn)水量目前已高達日產(chǎn)淡水4萬～5萬噸）、適應污染重的海灣水以及預處理費用低的優(yōu)勢；然而在中東以外地區(qū)將以能耗和成本低的反滲透法為首選。

多級閃蒸法具有技術(shù)成熟、運行可靠、單機產(chǎn)水量大等優(yōu)點，但能耗偏高；低溫多效蒸餾法具有節(jié)能、海水預處理要求低、淡化水品質(zhì)高等優(yōu)點；反滲透法具有投資低、能耗低等優(yōu)點，但海水預處理要求高。

(1)多級閃蒸(MSF)

所謂閃蒸是將原料水引入到一個壓力較低的空間內(nèi)，原料水因降壓過熱而急速地部分汽化，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽經(jīng)冷凝而變成淡水。

多級閃蒸海水淡化技術(shù)，是利用閃蒸原理將經(jīng)過加熱的海水，依次在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中進行蒸發(fā)冷凝而得到淡水，是本世紀60年代初在多效蒸餾的基礎上發(fā)展而來的，是目前主流的海水淡化技術(shù)之一，主要在海灣國家應用。相比多效蒸餾法，多級閃蒸減少了水垢的形成。

多級閃蒸法技術(shù)成熟，運行安全、結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)垢減輕、負荷范圍寬、投資成本較低。多級閃蒸法得到的淡水價格相對反滲透法低，單臺產(chǎn)水量最大，特別適合于電廠大型海水淡化項目，但是需要較大的傳熱面積，海水循環(huán)和流體輸送電耗大，運行成本較高。

(2)低溫多效蒸餾(MED)

低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)，是指鹽水的最高蒸發(fā)溫度不超過70℃的海水淡化技術(shù)，其特征是將一系列的蒸發(fā)器串聯(lián)起來分成若干效組，后面一效的蒸發(fā)溫度、壓力均低于前面一效，將一定量的蒸汽輸入，通過多次階梯狀的蒸發(fā)和冷凝，從而得到多倍于加熱蒸汽量的蒸餾水的海水淡化技術(shù)。在多級閃蒸誕生以前低溫多效蒸餾一直是海水淡化市場的主流。

低溫多效蒸餾法解決了結(jié)垢和腐蝕等問題，產(chǎn)品水純度很高，含鹽量小于20ppm，近年發(fā)展迅速，裝置規(guī)模日益擴大，成本日益降低，所占的市場份額不斷擴大。與多級閃蒸相比，低溫多效蒸餾法具有：傳熱系數(shù)高、熱效率高、水質(zhì)要求低、操作彈性大等優(yōu)點；相對于反滲透法，需要消耗一定量的蒸汽，設備的結(jié)構(gòu)較復雜。主要發(fā)展趨勢為提高單機造水能力，降低造價，提高操作溫度，提高傳熱效率等。

低溫多效蒸餾法具有產(chǎn)水水質(zhì)好和可利用工廠余熱或低品位熱源的優(yōu)點，主要應用于需提供鍋爐補給水和工藝純水，且有低品位蒸汽或余熱(余熱溫度50℃以上即可)的電力、石化、鋼鐵等企業(yè)。

(3)反滲透法（RO）

反滲透法是20世紀60年代后期發(fā)展起來的一項膜法海水淡化技術(shù)，其最大的優(yōu)點是節(jié)能，其能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。80年代初，多級閃蒸在海水淡化技術(shù)中居首位。80年代后期，反滲透海水淡化技術(shù)開始占據(jù)主導地位，90年代以來，出現(xiàn)了反滲透和多級閃蒸兩種技術(shù)交替占據(jù)主導地位的現(xiàn)象。

在通常情況下，淡水通過半透膜擴散到海水一側(cè)，從而使海水一側(cè)的液面逐漸升高，直至一定的高度才停止，這個過程稱為滲透，此時，海水一側(cè)高出的水柱靜壓稱為滲透壓。反滲透法，就是在海水（原水）一側(cè)，施以比滲透壓更大的壓力，把原水中的水分子壓到膜的另一邊，變成潔凈的水，從而達到除鹽的目的，這就是反滲透法的原理。

