海水淡化技術現狀
文/天津工業大學生物化工研究所 呂曉龍
1. 海水淡化背景
隨著社會的高速發展和人口的急劇增加，淡水資源短缺問題已經引起世界各國的普遍重視。我國是水資源大國，同時也是最為缺水的國家之一。我國水資源總量為2.8萬億立方米，居世界第6位，而人均淡水資源量僅為2125立方米，是世界人均占有量的四分之一，被聯合國列為13個貧水國之一。我國沿海地區經濟發達、人口密集，但人均淡水資源量只有1266立方米，處于嚴重缺水狀態。淡水資源短缺乃至水資源危機是我國經濟社會可持續發展過程中的最大瓶頸制約之一。地球上并不缺水，但只有不到1%的水是可直接利用的淡水，地球表面70%被海水覆蓋，海水淡化技術是解決沿海地區淡水資源短缺的重要途徑，是水資源利用的開源增量技術，是增加淡水資源儲備的新戰略，對于實現沿海地區水資源優化配置，實現以水資源可持續利用,保障沿海地區經濟社會可持續發展的重大措施,具有重大的現實意義和戰略意義。因此，加快海水淡化產業發展是保障我國沿海地區經濟社會可持續發展的重要措施之一。海水淡化不僅是保障我國水資源持續利用的開源之舉，更是水資源保障的戰略儲備。
海水資源取之不盡，海水淡化成本又在不斷地下降，因此，在沿海地區進行海水淡化，比從內陸調水更加科學，在節省成本的同時，也可避免因內陸水源污染使調水水質差和調水工程造成的生態環境破壞問題。
國家《海水利用專項規劃》中指出：
1、到2010年，全國海水淡化能力達到80～100萬噸/日，實施十萬噸/日級海水淡化和循環冷卻等產業化示范工程；到2020年，全國海水淡化能力達到250～300萬噸/日，建設若干個20～50萬噸/日能力的大規模海水淡化工程。
2、新建的電力、石化、冶金等企業要求配套建設海水淡化作為純水，現有企業要進行改造，用淡化海水取代現用的自來水、純凈水。
3、把海水淡化列入《當前國家重點鼓勵發展的產業、產品和技術目錄》、《當前優先發展的高新技術產業化重點領域指南》，組織國債資金支持海水淡化的科技攻關和示范。新《企業所得稅法》中，對于從事海水淡化項目的企業實行稅收優惠，海水淡化項目給予前三年免稅、后三年稅收減半的優惠。
因此，目前對于我國從事海水淡化的企業，面臨很好的發展機遇。
2. 現階段海水淡化的主要方法
現階段世界上實現裝機應用的海水淡化方法主要分為兩大類：一是熱處理過程，主要包括多級閃蒸（MSF）、多效蒸發（MED）；二是膜處理過程，如電滲析（ED）和反滲透（SWRO）。
（1）多級閃蒸（MSF）
技術原理：經過加熱的海水，依次在多個壓力逐級降低的閃蒸室進行蒸發，蒸發的蒸汽用于加熱循環的海水并冷凝成淡水的過程。通常與火力發電站聯合建設與運行，以汽輪機低壓抽汽作為熱源，海灣國家采用較多。其優點是，加熱過程與蒸發過程分開進行，海水結垢傾向小。MSF技術是迄今為止最為成熟的海水淡化技術，整體性好，運行安全性高，適合于大型和超大型淡化裝置。其淡化水量在全球仍屬第一。發展方向：進一步擴大單機容量，系統操作最優化，開發對環境影響小、用量小的新型阻垢劑，新型傳熱材料。
目前多級閃蒸僅在沙特、卡塔爾、阿聯酋和阿爾及利亞有新建項目。國內，在2003年，青島等地通過采用具有完全知識產權的海水淡化裝置進行海水淡化，取得了很好的社會經濟效益，當時國內設備的日處理量為3000噸/日，在2005年，國內能生產出日處理量為5000噸/日的淡化設備；如今，日處理量為1萬噸/日的設備已經建成運行。國際方面，日產6萬噸淡水的單機已投入商業運行，日產16萬噸淡水的裝置正在設計中，是世界上規模最大的海水淡化裝置。
（2）多效蒸發（MED）
技術原理：加熱后的海水經過多個蒸發器串聯運行，前一效蒸發的二次蒸汽作為下一效的加熱蒸汽，并冷凝成淡水的過程。主要與火電廠聯合運行。包括兩種類型，一類是各效分列式，操作溫度一般較高，頂溫100～120℃；另一類是低溫多效蒸餾（LT-MED），頂溫65～70℃。后者較前者更具競爭力，是蒸餾法中最節能的方法之一。發展方向：集中于提高其傳熱效果，制作材料，系統優化等。該技術可利用電廠、化工廠或低溫核反應堆提供的低品位蒸汽，將海水多次蒸發和冷凝而達到較高的造水比。所產蒸餾水純度高（含鹽量<5mg/l），電導率可達到2.7-7μs/cm可作為鍋爐的補充用水、生產過程的工藝用水或者大規模的市政飲用水供水。目前最大裝置產量為2.5萬噸/日，已有數百臺1000t/d以上裝置在世界各地運行。
