各海域海水淡化专项方案及水质参数

为应对全球淡水资源短缺问题，很多沿海国家及地域主动开展海水淡化和综合利用技术研发工作。以色列70%饮用水来自海水淡化水；澳大利亚海水利用关键用于市政，占总装机规模96%；美国海水利用关键用于市政，占89.5%；沙特阿拉伯是现在全球最大海水淡化生产国，其产量达成11亿m3。中国淡水资源缺乏，人均淡水资源量仅为世界人均占有量1/4，沿海地域人口稠密，淡水供需矛盾尤为突出。海水淡化技术能够增加水资源总量，有效缓解中国沿海地域淡水短缺矛盾。在海水资源方面，中国拥有渤海、黄海、东海、南海四大海域，海岸线超出1.8万km，水资源相当丰富。但海水淡化发展速度相对其它国家缓慢，直至“十一五”期间海水淡化产业才开始较为快速地增加。据统计，至底中国海水淡化能力为66万m3/d。现在，影响海水淡化原因有政策、技术和价格等。其中海水水质是影响淡化技术正常应用及成本关键原因。有研究发觉，海水中有机物污染、SDI（淤泥密度指数）、温度、浊度和盐度是影响反渗透膜运行关键指标，进而影响淡化水品质。所以对中国海域海水理化性质、海水利用现实状况、研究进展进行探讨，对于优化沿海水资源结构、保障国家用水安全和促进沿海经济社会可连续发展含有战略意义。基于此，笔者首次将海水水质和海水利用情况相结合，介绍中国渤海、黄海、东海、南海4个海域海水淡化相关水质情况，归纳各地域海水利用工艺技术条件和发展现实状况，分析形成原因和经验教训，旨对海水利用发展落后沿岸地带提供帮助，对海水淡化利用很好地域发展和转型方向提供参考，并为中国海水利用发展提供新思索路径。1渤海海域1.1渤海水质特征渤海是一个近封闭内海，水温受北方大陆性气候影响显著，2月份平均水温在0℃左右，8月份达21℃。受大陆淡水注入影响，盐度仅为30‰，是中国近海中最低。1978—历年8月观察资料结果表明渤海夏季海水pH年际改变范围为7.86~8.30，渤海水温年际改变、降水量（酸雨）和月均黄河口径流量年际改变是影响海水pH改变关键原因。吴琳琳等研究发觉4—7月渤海湾海水温度为12.7~30.8℃、pH为7.30~8.55、海水CODMn为0.98~3.36mg/L、溶解性总固体（TDS）为30.7~32.1g/L、浊度为2.96~136NTU、Cl-为16.9~17.8g/L、电导率为44800~49800μS/cm。整体而言渤海水质浊度改变范围较宽，关键受渤海湾海水泥沙含量影响，尤其在有潮汐和风浪时会大幅升高。另外还发觉海水温度升高会使操作压力和脱盐率下降，关键是因为水温上升造成水黏度降低，膜材料渗透性能提升，从而透过盐分增加。郭兴芳等发觉天津渤海湾海水溶解性有机物所占百分比较大，m（SCOD）∶m（COD）为57.3%~97.1%，绝大多数＞65%，反渗透海水淡化预处理宜选择能有效去除相对分子质量低溶解性有机物工艺技术。整体而言，渤海湾水质在温度、浊度方面改变较大，有机物、SDI较高，盐度较低。1.2渤海海水淡化现实状况针对渤海水质特点，张大群等采取强化混凝—O3/UV消毒作为海水淡化蒸馏法预处理工艺，使得原水浊度、CODMn、UV254、细菌去除率分别达成96%、40%、19%、99.9%。马敬环等经过混凝—斜板沉淀池—砂滤新工艺处理渤海海水，可使出水浊度降至1NTU以下，铁降至0.1mg/L，该工艺适合处理水质改变范围广渤海海水。渤海湾中，天津是中国较早开展海水淡化研究地域之一，现在该区域海水淡化技术在中国居领先水平。至，天津市已建成海水淡化工程4个，分别是天津北疆电厂、天津大港新泉海水淡化、天津开发区万吨级海水淡化示范工程和天津大港电厂，海水淡化总处理能力为21.6万m3/d，海水淡化水利用量10万m3/d。其中天津北疆电厂是中国首个海水淡化水大规模进入市政管网项目，它海水淡化水日均供水量为6000m3左右，90%以上向社会供给。技术上，该项目采取低温多效海水淡化技术，针对渤海湾水质较差特点，其预处理工艺为高潮位取水—二沉池—微砂加速絮凝沉降池—清水池。天津大港新泉海水淡化总处理规模为15万m3/d，采取反渗透海水淡化技术。山东是全国海水淡化应用最广泛省份之一，其淡化技术关键以反渗透和低温多效蒸馏为主。截至底山东省海水直接利用量超出20亿m3，建成海水淡化工程17处，日淡化海水3.5万m3，占全国淡化水量25%。现在，该省大型海水淡化项目关键分布在青岛、烟台和威海3个城市。华能威海电厂是威海市关键海水淡化企业，年淡化海水237万m3，针对渤海海水特点，该电厂采取预处理工艺以下：海水取水→加NaClO系统→加PAC、PAM系统→多介质过滤器→活性炭过滤器，另外为了克服冬季水源低温影响，水源关键来自循环水和凝汽器排水。烟台市在长岛县建立了5座海水淡化站，每日产水量达成1850m3，直接收益人口达3.6万人。另外，烟台核能海水淡化示范工程已获同意，进入可行性研究阶段，工程建成后可日产淡化海水14.5万m3，将大大缓解烟台水资源担心情况。