海水淡化的现状与未来

1、海水淡化的现状与未来摘 要 介绍了传统的海水淡化方法，包括蒸馏法和膜法。阐述了作为海水淡化 发展趋势的新型能源海水淡化技术，以及传统海水淡化方法的优化组合技术。分 析了国内外海水淡化的竞争优势，同时介绍了海水淡化在国内外的应用情况。关键词海水淡化；蒸馏法；膜法；新型能源21世纪.水资源问题已成为困扰世界各国经济和社会发展的一个制约因素。目 前全世界约有80多个国家和地区严重缺水，占地球陆地面积的60%,有15亿人缺 少饮用水.20亿人得不到安全的用水。众所周知，地球上70.8%的面积为水所 覆盖，但是其中97. 5%的水为海水，不能直接利用，而在其余2. 5%的淡水中。 可利用的淡水资源仅占地

2、球总水量的0. 26%。目前常用的局部地区缺水解决方案有远程调水、地下取水、建造水库等，但是 长期使用造成了水源枯竭、浪费土地、地面下沉和破坏生等诸多弊端，且均属于 淡水存量调整，不能从根本上解决淡水危机。另外雨水的收集利用、废水回用和 加强水资源的立法管理等也可以缓解部分地区的淡水短缺。但是。海水淡化作为 一种开辟新水源的相对成熟的技术，已成为世界上公认的解决缺水的最佳方案。1海水淡化的各种技术人类于两千多年以前就已对海水淡化技术有了初步的认知.但是海水淡化技术 在国际上得到迅速发展始于上世纪60年代.经过近几十年的发展，海水淡化技术 已经相对比较成熟，其中，蒸馏法和膜法已成为主流技术。目前

3、。在国际上蒸馏 法仍然在整个海水淡化市场中占主导地位。但是其发展速度却落后于反渗透法 1. 1蒸馏法蒸馏法是指利用热能进行海水淡化的方法，包括多级闪蒸、多效蒸发、压汽蒸 馏等。另外海冰淡化法.即冷冻法也可以归结为蒸馏法。它是利用淡水较盐水易 于结冰的特点而进行淡水分离的一种工艺。多级闪蒸(MSF)是将加热至一定温度的盐水依次在一系列压力逐渐降低的容 器中闪蒸汽化，然后将蒸汽冷凝制取淡水的过程。其突出优点是淡化过程中传热 面与蒸发面不接触。基本不存在结垢现象，传热效率稳定。到上世纪末，此法一 直是世界海水淡化市场的主流技术。现在，在世界海水淡化市场尤其是海湾地区 MSF仍具有很强的竞争力。多效蒸

4、发(MED)是由若干个单效蒸发器串联而成，仅第一效的蒸发器热源来自 锅炉，其余各效蒸发器的热源都由其上一效的二次蒸汽提供，热利用率高。以操 作温度90C为分界线，可分为低温多效蒸馏(LTMED)和高温多效蒸馏(HT MED)。目前世界上多采用LTMED的淡化方式。此方式亦被评为能耗最低的海水 淡化方法之一。但是MED法存在严重的结垢和腐蚀问题.其发展速度和市场占有 率因此大受限制。压汽蒸馏(VC)是利用机械压缩机使蒸汽升压升温后作为热源用 于海水蒸发。此法不需要另外提供蒸汽，不需要冷却水。且转化效率较高。但是 亦存在严重的腐蚀和结构问题.用于中小型海水的淡化。但其市场占有率不高.并 且呈逐渐降

5、低趋势。目前已研究开发出适合于仅可供电能的岛屿和地区的低温压 汽蒸馏技术.可以长期无故障运行。人工和维修费用较低，可靠性好。2膜法膜法主要是利用膜的选择透过性进行盐水分离达到海水淡化的目的，主要包 括反渗透法(RO)和电渗析法(ED)。1. 2. 1反渗透RO是在盐水侧施加压力迫使水分子通过半透膜进入纯水侧的过程。20世纪50 年代C. E. Reid等首先提出了反渗透海水淡化方案，并进行了开拓性研究。近20 年来，随着预处理技术的改进、能量回收装置的使用和膜性能的优化等.使SWRO 技术日益成熟.进入21世纪后RO法已经取代MSF法成为海水淡化市场的主导。反渗透膜不但可用于脱除水中的大量无机

6、盐离子，还可用于去除大部分的有机 物、胶体、病毒和细菌、悬浮物等。但是这些大分子物质的存在，容易造成膜的 污染.降低膜的使用寿命，需根据海水水质进行预处理。表1给出了通用的反渗 透海水淡化的进水水质要求。此外RO法还存在能量回收问题和浓盐水的排放问 题。表1反渗透进水水质要求项曰永潟R nH浑浊度/污染指 余氯, COD* Fe/ 项曰术温/l pH NTU 数 SD1/FI (mgL) (mg-L-注：所有指标均是针对聚酰胺膜。 预处理技术。采用添加化学品的传统海水预处理方法.存在工序复杂、预 处理成本较高和环境负面影响较大等缺陷。另外，由于结垢等问题，水回收率较 低，仅为30%35%。而水

