甘肅省苦咸水淡化利用現(xiàn)狀及淡化技術(shù)初探

柯浩成，牛最榮，，王啟優(yōu)

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，甘肅 蘭州730070;2.甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州730000)

水資源作為戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源和基礎(chǔ)性的自然資源，是生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵控制要素，是生命賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。甘肅省地處我國西北內(nèi)陸，水資源量嚴重短缺，供需矛盾日益突出，大部分地區(qū)降水較少，降水時空分布嚴重失衡，地表徑流少，地下水日益匱乏，水資源儲量嚴重不足，同時受到國家黃河流域和黑河干流分水限制以及水資源開發(fā)條件的制約，水資源短缺將成為制約我省經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵因素?！陡拭C省最嚴格的水資源管理制度考核辦法》明確提出:“利用再生水、礦井排水、苦咸水和集蓄雨水等非常規(guī)水資源不受用水總量控制指標限制”因此，合理開發(fā)利用苦咸水非常規(guī)水資源，已經(jīng)成為解決甘肅省水資源短缺的必要途徑之一。

1 概況

甘肅省地處我國西北內(nèi)陸，位于青藏、蒙新、黃土三大高原的交匯處，土地面積42.58萬km2，分數(shù)黃河、內(nèi)陸河、長江三大流域。且大部分地區(qū)常年干旱少雨，多年平均降水量僅276.9 mm，而多年平均蒸發(fā)量達1 306.1 mm，蒸發(fā)量分布與降水分布成相反趨勢。

全省多年平均地表水資源量289.4億 m3，是我國水資源嚴重短缺的省份之一，地下水資源量124.56億 m3，與地表水不重復(fù)的地下水資源量7.30億m3。地表水資源量僅占全國地表水資源量的1%，人均約1150 m3，僅為全國人均占有量的二分之一，居全國第22位，接近國際人均500～1 000 m3重度缺水界限，甘肅省大部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了人需飲水困難的水資源危機。

甘肅省苦咸水包括河流地表水苦咸水和淺層地下水苦咸水兩部分。共有苦咸水河流23條，地表水苦咸水主要集中在黃河流域。據(jù)調(diào)查評價，黃河流域地表水苦咸水量約為7.89億m3。河西內(nèi)陸河流域局部區(qū)域由于特殊的水文地質(zhì)條件，礦化度較高，也分布有少量的苦咸水，據(jù)初步估算，內(nèi)流河流域地表水苦咸水量約為1.97億 m3，全省地表水苦咸水量約為9.87億 m3。

地下水礦化度分布與河流地表水區(qū)域基本對應(yīng)，甘肅省地下咸水分布區(qū)域面積9.68萬 km2(含與地表水重疊部分)，占全省計算面積的22.7%;微咸水分布面積10.7萬km2，占全省計算面積的25.2%。

2 苦咸水淡化利用現(xiàn)狀及開發(fā)潛力

苦咸水是由于水體礦化度高而無法直接利用或利用價值較低的劣質(zhì)水資源［1］由于苦咸水資源數(shù)量較大，開發(fā)利用程度較低。因此，合理開發(fā)利用苦咸水水資源，成為緩解用水矛盾的有效途徑之一。

2.1 苦咸水淡化利用現(xiàn)狀

近年來，通過采用反滲透法、電滲析法、納濾膜技術(shù)［2～3］在重點缺水區(qū)域?qū)嵤┝丝嘞趟?、雨水集流飲水等非常?guī)水資源開發(fā)工程，處理后水質(zhì)溶解性總固體為800－1 200 mm/L，總硬度323，硫酸鹽10～30 mm/L，基本符合國家三級飲用水標準。為解決人畜飲水安全，緩解水資源供需矛盾起到了很好的促進作用。

1)環(huán)縣苦咸水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展試點情況。2013年，國家發(fā)展改革委將我省環(huán)縣列入國家首批苦咸水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展試點縣以來，省、市、縣各級高度重視，推進完成相關(guān)工作。

2)瓜州、肅北、阿克塞三縣苦咸水淡化試點項目建設(shè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，我省先后在11處進行苦咸水淡化試點工作，項目基本建設(shè)完成，建成年份在1994－2013年，日處理規(guī)模9.27萬 m3，年處理規(guī)模 3 381.87 萬 m3，供水貢獻率在33.0% ～59.9%，每立方米水投資約42.5元。

2.2 苦咸水開發(fā)潛力

根據(jù)2012年《甘肅省水資源綜合規(guī)劃》，明確指出，水資源配置中要優(yōu)先考慮生活、工業(yè)用水;兼顧農(nóng)業(yè)用水;保障生態(tài)用水的基本原則。在水量配置中，要以緩解區(qū)域缺水程度為目標，充分考慮中水回用及其他水源利用。

《甘肅省水資源綜合規(guī)劃》配置情況中，2020年、2030年配置水量分別為121.94億 m3、126.34億 m3，缺水量分別為11.0億 m3和13.8億 m3。實際上，國家下達2020年、2030年用水總量控制指標［5］只有 114.15億 m3和 125.63億 m3，而近年來用水總量基本保持在122億 m3，也就是說，2020年國家下達的用水控制指標比現(xiàn)狀實際用水還要少8.0億 m3，用水指標不足仍然是制約經(jīng)濟社會發(fā)展的關(guān)鍵因素。由于苦咸水河流所占比重較大，苦咸水資源數(shù)量巨大，通過合理開發(fā)利用苦咸水非常規(guī)水資源，將成為解決水資源嚴重短缺的一種有效途徑，特別是馬蓮河流域、祖厲河流域等嚴重缺水區(qū)域尤為重要。如表1。

