濃海水淡化技術(shù)及集成探討

馮天水

(天津渤化工程有限公司,天津300193)

1 濃海水危害

傳統(tǒng)的濃海水處理方式主要有排海、蒸發(fā)池排放、地表水排放、深井排放等[1]。國際上海水淡化廠濃海水的排放主要是直接排?；蛳♂尯笈藕?，濃海水排海有很多危害[2]：①高鹽度：海水局部鹽度的升高對耐鹽性較差的海洋生物有致命影響，同時水體分層擾亂了生物鏈系統(tǒng)，造成深海物種和幼小個體的滅亡；②熱污染：濃鹽水的排放溫度一般比環(huán)境溫度高3～15℃，水溫升高導致水體溶氧量下降，改變了水體生物的生理機能，影響其生存繁殖；③腐蝕產(chǎn)物：濃海水淡化系統(tǒng)排出的濃鹽水含有銅、鐵、鎳、鉻等多種重金屬，排海對海洋生物的生長造成毒害作用，最終通過食物鏈的富集及傳遞進入人體，影響健康；④化學藥劑危害：濃海水淡化過程需加入阻垢劑、消泡劑、緩蝕劑、殺菌劑等多種藥劑，直接威脅水體生態(tài)環(huán)境。

2 濃海水淡化集成技術(shù)

基于單一海水淡化技術(shù)的應用局限，提出了單一技術(shù)之間的集成，充分發(fā)揮各技術(shù)的優(yōu)勢，充分利用能量，降低能耗及成本。按集成深度分類，海水淡化集成形式主要有三類：①海水淡化技術(shù)與技術(shù)之間的集成：這類集成技術(shù)又可分為四種，一是熱法+熱法集成、二是熱法+膜法集成、三是膜法+熱法集成、四是預處理+海水淡化工藝集成[3]；②能源與海水淡化技術(shù)的集成：這類集成主要利用可再生新能源和裝置余熱驅(qū)動海水淡化工藝，提高了傳統(tǒng)熱能的利用效率，避免能源的浪費和污染；③發(fā)電-海水淡化-綜合利用的集成：這類集成是將海水淡化與上游電廠濃海水及下游鹽化工生產(chǎn)聯(lián)合，達到設(shè)計、生產(chǎn)和資源配置優(yōu)化。

2.1 海水淡化技術(shù)與技術(shù)集成

陳靜等[4]設(shè)計了300t/d規(guī)模NF-RO雙膜耦合工藝，該工藝將濃海水脫硬，減少了膜污染，大幅提高了淡水產(chǎn)率，同時得到CaCO3、Mg(OH)2、Na2SO4等多種鹽產(chǎn)品。Zarzo等[5]研究基于蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)的海水零排放系統(tǒng)，利用蒸汽加熱進入蒸發(fā)器的水，能量回收利用，效率高于傳統(tǒng)的蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。Turek[6]探討了ED-MSF-結(jié)晶海水淡化系統(tǒng)，ED系統(tǒng)處理后濃縮海水為100gTDS/L，MSF系統(tǒng)可繼續(xù)提升至300 gTDS/L(TDS:total dissolved solids)。Kavithaa等[7]研究了EDR-RO集成技術(shù)處理濃海水，實驗表明EDR-RO集成可濃縮海水至1.25×105mg/L，淡水回收率為77%。包偉等[8]對寧夏某火電廠的高鹽廢水提出4個“零排放”方案并進行多方面的比較，認為方案：石灰Na2CO3軟化→RO膜濃縮→EDR濃縮→蒸發(fā)結(jié)晶更為合理，實用性更好。雖然該方案耗電量較高，但電滲析技術(shù)在國內(nèi)外已趨于成熟，且電廠有獨有的電能源條件，可以滿足現(xiàn)行裝置的運行要求。Davis[9]提出了RO-ED-NF-EC集成膜的海水綜合利用技術(shù)，預處理后的海水用RO裝置進行海水淡化，濃海水進入電滲析器進一步濃縮。濃海水提溴后再進行蒸發(fā)結(jié)晶，大部分濃縮液蒸發(fā)得到粗鹽，小部分進入離子膜電解裝置制得NaOH及Cl2，電滲析稀釋側(cè)通過NF膜分離一、二價離子，二價離子溶液加堿制備Mg(OH)2，一價離子返回RO膜形成閉路循環(huán)，實現(xiàn)了濃海水的綜合利用。