7、回收率越高，结硬垢可能性越大.能耗和成本也相对 较高，对预处理要求也更严格，装置的清洗也更频繁，其结果必然是预处理和清 洗费用上升。因此常规预处理方法已成为海水淡化的主要制约因素。采用全膜法预处理代替传统的化学品预处理则可以解决上述缺陷。膜法预处 理主要包括微滤(MF)、超滤(UF)和纳滤(NF)三种。MF在去除悬浮固体、降低污染 指数SDI上效果明显费用较海滩井(beachweU )少.是传统方法费用的一半。而UF 注：所有指标均是针对聚酰胺膜。预处理技术。采用添加化学品的传统海水预处理方法.存在工序复杂、预 处理成本较高和环境负面影响较大等缺陷。另外，由于结垢等问题，水回收率较 低，仅为3

8、0%35%。而水回收率越高，结硬垢可能性越大.能耗和成本也相对 较高，对预处理要求也更严格，装置的清洗也更频繁，其结果必然是预处理和清 洗费用上升。因此常规预处理方法已成为海水淡化的主要制约因素。采用全膜法预处理代替传统的化学品预处理则可以解决上述缺陷。膜法预处 理主要包括微滤(MF)、超滤(UF)和纳滤(NF)三种。MF在去除悬浮固体、降低污染 指数SDI上效果明显费用较海滩井(beachweU )少.是传统方法费用的一半。而UF 不但可截留悬浮固体和大的细菌.还可截留大分子、胶体和小细菌。NF是介于UF 和RO之间的膜过程，其对于一价和二价离子的选择透过性对防止结垢和减少进料 TDS方面有

9、特殊的作用.并且降低了海水的渗透压.高7RO的操作压力和水回收 率.可进一步降低能耗25%，造水成本可降低30%。反渗透能量问题。RO中大部分的能量随着浓盐水的排放而流失。为了降低 能耗，一般采用能量回收装置，但目前反渗透的回收率不高，一般为40%左右。 这导致了预处理过的海水浪费和高压压缩海水能量的流失.也是其淡化成本高的 主要原因。浓盐水的处理。海水淡化对环境的不利影响主要是浓盐水的排放问题。浓 盐水不仅含盐量高，而且还含有海水预处理时引入的化学物质及海水原水所含的 各种有害物质，若排放不当，就会对土壤、地表水、海洋环境等造成污染。目前， 常用的浓盐水排放和利用技术包括直接排放法(排入海洋

10、、地表水、污水处理系指标 2035 311 0.340.120.1统等）和浓盐水再利用（灌溉、制盐、提取化工原料）两类。1. 2. 2电渗析电渗析（ED）是在外加直流电场的作用下，利用具有选择透过性的离子交换膜的 反离子迁移原理，使水中的离子定向迁移。并有选择性地通过带有不同电荷的离 子交换膜。从而达到溶质和溶剂分离的过程。电渗析过程无相变发生，在一定含 盐量条件下，能耗较低，药剂耗量少，环境污染小，系统结构简单，原水回收率 较高，一般能达到65%80%，预处理简便。但是.ED需要在海水淡化室中加入 化学药剂脱除有机物、胶体、细菌和悬浮物等，不适用于制备饮用水。日本虽已废除盐田制盐，采用电渗析

11、浓缩海水制盐3,但是其能耗较高，为 150kWlgt（以单位盐量计）。在许多国家缺乏市场竞争力，若考虑同RO法结合， 则可达到低能耗、低污染的效果。2海水淡化的新技术和发展趋势前面所述传统海水淡化法所需能源均为不可再生的化石能源.环境压力大且面 临化石能源枯竭的问题.寻找替代型能源已刻不容缓。替代型能源主要包括核能、 太阳能、风能、海洋能、地热能和生物质能等，其中核能海水淡化和太阳能海水 淡化研究最多。此外，把不同的海水淡化常规工艺进行结合，把淡化后的卤水加 以利用.优化集成为低能耗、低污染、高产水率、低成本的新的海水淡化组合工 艺，也是未来海水淡化发展的一个重要趋势。2. 1核能海水淡化核能

12、海水淡化是利用核反应堆作为能量来源，从海水中生产淡水的方法。核反 应堆可以供电和发热.理论上可以与任何常规海水淡化工艺过程相结合。如核能 利用发热特性与MSF或者MED结合，利用发电特性与RO结合s。前苏联的哈萨克斯 坦曾建立一座核能海水淡化工厂，并成功运行了 26a。日本也曾先后有10个海水 淡化装置与核反应堆结合。中国原子能科学研究院李兆桓也研究了核能与多级多 效蒸馏结合或压缩多效蒸馏结合的工艺.研究发现其造水比是现有工艺造水比的 2. 5倍以上。大大降低了海水淡化的成本（约为1元/m3），从而使核能海水淡化 具备了大规模产业化的前景。核能是一种安全、可靠能源，核能海水淡化.可以 利用低温

