海水淡化技术的应用与发展

海水淡化技术的应用与发展

水资源的缺乏已成为一个全球问题。随着社会经济发展和人口的增加，供需矛盾日益突出。据联合国估计，目前全球约有40亿人至少有一个月面临资源性缺水问题，到2050年，全球将有570个城市淡水供给量减少10%，6.85亿人受到影响海水淡化是一种重要的水资源开源增量手段，在解决全球水资源危机方面发挥着重要作用1计和全球使用的智库数据库国际海水淡化产业数据来源于国际脱盐协会统计（IDAInventory）和全球水务智库数据库（GlobalWaterIntelligenceDatabase）2海水淡化技术2.1海水淡化技术如表1所示，海水淡化主要可以通过多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)、反渗透（RO）、电渗析(ED)、膜蒸馏（MD）、正渗透(FO)等方法实现。其中RO、MSF、MED是目前主要的商业化技术，其他方法多处于实验室或中试验证阶段，几乎没有商业化的工程应用。MSF技术中，海水在闪蒸室内被逐级加热，闪蒸室通常串联排列，温度和压力随着级数逐渐递减，蒸汽经由剩余的浓海水冷却后形成淡水。海水通常需要被加热到90～115℃RO技术是通过在海水一侧人为施加压力来对抗自然渗透过程，从而使水通过反渗透膜从海水测迁移到淡水一侧。ED技术的原理是在外加直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，使溶液中的电解质离子定向迁移实现盐水分离，其优势在于回收率高，对进水水质要求低，耐酸碱等，常用于苦咸水淡化和工业废水处理，用于大规模海水淡化时不具有优势。MD和FO是近年来兴起的海水淡化技术。MD技术是一种通过热(温度)梯度驱动的膜分离工艺，在非常低的操作压力和较低的温度下，使水蒸气通过疏水微孔膜并在膜的另一侧冷凝，实现盐水分离。MD技术的优势在于产水通量和水质受原水性质影响小，有研究报道指出在原水盐度达到100g/L左右时,MD技术产水含盐量可以控制在10mg/L以内。2.2不同技术的组合在具体工艺设计时，各种技术会耦合使用。RO与MSF集成已商品化，如在阿联酋的Fujeirah水电联产厂中，MSF产淡水2.84×102.3海水淡化主要成本分析RO技术应用于市政供水具有较大优势。然而对于要求提供锅炉补给水和工艺纯水，且有低品位蒸汽或余热可利用的电力、石化等企业，MED仍具有一定的竞争性。ED过程操作便捷、污染小，预处理要求低，具备一定的抗污染能力，适用于一些小型海水淡化装置和苦咸水脱盐，但是在大型海水淡化工程中不具有很好地经济性。MSF技术是最早商业化应用的海水淡化技术，主要位于海湾国家，这是由于这些国家能源成本较低，且对海水淡化的需求量较高。前已述及，MED在能耗、腐蚀、结垢风险等方面都低于MSF，随着能源成本提高，MED海水淡化在海湾国家的使用规模也在逐渐增多海水淡化成本方面，海水淡化产水成本主要由投资成本、运行维护成本和能源消耗成本构成，其中能源成本通常占产水成本的50%以上，同时海水淡化产水成本与水厂投融资成本、人力成本、地区财税政策、工艺选择等关系密切。通常而言23,000～528,000m3.海水淡化的处理3.1随着时间的推移，海水淡化的产量也发生了变化国际海水淡化产能变化如图2所示，到2018年，全球海水淡化产能为6.2×10我国海水淡化研究始于上世纪六十年代3.2我国海水淡化技术类型分布情况图3给出了国际海水淡化产能域分布情况。总体而言，海水淡化产能主要分布在中东和北非区域，占全球总产能的65.24%，其次为东亚和太平洋区域、西欧、南美和加勒比海地区、南亚、东欧和中亚、撒哈拉以南的非洲、北美。从使用技术类型上，中东和北非地区热法海水淡化占总产能的一半以上，且主要以MSF为主，主要是因为这一区域能源成本较低。除这一区域外，其他地区的海水淡化技术主要以RO为主。表2给出了我国海水淡化工程在我国沿海省市的分布情况，天津、山东、浙江是我国海水淡化产能保有量最高的三个省份。北方海水淡化产能总体上高于南方，与水资源的分布趋势基本相反。4海水淡化水的处理方式可以将海水淡化的用途分为工业用水和市政用水两种。膜法海水淡化厂产水TDS在10ppm～500ppm范围内热法海水淡化出水水质接近蒸馏水，TDS通常在1～50ppm，含盐量非常低热法海水淡化后处理的方式根据依淡化厂规模而有所不同。对于大型淡化厂，常建有CO图4是不同区域海水淡化用户类型的分布情况，全球而言，约有74%的海水淡化水用于市政饮用，其余24%用于工业用途。其中中东和北非地区由于极度干旱的自然环境，87%的海水淡化水都用于市政饮用。由于这一区域海水淡化产能保有量占全球的一半以上，也推高了全球海水淡化水用于饮用的比例。除这一区域以外的区域外，全球其他区域海水淡化水用于饮用和工业用途的比例基本持平。就我国而言，我国的海水淡化水主要用于工业用途，约占总产能的67%，且呈现出明显的南北差异，北方地区海水淡化主要用于工业，南方地区主要用于海岛地区居民生活用水。5海水淡化水的应用从产业规模上，我国目前的海水淡化产能保有量约为全球产能的2%左右，产能规模较低。我国海水淡化规模化应用起步较晚，此时RO技术在成本和工艺上已经表现出明显的优势，所以我国海水淡化工程主要以膜法为主，热法淡化技术方面也主要是采用能源利用效率更高的MED技术，这一情况也与全球除中东地区以外的其他区域情况类似。从用途上，我国海水淡化水用于市政饮用的比例较低。随着我国海洋强国建设推进和社会经济发展，未来我国海水淡化产业将进一步增长。《全民节水行动计划》明确提出要强化海水淡化水对常规水资源的补充和替代，加快推进海水淡化水作为生活用水补充水源。《海岛海水淡化工程实施方案》提出要将海水淡化与海岛生态岛礁建设相结合，强化海