海水淡化技術(shù)研究

華麗紅

摘 要： 隨著我國海水淡化技術(shù)的成熟，在國家政策扶植的背景下，我國海水淡化行業(yè)有望步入快速成長期。目前，海水淡化方法已出現(xiàn)了數(shù)十種之多，而適用于大型的海水淡化的方法只有多級閃蒸法、多效蒸餾法和反滲透法。

關(guān)鍵詞： 海水淡化；多級閃蒸法；反滲透法

世界上越來越多的人依賴淡化的海水作為飲用和生活用水來源，傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)的主要缺點之一是需要耗費大量能源，這在全球能源緊缺的形勢下，必將使海水淡化成本的增加。目前，全球海水淡化廠主要用于生產(chǎn)飲用水，解決全球數(shù)億人的供水問題，主要市場集中在中東、美國等地區(qū)。隨著我國海水淡化技術(shù)的成熟，在國家政策扶植的背景下，我國海水淡化行業(yè)有望步入快速成長期。

我國沿海地區(qū)人口稠密，經(jīng)濟發(fā)達，水資源需求大，供需矛盾尤為突出，有的城市人均水資源量占有量非常貧乏。沿海地區(qū)瀕臨海洋，海水資源豐富，因此走海水淡化之路，是解決缺水問題的重要途徑之一。

一、海水淡化技術(shù)概述

所謂海水淡化，其實是從海水中提取淡水的一項復雜而艱難的技術(shù)。反過來講，海水淡化過程也可以被看做是一個“海水濃縮”的過程。就拿目前比較流行的反滲透處理法為例吧，當海水從半滲透膜通過時，只有像水分子那樣小直徑的分子可以來去自如，而像鹽分子這樣的大個分子卻只能“吃閉門羹”，被乖乖擋在外面，由此而增加了海水的濃度?？茖W家們?yōu)榱吮ＷC淡化的質(zhì)量，防止小孔被過多的鹽分子堵住，濃縮的海水需要被及時帶走。這就導致海水淡化會產(chǎn)生副產(chǎn)品“淡化廢水”，這種廢水既高鹽度，又高堿度，并且其中富含重金屬，對水下生物會造成破壞性很大的影響；如果淡化廢水來自蒸餾淡化水廠，排出的廢水還會改變海洋的溫度，對海底生物產(chǎn)生巨大的影響。

目前，海水淡化方法已出現(xiàn)了數(shù)十種之多，但達到商業(yè)規(guī)模的主要有反滲透法（SWRO）和蒸餾法，也就是常說的“膜法”和“熱法”，其中蒸餾淡化技術(shù)又分成多級閃蒸（MSF）、多效蒸餾（MED）和壓汽蒸餾（VC），而適用于大型的海水淡化的方法只有多級閃蒸法、多效蒸餾法和反滲透法。

在熱電廠，海水被加熱生成水蒸汽，然后凝結(jié)成淡水，模仿自然界的水循環(huán)。還可利用在這種能量密集型的過程中電廠的生產(chǎn)的副產(chǎn)品熱能，這在中東等能源充足且價格低廉的地區(qū)尤其受歡迎。另一種主要形式是通過反滲透，用膜過濾水中鹽分和固體顆粒。反滲透膜使用較少的能源，但其制作更困難。

二、淡化水的特性

蒸餾法主要包括MSF和MED兩種方法，MSF和MED得到的淡水水質(zhì)基本一致，含鹽量低，TDS一般小于10mg/L，pH一般在5.0-6.7之間，Cl-，SO42-，F(xiàn)-，HCO3-等含量都非常低，產(chǎn)品水不含細菌和有害元素。反滲透法的脫鹽率一般可達99%以上，還能夠截留糖類，氨基酸，細菌，病毒等物質(zhì)，TDS高于反滲透法所得淡化水，一般為20-500mg/L，pH一般在6.0-7.0之間。

海水淡化工程無論采用蒸餾法還是反滲透法，所產(chǎn)淡化水均有一個共同的特征，那就是礦物質(zhì)含鹽量低，pH呈弱酸性。這樣的水質(zhì)特征顯然與傳統(tǒng)飲用水水質(zhì)有較大區(qū)別，同時也決定了淡化水的腐蝕性。

三、多級閃蒸工藝

多級閃蒸工藝（MSF）的原理是將海水在一系列壓力逐漸減低的閃蒸室內(nèi)進行閃蒸，閃蒸室的個數(shù)稱為級數(shù)，超大型的MSF淡化廠可達50級。

海水首先通過閃蒸室頂部的冷凝管束，在冷凝管束中被各級閃蒸室內(nèi)生成的逐漸升溫的蒸汽預熱，最后到達鹽水加熱器。鹽水加熱器的加熱蒸汽來自火力發(fā)電廠，海水在加熱器內(nèi)被加熱到最高溫度（90-115℃）后送入第一級閃蒸室。

閃蒸室內(nèi)的壓力低于海水所對應的飽和蒸汽壓，即海水被送入閃蒸室的溫度高于在閃蒸室內(nèi)壓力條件下的沸點溫度，因此海水迅速沸騰，一直到溫度降到沸點，一部分海水汽化，生成的蒸汽通過除霧器去除溶解的鹽類物質(zhì)，最后在頂部的進水冷凝管束表面冷凝后生成淡水被收集。沒有汽化的海水溫度降低，流入到下一個壓力較低的閃蒸室繼續(xù)閃蒸的過程，這樣重復蒸發(fā)和冷凝的過程持續(xù)生成淡化水。