低溫多效技術的優點：
1) 由于操作溫度低，完全避免或減緩了設備的腐蝕和結垢。
2) 進料海水得了預處理簡化。只需經過篩網過濾和加入5mg/L左右的阻垢劑即可。不需多級閃蒸的加酸脫氣處理。
3) 操作彈性大。
4) 系統動力消耗小，系統的動力消耗低，可降低制水成本。
5) 熱效率高。30℃的溫差即可安排12以上的傳熱校數，從而達到10左右的造水比。
6) 系統操作安全可靠。不會因為冷凝管道的破裂導致濃鹽水泄漏。
缺點：
鹽水蒸發溫度不能超過70℃制約了熱效率的提高。由于冷凝和蒸發過程的傳熱系數隨操作溫度的提高而提高，另外由于低溫操作時蒸汽的比容較大，使得設備的體積較大，增加了設備的投入。
從表1可以看到，低溫多效海水淡化方法能耗更低。多級閃蒸和低溫多效的造水比一般不超過11和15，若進一步提高造水比，設備中海水的濃度會比較高，需要大幅度提高操作溫度。而在高溫下操作時，不僅會使能量消耗大大提高，還會加劇設備結垢腐蝕。因此多級閃蒸和低溫多效處理后的海水濃度通常僅為原料海水的2倍。
（3）反滲透
反滲透膜分離過程是利用反滲透膜選擇性地透過溶劑（通常是水）而截留離子物質的性質，以膜兩側的靜壓差為推動力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而實現對液體混合物進行分離的膜過程。因此，反滲透膜分離過程必須具備兩個條件：一是具有高選擇性和高滲透性的半透膜；二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓。反滲透膜分離過程在常溫下進行、無相變、能耗低，可有效地去除無機鹽和有機小分子雜質。膜分離裝置簡單，操作簡便，便于實現自動化。分離過程要在高壓下進行，因此需配備高壓泵和耐高壓管路。反滲透膜分離裝置對進水指標有較高的要求，需對源水進行一定的預處理。分離過程中，易產生膜污染，為延長膜使用壽命和提高分離效果，要定期對膜進行清洗。
通常能耗占海水淡化費用的一半以上，反滲透能耗一般為3～6kWh/m3。從表2可以看到，與蒸餾法相比，反滲透法能耗最低。從圖1可以看到，反滲透法是海水淡化技術中近20年來發展最快的技術，也是海水淡化技術的發展方向。反滲透技術主要存在兩個問題：一是反滲透淡水回收利用率低，一般只能達到40%左右，仍有60%左右濃縮水排放。若繼續對濃海水進行反滲透處理，會導致操作壓力大大升高，成本提高。二是反滲透海水淡化技術并不能充分去除天然海水中的硼元素。由于硼元素會對人體及動植物的生長產生危害，世界衛生組織(WHO)要求飲用水中硼的含量在0.3mg/L以下，反滲透法生產的淡水硼含量在2mg/L～3mg/L之間，遠遠超出世界衛生組織規定的標準。在美國，由于硼含量超標，已經停止了對海水淡化廠的審批。由于硼可以和重金屬絡合，絡合之后的物質毒性強于絡合之前的物質，所以用淡化后的水灌溉土壤會對土壤造成更大的危害。
3. 海水淡化工程應用
目前，無論是中東的產油國還是西方的發達國家都建有相當規模的海水淡化廠。沙特、以色列等中東國家70%的淡水資源來自于海水淡化，美國、日本、西班牙等發達國家為了保護本國的淡水資源也競相發展海水淡化產業。目前全球海水淡化總產量已達日均6348萬噸，2008年海水淡化工程總投資額達248億美元，并以每年20至30%的速度增長，由此帶動了淡化水產品提供、設備制造、工程安裝、技術服務等整體海水淡化市場的巨大需求。
從表3看出，隨著經濟的迅猛發展，我國的海水淡化工程應用規模也迅速增長。