反滲透法使用的薄膜叫“半透膜”，只允許溶劑透過、不允許溶質(zhì)透過。通常又稱超過濾法。因其具有適用面廣、脫鹽率高、占地少、投資小、建造周期短、操作簡單、能耗較低和啟動運行快等特點，是海水淡化技術(shù)中發(fā)展最快的。除海灣國家外，美、亞、歐洲，大中生產(chǎn)規(guī)模的裝置都以反滲透法為首選。反滲透法淡化后的水質(zhì)甚至優(yōu)于自來水，可供工業(yè)、商業(yè)、居民及船舶、艦艇使用。

21世紀以前，反滲透法海水淡化三大核心技術(shù)：反滲透膜、高壓泵、能量回收裝置等，基本被發(fā)達國家所壟斷，而一套海水淡化工程，僅反滲透膜裝置就要占到工程總投資的40%左右。

反滲透海水淡化技術(shù)發(fā)展很快，主要發(fā)展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力，提高反滲透系統(tǒng)回收率，廉價高效預處理技術(shù)，增強系統(tǒng)抗污染能力，降低工程造價和運行成本等。

(4)電滲析法 (ED)

滲析屬于一種自然物理現(xiàn)象。如將兩種不同含鹽濃度的水，用一張滲透膜隔開，含鹽濃度大的一側(cè)水的電解質(zhì)離子就會穿過膜向含鹽濃度小的一側(cè)水中擴散，這種現(xiàn)象就是滲析，亦稱為濃差滲析。如果在膜的兩邊施加一直流電場，電解質(zhì)離子在電場的作用下，會迅速地通過膜進行遷移，就可加快滲析速度。這樣，就形成了淡水室和濃水室，將濃水排放，淡水即為除鹽水。這就是電滲析法除鹽原理。該法的技術(shù)關(guān)鍵是新型離子交換膜的研制。

電滲析法不僅可以淡化海水，也可以作為水質(zhì)處理、污水回用的手段，這種方法越來越多地應用于化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的濃縮、分離與提純。電滲析法適用于含鹽量小于20克/升的苦咸水的淡化，由于其耗能很大，只能除去水中的鹽分，不能除去水中有機物，某些高價離子和有機物還會污染膜，運行過程中易發(fā)生濃度極差化而結(jié)垢，大型海水淡化裝置基本上不采用電滲析法。

(5)水電聯(lián)產(chǎn)和熱膜聯(lián)產(chǎn)

水電聯(lián)產(chǎn)主要是指海水淡化水和電力聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供。水電聯(lián)產(chǎn)可以利用電廠的蒸汽和電力為海水淡化裝置提供動力，從而實現(xiàn)能源高效利用、降低海水淡化成本。國外大部分海水淡化廠都是和發(fā)電廠建在一起的，這是當前大型海水淡化工程的主要建設模式。

熱膜聯(lián)產(chǎn)主要是采用熱法和膜法海水淡化相聯(lián)合的方式（即MED-RO或MSF-RO方式），滿足不同用水需求，降低海水淡化成本。其優(yōu)點是：投資成本低，可共用海水取水口；RO和MED/MSF裝置淡化產(chǎn)品水可按一定比例混合以滿足不同需求。

4 太陽能海水淡化技術(shù)的發(fā)展與展望

人類早期利用太陽能進行海水淡化，主要是利用太陽能進行蒸餾，早期的太陽能海水淡化裝置一般都稱為太陽能蒸餾器，如盤式太陽能蒸餾器，它有近150年的應用歷史。

一種簡單的太陽能蒸餾器，該蒸餾器由一個水槽組成，水槽內(nèi)有一個黑色多孔的氈芯浮洞，槽頂上蓋有一塊透明、邊緣封閉的玻璃覆蓋層。太陽光穿過透明的覆蓋層投射到黑色絕熱的槽底，熱能被水吸收。因此，塑料芯中的水面溫度總是高于透明覆蓋層底的溫度，水從氈芯蒸發(fā)，蒸汽擴散到覆蓋層上冷卻為液體，排入不透明的蒸餾槽中。