MSF更傳統(tǒng)一些，技術(shù)成熟、可靠，運行安全、穩(wěn)定，其裝置具有大型化和超大型化的特點。由于多級閃蒸工藝將海水的加熱和蒸發(fā)分開進行，相對于早期的多效蒸餾工藝，MSF設(shè)備的結(jié)垢現(xiàn)象較輕且容易去除。

大型的MSF通常設(shè)計成濃水循環(huán)式系統(tǒng)，回收部分濃水作為系統(tǒng)補充進水，循環(huán)一定比例的濃水可以減少蒸汽和海水的需求量，同時還可以減少阻垢劑和消泡劑的使用量。MSF的級數(shù)和造水比受到多種因素的影響，通常，在其他因素均相同的情況下，垂直的冷凝管束MSF系統(tǒng)，造水比大約是級數(shù)的1/2到1/3，而平行的冷凝管束MSF系統(tǒng)，造水比大約是級數(shù)的1/4。

四、多效蒸餾工藝

按多效蒸餾的最高沸騰溫度，分為低溫多效蒸餾和高溫多效蒸餾。高溫多效蒸餾可安排更多的傳熱效數(shù)，以達到較高的造水比，因此其熱效率較高。但是，因頭幾效鹽水的蒸發(fā)溫度較高，傳熱管表面易結(jié)構(gòu)，腐蝕速度快，對設(shè)備的材料要求高，需頻繁清洗設(shè)備，對預處理要求也高。針對高溫多效蒸餾的缺點，發(fā)展了低溫多效蒸餾技術(shù)，其特點是鹽水的蒸發(fā)溫度不超過70℃，減緩了設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢問題，同時由于使用了廉價傳熱材料，使得同樣的投資規(guī)?？梢园才鸥嗟膫鳠崦娣e，即使在低溫操作段也可以達到較高的造水比。熱效率高，30余度的溫差即可安排12以上的傳熱效數(shù)，從而達到10左右的造水比；操作彈性大，負荷范圍從110%到40%皆可正常操作，不會使造水比下降；動力消耗少，動力消耗為0.9-1.2kWh/t水（不包括海水取水）；前處理比多級閃蒸和反滲透簡單，由于省去了加酸脫氣的過程，化學藥劑消耗遠低于多級閃蒸；系統(tǒng)的操作安全可靠，即便發(fā)生傳熱管泄露，僅僅降低一點產(chǎn)量而不會影響水質(zhì)。與多級閃蒸相比，可以利用溫度更低的蒸汽，有助于提高過程的熱效率。低溫操作時蒸汽比容較大，設(shè)備體積較大，從而使造價高；由于高溫高鹽度處理，對設(shè)備材料的耐腐蝕要求提高，即使達到10左右的造水比，生產(chǎn)一噸淡水仍需耗用約0.1噸蒸汽，生產(chǎn)成本仍較高。

多效蒸餾適用于結(jié)合火電廠或核電廠背壓透平低位熱源的大型海水淡化工程（電水聯(lián)產(chǎn)工程）；蒸汽透平低壓抽汽生產(chǎn)高質(zhì)水，為高中壓鍋爐供水；利用工廠余熱生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)淡水；原水濃度高于海水的淡化工程，與反滲透結(jié)合形成混合流程降低水價等。

五、反滲透工藝

反滲透是一種先進的脫鹽工藝，通常情況下可以脫除水中95%以上的鹽分（三年內(nèi)）。經(jīng)過反滲透膜，水中其它殘留的懸浮物、膠體、細菌、病毒基本去除，硬度可以在1mg/L（以CaCO3計）以下。

反滲透的核心部件是反滲透膜。目前主流的反滲透膜均為PA（聚酰胺）材質(zhì)，早期的醋酸纖維素材質(zhì)的反滲透膜已經(jīng)逐步退出市場。

反滲透技術(shù)具有工藝簡單、操作方便、易于自動控制、無污染、運行成本低等優(yōu)點。若與石英砂、活性炭吸附、脫氣、離子交換、UV殺菌等水處理工藝配合使用，則除鹽效果更佳。尤其是當原水含鹽量較高時反滲透膜處理對運行成本影響不大。反滲透技術(shù)有效彌補了水回收率低的弊端，并且對于有機物、膠體、微生物、懸浮物等有較好的脫除能力。因此，反滲透技術(shù)在海水淡化效率上明顯超過電滲析法。此外，反滲透技術(shù)中的膜和膜組件比較成熟，為其在海水淡化中的廣泛應用提供了可靠的技術(shù)支持。并且反滲透技術(shù)投資和能耗較少，容易實現(xiàn)自動控制，因此較其余膜分離技術(shù)和多級閃蒸技術(shù)更有優(yōu)勢。

六、結(jié)語

海水淡化技術(shù)的開發(fā)可以有效降低對地表水源的需求與依賴，同時新水源的開發(fā)和蒸汽資源重復利用以及水電聯(lián)產(chǎn)的復合型生產(chǎn)模式，可作為循環(huán)經(jīng)濟的典范，最大限度的保護生態(tài)環(huán)境。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，一方面水資源缺乏已成為制約我國沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，另一方面中國的海水淡化事業(yè)已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，在一大批科學技術(shù)人才和企業(yè)的辛勤努力下，中國的海水淡化必將得到跨越式發(fā)展?！?