表1 甘肅省苦咸水河及苦咸水量統(tǒng)計表

3 自然冷凍淡化技術(shù)方法研究

祖厲河、馬蓮河是甘肅最大的兩條苦咸水河流，流域內(nèi)淡水資源十分緊缺，造成當?shù)厝嗣裆睢⑸a(chǎn)用水十分困難。長期以來，由于現(xiàn)有的苦咸水淡化技術(shù)受投資大、成本高、能耗大、出水量有限等因素的制約，難以得到廣泛的推廣和應(yīng)用。取祖厲河、馬蓮河兩條最大苦咸水河流為研究對象，采用自然冷凍提純法，該方法可以充分利用自然能，并附以一些工程設(shè)施和較為簡單的設(shè)備(可以就地取材，不用依靠進口)，進行大量地咸水淡化處理，大大較少了苦咸水處理成本，為大量開發(fā)利用苦咸水提供了可能。解決了人們的生活、生產(chǎn)用水需求，水處理工藝符合節(jié)能環(huán)保的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1給出了苦咸水自然冷凍淡化工藝流程的主要環(huán)節(jié)和思路:首先在選定的位置修建蓄水、沉淀、一級冷凍綜合池，然后在河流適當位置選取取水口，通過渠道把原水輸入蓄水池中，當一級冷凍池中的水結(jié)冰后，打開底漏閥門，排出結(jié)冰后的余水，然后用機械動力工具把冰塊破碎，轉(zhuǎn)入太陽能溫室中進行溶化，對溶化后的水質(zhì)進行檢驗，如果已達到生活飲用水標準，則可以直接從池中取水使用，若還未達到使用標準，可將水引入二次冷凍池中進行二次冷凍提純。

圖1 自然冷凍法苦咸水淡化工藝流程

若還達不到要求，再進行第三次冷凍提純。但就甘肅實際情況而言，即使礦化度最高的河流，一般經(jīng)過兩次冷凍提純就可達到生活飲用水標準。

整個冷凍淡化處理過程所需能源，基本采用自然能:如輸水方面，可以在修建冷凍池、太陽能溶冰池時，充分考慮其與河流之間的落差關(guān)系，這樣就可以采用自流方式連通輸水;冷凍采用露天自然方式進行;溶冰可修建太陽能溫室。夏季可以通過能源的轉(zhuǎn)換，把太陽能轉(zhuǎn)換為冷凍能，然后進行冷凍淡化處理。

自然冷凍淡化法可根據(jù)實際情況采取分戶小規(guī)模處理，地窖儲存，作為家庭生活、生產(chǎn)飲用水源。也可修建大型冷凍淡化處理和儲水設(shè)施，與當?shù)刈詠硭艿肋B接，作為補充水源，與雨水集流、其它淡化方法結(jié)合調(diào)劑利用，解決苦咸水地區(qū)人民生活、生產(chǎn)用水問題。

4 結(jié)語

從實驗結(jié)果來看，自然冷凍法對甘肅祖厲河、渭河等流域的苦咸水的淡化效果是非常明顯的，對總鹽量(無機鹽)的平均削減率達到50%以上，對其中主要離子的削減率也基本在40%以上。按照此削減率計算對礦化度小于4.0g/L的苦咸水來說，通過一次冷凍即可使礦化度降到2.0g/L以下，基本能滿足一般生活飲用水的標準;對礦化度在4.0g/L以上的苦咸水，經(jīng)過2－3次冷凍提純就可以滿足生活飲用水的要求和標準。

總體來看采用自然冷凍法進行苦咸水的淡化處理，具有技術(shù)方法簡單，工藝設(shè)備要求不高，成本低和環(huán)保的巨大優(yōu)勢，在整個流程中除碎冰和冰塊轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)以外，其它環(huán)節(jié)都可以充分利用自然能，達到節(jié)能的目的。為將來甘肅省進行大規(guī)模的苦咸水淡化處理提供了廣闊的應(yīng)用前景。值得一提的是:該方法不產(chǎn)生任何新的污染，對提純后的高含鹽余水，可在一次循環(huán)過程結(jié)束后用河水沖洗排除，然后再進行下一次過程。

［1］王旭虎，徐先英，柴成武，等.民勤綠洲苦咸水空間分布及成因分析［J］.干旱區(qū)研究.2014，(2).

［2］韓亮亮，王培婷.苦咸水淡化技術(shù)及其發(fā)展淺探［J］.建材發(fā)展導向(下).2014，12(7):390.

［3］趙玲，李繼峰，苗東華，等.淺談國內(nèi)外城市飲用水處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析［J］.商情.2013，(31):182.

［4］甘肅省水文水資源局.甘肅省地級行政區(qū)用水總量控制指標研究.蘭州:甘肅人民出版社.2012.09.

［5］GB 5749－2006.生活飲用水衛(wèi)生標準［S］.