與傳統(tǒng)動力源和熱源相比，太陽能具有安全、環(huán)保、運行費用低等優(yōu)點。由于它結(jié)構(gòu)簡單，至今仍被廣泛采用。將太陽能與海水脫鹽工藝相結(jié)合是一種可持續(xù)發(fā)展的海水淡化技術(shù)。

光伏太陽能系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能充放電控制器、直流/交流逆變器、蓄電池（組）及配電系統(tǒng)組成，其發(fā)電總功率5.4千瓦；反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水流量0.8～1.2立方米/天，主要由海水取水裝置、水力循環(huán)澄清池、多介質(zhì)過濾器、保安過濾器、反滲透膜處理系統(tǒng)、能量回收裝置、多級離心泵以及加藥裝置等組成。

太陽能光熱技術(shù)在歐美已經(jīng)廣泛應用于建設集中式光熱電站，為當?shù)靥峁╇娏?，而當前國?nèi)外太陽能光熱技術(shù)在海水淡化領域的應用還是一片空白。

已經(jīng)商業(yè)化應用的太陽能聚光器主要有：槽式聚光器、塔式聚光器、碟式聚光器和菲涅爾聚光器等幾種，其中槽式聚光器、塔式聚光器，已經(jīng)廣泛應用于大型光熱電站，而碟式聚光器和菲涅爾聚光器則主要應用于分布式光熱發(fā)電或供熱系統(tǒng)。

在沒有余熱或低位熱源的地方，如果采用低溫多效蒸餾法制水，可以考慮利用槽式聚光器和菲涅爾聚光器收集太陽能，加熱熱媒產(chǎn)生蒸汽，加熱蒸餾海水而制取淡水。

在海邊利用太陽能光熱，要考慮海洋氣候特點，需在聚光器周邊建設防風墻，以防止臺風損壞聚光器。同樣，在西北部利用太陽能將苦咸水進行淡化，也需考慮防止風沙侵害，可設置玻璃房將聚光器封閉起來，可以保護聚光器免遭風沙、冰雹危害，無需清洗，延長使用壽命。

如果采用太陽能光熱為低溫多效蒸餾裝置提供熱源蒸汽，低溫多效蒸餾裝置的造水比為1：10，每消耗100公斤蒸汽生產(chǎn)1噸淡水，生產(chǎn)1噸淡水的電力消耗為2.0千瓦時。在陽光平均輻射強度600瓦/平方米的三類地區(qū)如我國南方沿海地區(qū)，采用太陽能光熱與低溫多效蒸餾法結(jié)合進行海水淡化，每天產(chǎn)100公斤蒸汽需要的光熱聚光鏡面積大約為20平方米，也即每天1噸淡水需要20平米聚光鏡提供蒸汽。如建設10000噸/天的淡化水項目，需要20萬平方米的光熱聚光鏡。光熱系統(tǒng)造價大約為2億元，低溫多效蒸餾裝置造價大約需要1億元，則整個光熱--低溫多效蒸餾系統(tǒng)造價合計約3億元。

5 結(jié)語

作為常規(guī)水資源的重要補充，積極開發(fā)利用海水、苦咸水等非常規(guī)水源發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)，這對緩解我國沿海和中西部地區(qū)缺水狀況，促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前國外知名的海水淡化及設備制造商，包括以色列IDE、法國威力雅、新加坡凱發(fā)、德國西門子、意大利費賽亞、美國陶氏、美國海德能、比利時哈蒙等，均已進入了中國市場。因此，我們必須充分認識海水淡化的重要性和緊迫性，抓住機遇，搶占市場，大力推動我國海水淡化產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，為中華民族的偉大復興作出應有的貢獻。