2.2 能源與海水淡化技術(shù)集成

王軍等[10]利用太陽能轉(zhuǎn)化為熱能及電能，為海水淡化提供動力，同時應用電磁技術(shù)，對海水進行預處理，有殺菌、除菌和磁化作用，經(jīng)磁化的海水經(jīng)過滲透膜時滲透壓也更低。Hou S等[11]研究了太陽能-MSF技術(shù)，指出MSF必須維持較高的溫度變化范圍才能取得更高的效率；操作過程中還必須嚴格控制系統(tǒng)壓力，測定了壓力在0.014～0.010MPa范圍內(nèi)變化時濃縮率的變化。陳暉等[12]設(shè)計開發(fā)了一種新型太陽能-風能聯(lián)合海水淡化裝置，利用直軸風力機驅(qū)動攪拌加熱器，實現(xiàn)風能→熱能的直接轉(zhuǎn)化，提高了海水蒸發(fā)速度。朱法軍等[13]研究了風力發(fā)電與RO海水淡化集成系統(tǒng)，依照風力發(fā)電量控制RO膜的產(chǎn)水量，實現(xiàn)發(fā)電量與產(chǎn)水量的智能控制形成一個循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)揮了產(chǎn)業(yè)聯(lián)動的優(yōu)勢形成海水和風能循環(huán)利用的產(chǎn)業(yè)模式。Sharmila等[14]開發(fā)了振蕩水柱式(OWC)海水淡化裝置，空氣柱隨著海水波浪的升降不斷膨脹和壓縮產(chǎn)生能量，沖擊式透平機從中提取能量并轉(zhuǎn)化為電能，來驅(qū)動RO膜海水淡化裝置。

2.3 發(fā)電-海水淡化-綜合利用集成

天津北疆電廠采用了電-水-鹽聯(lián)合生產(chǎn)的循環(huán)產(chǎn)業(yè)模式，首先用熱法提取電廠濃海水中的溴素，提溴后濃海水排入漢沽鹽場的鹽田制鹵系統(tǒng)曬鹽，生產(chǎn)原鹽和精制鹽，制鹽母液進入鹽化工廠制取 KCL、MgSO4、Mg(CL)2等無機鹽產(chǎn)品。

Ahmed等[15]提出電-水-鹽聯(lián)產(chǎn)的方法，海水淡化的低品位熱源及濃海水利用太陽能池發(fā)電；苦鹵可以繼續(xù)提取，發(fā)展制鹽和鹽化工，解決了發(fā)電和海水淡化過程的環(huán)境及能源浪費問題。

3 結(jié)論

3.1 利用多種膜技術(shù)的集成或者膜技術(shù)與其它工藝的耦合技術(shù)處理海水淡化、沿海電廠發(fā)電等產(chǎn)生的濃海水，能夠?qū)崿F(xiàn)多種單一淡化技術(shù)的優(yōu)勢互補，同時提高各種規(guī)格淡水回收率，降低能耗。

3.2 熱法和膜法海水淡化技術(shù)都以消耗能源為代價，充分利用太陽能、風能、核能等可再生能源及潮汐能、溫差能、深海靜壓、波浪能等海洋可再生能源，與海水淡化技術(shù)集成，能大幅減少甚至取消對外來能源的消耗，同時不產(chǎn)生二次污染。

3.3 海水淡化成本主要集中于電量和蒸汽的大量消耗，通過水-電聯(lián)產(chǎn)，利用電廠的電力及蒸汽為海水淡化裝置提供動力支持，同時調(diào)整產(chǎn)電與產(chǎn)水比例，實現(xiàn)各類能源的高效利用，降低海水淡化成本。

3.4 如果能實現(xiàn)濃海水淡化工藝與上游電廠及下游相關(guān)化工廠的聯(lián)合生產(chǎn)，可以使資源集成，最大程度實現(xiàn)副產(chǎn)及能量的充分利用，真正做到濃海水“零排放”，實現(xiàn)各相關(guān)企業(yè)利益最大化。