13、供热用核反应堆作为热源，技术难度较核电站低。安全性更高。2太阳能海水淡化太阳能是取之不尽的洁净可再生能源.若作为淡化能源，不产生二次污染，运 行费用最省，所得淡水纯度高。太阳能海水淡化的能量利用方式有两种，一是利 用太阳能产生热能以驱动海水相变过程；二是利用太阳能发电以驱动渗透过程。 太阳能也可与所有的常规海水淡化工艺过程相结合。目前.对太阳能海水淡化的研究和应用一般都采用蒸馏法。在近期内也仍将以 蒸馏法为主。但它在经济上仍不能跟传统海水淡化技术相比较。蒸馏法中研究最 多、技术上最成熟的是太阳能盘式蒸馏器.此外还有利用烟囱技术的太阳能海水 淡化新技术。3海水淡化的经济竞争优势海水淡化的投资成本

14、.主要是设备成本.目前淡化能力投资成本（以单位水量 计）一般低于7 000元/t。运行成本方面，蒸馏法主要有蒸汽费用、电力费用： 反渗透法主要有电力、药剂和膜更换费用。国际上.目前海水淡化成本约为O. 60 美元/t,国内成本在58元/t,苦咸水淡化在24元/t。国际上许多国家自 来水价格已高于海水淡化的成本.海水淡化已经具有竞争力。中国的自来水价格偏低，尤其是居民生活用水，仅为国际水平的1/3左右，这 主要是受政府补贴等因素的影响。因此，在中国采用淡化海水作为民用水源仍嫌 成本过高。但是海水淡化在许多领域，主要是工业领域，已经具有明显优势，如 锅炉用水等，综合成本已远高于具有同等质量的海水淡

15、化成本。采取组合技术也 可降低海水淡化成本。如前面所讲核能海水淡化成本可低至1元/m。左右。长期 看，自来水价格将不断上涨，海水淡化成本则不断下降，海水淡化成本劣势在减 小，竞争力在不断提高。海水淡化的竞争优势将越来越明显。4海水淡化的应用4. 1国际上海水淡化的应用根据国际脱盐协会IDA曾给出的全世界海水淡根据国际脱盐协会IDA曾给出的 全世界海水淡化装置生产容量的增长趋势可知，目前世界淡化装置容量增长迅 速，正在以10%30%的速度增长，且增长幅度在逐渐增大。至0003年底，世界 上已签订合同要建造的海水淡化装置的容量约为3. 775x107 t，血目前全世界 有130多个国家在进行海水淡

16、化，淡化能力一半以上集中在中东海湾国家.占中 东淡水来源70%。世界海水淡化80%用于饮用水，解决了世界1/50人口的供水 问题。全球海水淡化能力的分布见图1。4. 2中国海水淡化的应用中国最近十几年的海水（包括苦咸水）淡化工程项目每年投产情况见图2所示。投产年图2中国海水淡化装置生产容量增长趋势进入21世纪后我国的海水淡化事业发展迅速.预计到2007年中国海水淡化总装 机容量可达352 550 t/d。但是，与国际上相比中国海水淡化规模比较小，差距 较大。首先是研究水平及创新能力、装备开发制造能力、系统设计和集成等方面 与国外差距较大：其次是技术装备国产化水平低，10万t以上级别的装置基本全

17、 部进口.万吨级关键设备需要进口；第三.缺少大规模海水淡化装置的设计、制 造和运作等方面的成功经验。中国是全世界公认的13个最贫水的国家之一。预计 到2010年中国将进入严重缺水期。2005年7月，国家发改委、国家海洋局和财政 部联合发布了海水利用专项规划，力促我国海水淡化产业的发展，并给出了 我国的海水淡化发展目标，如表2所示。表2 中国海水淡化发展目标200520102020淡化能力/(IO43100300示范工程规模/(KTrnd1)0.51020-50国产化率/%6090累计投资/亿元80200从表2可见.我国海水淡化即将迎来高速发展期，从实际情况看，目前沿海地区 对海水淡化参与积极。实际情况好于发展目标。5展望淡水危机是21世纪困扰世界各国发展的一个重要因素。相对于各种有实效的方 案，海水淡化是一个最佳的解决方式。传统的海水淡化方法主要有蒸馏法和膜 法.结合新能源技术的新的海水淡化方法和各种传统海水淡化方法的优化组合是 未来海水淡化技术发展的趋势。在国际上，海水淡化已具有明显的优势，但是国 内由于水价较低。海水淡化成本相对较高。随着海水淡化技术的发展和水价的必 然增高趋势。海水淡化的优势必将越来越明显。国内的海水淡化生产能力同国际 上相比差距很大.但是在国家政策的扶持下，随着海水淡化竞争能力的增加。海 水淡化在