我國已具有自主研發的膜法和熱法海水淡化技術，并具備生產建設日產淡化水萬噸級的海水淡化工程的能力。我國1958年建造西沙群島日產200噸電滲析海水淡化裝置，是世界上最早掌握海水淡化先進技術的國家之一。浙江舟山六橫島10萬噸/日的反滲透海水淡化工程已開始建設，其中一期工程的日產淡化水1萬噸的海水淡化裝置已建成投產；河北滄州黃驊電廠的1.25萬噸/日的MED低溫多效海水淡化工程運行良好。至今已建成投產的海水淡化裝置有72套，日產淡水44萬噸，在建和待建工程有56項，主要分布在天津、浙江、山東、河北和遼寧等地。如天津北疆電廠、天津大港新泉、青島百發等多個10萬噸級海水淡化工程相繼投產運行或立項開工建設。全部完成后，日產淡水將達到220萬噸/日。到2010年底，天津濱海新區海水淡化總規模將達到50萬噸/日，成為國內最大的海水淡化基地。
能量回收、變頻控制等技術的應用，使反滲透海水淡化工程能耗大幅降低。我國具有自主知識產權的能量回收技術和裝置已進入開發階段。我國還自行研究和開發了連續微濾或超濾技術用于預處理中；在杭州、貴陽（北京）和葫蘆島等地建立了反滲透復合膜生產線，設計膜生產能力達300萬平方米/年；研究開發了海水淡化復合膜組器；海水淡化用膜壓力容器已基本實現國產化；已具有了較強的海水淡化工程設計成套能力。
我國海水淡化雖然起步較早，但存在發展慢、規模小、市場競爭力不強等問題，主要表現在：一是海水淡化發展慢、規模小。我國海水淡化水日產量還很少，尚未成為沿海地區的重要水源；海水淡化裝置千噸級的較多，規模小。二是海水淡化成本高、推廣難。海水淡化噸水成本雖逐步下降，目前大約是5-7元，但相對于大部分沿海城市偏低的自來水價格而言，仍然偏高，這是制約海水淡化發展的最直接和最主要因素之一。
海水淡化產生的濃鹽水，其含鹽量高于海水一倍左右，濃鹽水的直接排放是否會對海洋生物構成威脅、破壞海洋生態環境，目前尚無定論。當前國際上海水淡化工程中常用的濃鹽水處理方法可分為兩大類：第一類，直接排放，如排入海洋、地表水、污水處理系統等，濃鹽水作為廢水被直接排放；第二類，將濃鹽水進行再利用，如地表灌溉、制鹽（也可用來提取鉀、鎂、溴等物質）等。國外海水淡化廠排放濃鹽水時，通常是把濃鹽水引入大海深處，讓濃鹽水與天然海水自然混合，以解決濃鹽水區域性污染問題。
4. 海水淡化新技術
（1） 膜蒸餾（MD）
膜蒸餾(Membrane Distillation)是傳統蒸餾工藝與膜分離技術相結合的一種液體分離技術，膜蒸餾過程是熱側液體的水分子蒸發汽化，穿過疏水膜的微孔，水相中非揮發性的離子和分子等溶質則不能透過疏水膜，從而實現溶液分離、濃縮或提純的目的。膜蒸餾是有相變的膜過程，同時發生熱量和質量的傳遞，傳質的推動力為疏水膜兩側透過組分的蒸汽分壓差。
膜蒸餾過程的特征：使用疏水性微孔膜，分離膜至少有一個表面與所處理的液體接觸，且不能被所處理的液體潤濕，傳質推動力是液體中可汽化組分在膜兩側氣相中的分壓差。相對于其它的分離過程，膜蒸餾的優點主要有：① 對液體中的離子、大分子、膠體等非揮發性溶質能達到100％的截留；② 操作溫度比傳統的蒸(精)餾低；③ 操作壓力遠低于反滲透過程；④ 與傳統的蒸餾設備相比，無蒸發器腐蝕問題、設備體積小、造價低。膜蒸餾近年來成為了海水淡化新技術領域中最被研究關注的熱點方向之一。目前膜蒸餾技術還未能大規模工業化應用，主要是因為在疏水膜材料的親水化滲漏、膜組件結構設計與干燥方法、膜蒸餾工藝流程優化與系統集成、蒸汽相變熱回收、加熱與廢熱利用方式等一系列膜蒸餾環節上均有待于提高。
（2） 正滲透（FO）
正滲透（Forward Osmosis）脫鹽技術是一種正在研究的新技術，其原理是，海水中的水分子在滲透壓的作用下，通過半透膜進入膜另一側的特殊溶劑中，其它溶質則被分離膜所截留，然后通過加熱、化學反應等方式使該溶劑與水分離，從而獲得純水。該溶劑可重復使用。
（3） 技術集成
將太陽能、風能、潮汐能等新能源與反滲透技術相結合，可降低海水淡化的耗電成本。將納濾、蒸發技術與反滲透技術耦合，可提高淡化水收率、降低工程投資。
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