辽宁省内海域广阔，海水资源利用含有极大优越条件。现在该省已建成并能有效运行海水淡化设施有华能营口电厂、红沿河核电厂、葫芦岛海水淡化工程等。其中华能营口电厂产水量达10000m3/d，针对渤海水质浊度高、温度低等特点，以海水直流冷却水作为原水，其具体工艺步骤以下：海水冷却水—反应沉降池—双室介质过滤器—双室细砂过滤器。大连市海水淡化量为339万m3，海水直接利用量为11.2亿m3。其中大连长海县自来水企业海水淡化项目产水量为1200m3/d，关键用于岛上居民饮用；大连庄河电厂采取海水反渗透技术，产水量达29000m3/d，关键用作冷却水或锅炉补给水。2黄海海域2.1黄海水质理化特征黄海海水温度和盐度随地域差异显著，季节和日改变较大，含有显著陆缘海特征。海区东南部表层年平均温度为17℃，盐度通常＞32.0‰；北部鸭绿江口表层年平均温度＜12℃，盐度通常＜28.0‰。整体而言黄海水温年改变小于渤海，平均为15~24℃，海水盐度为32‰，展现由南向北、由海区中央向近岸，温度和盐度全部几乎均匀降低特征。黄海水温关键受冬季气温、黑潮现象等影响；盐度关键受黄海暖流、渤海热通量、海域冬季大风和黄河径流量改变影响。春季南、北黄海中部表层pH稍高，沿岸较低；夏季表层pH东西两侧偏低；秋冬季黄海表层pH相当均匀，仅朝鲜半岛近岸有低值区。黄海海域浊度分布含有显著区域差异，在北部成山头近海域出现高值，中部和南部离岸水域为低值区。刘宗丽在胶州湾表层海水中监测到3种经典低分子质量有机酸：乳酸、乙酸、甲酸，并发觉4月份胶州湾表层海水中三者总量平均值比较大，为24.06μmol/L。周斌等发觉胶州湾湾口部分站点pH、DO、COD、Cu、Zn、油类、PO43--P等指标均符合二类海水水质标准，SS、TDS含量较低，该区海水可作为淡化取水水源，但预处理工艺中应关注钙、镁、铁和锰影响。整体而言黄海海水含有盐度、温度年改变小，近岸有机物高特点。2.2黄海海水淡化现实状况徐佳采取胶州湾海水直接进入系统和海水添加絮凝剂后再进入系统两种工艺，初步验证了50nm管式陶瓷膜作为海水淡化预处理工艺可行性。苏保卫等发觉采取砂滤—超滤—纳滤等预处理工艺能够有效软化胶州湾原水，提升RO水回收率。青岛市淡水资源贫乏，现在引黄济青工程、南水北调工程、海水淡化相关企业等全部是利用海水淡化技术来供给饮用水。其中大唐黄岛电厂海水淡化日均量为16000m3，采取预处理步骤为：黄海原水—调整池—斜管沉淀池—盘滤—SVF超滤工艺，为处理冬季进水温度过低问题，将凝汽器冷却海水引入海水淡化系统。山东青岛电厂海水淡化量为20000m3/d，采取海水反渗透淡化技术，其预处理工艺为海水—平流式反应沉淀池—海水清水池—自清洗过滤器—超滤膜组件—超滤产水箱。江苏省海岸线长，但多为淤泥质海岸，利用难度大。来有多个项目建成投产，盐城射阳港电厂二、三期扩建工程采取海水冷却，年利用海水3.5亿m3。连云港田湾核电站正式投入运行，一期工程海水冷却利用量为25亿m3/a。这为江苏省海水利用深入发展积累了经验，并为全方面进行海水直接利用起到工程示范作用。3东海海域3.1东海水质理化特征东海是中国岛屿最多海域，濒临中国沪、浙、闽、台4省市。东海海域水体平均盐度为31‰~32‰，东部较高为34‰，水温度平均9.2℃，冬季南部水温在20℃以上。邵和宾研究了东海北部冬、夏季悬浮物浓度分布特征和运输规律，发觉东海北部悬浮物运输季节改变特征显著，冬季陆架上悬浮物浓度显著高于夏季。边昌伟发觉东海水体悬浮物浓度自近岸向外海降低，等值线走向基础和岸线平行，浓度最大区域在长江口及闽浙沿岸，浓度最低区域在100m等深线以深外海。东海沿岸海水温度SST关键取决于太阳辐射，呈南高北低分布，但也不一样程度地受地理环境、气候环境、水文环境影响，同时东海沿岸表层海水温度（SST）总体呈上升趋势，暖冬是SST总体呈上升趋势关键原因。整体而言，东海海水水质含有盐度高、温度高、近岸悬浮物和SDI高特点。3.2东海海水淡化现实状况海水淡化产业在上海刚刚起步，发展相对滞后，但上海却拥有较为优异海水淡化技术，如上海电气低温多效海水蒸发技术，该技术日产淡水量达12000m3。上海704所和711所拥有较优异多级闪蒸技术，华东理工大学拥有海水淡化浓盐水处理技术、低温多效蒸发器生产关键设备——烧结型表面多孔管高通量换热器生产技术。现在，上海决定经过政策来推进海水淡化产业，这是快速提升海水淡化产业发展关键路径。浙江是中国最早开展海水淡化应用省份。截至底，浙江已建成海水淡化装置设计产能达11万m3/d，占全国总产能1/6，以市政供水为目标和和电厂配套各占产能50%，淡化水已成为浙江关键海岛和沿海部分缺水地域淡水资源关键补充。现在已经有大型海水淡化工程有华能玉环电厂、大唐乌沙山电厂、舟山六横电厂、嵊山岛海水淡化工程等。华能玉环电厂海水淡化工程于调试至今，一直运行稳定、安全，现在日产淡水量3.5万m3，预处理工艺步骤为海水—微涡旋板折式反应沉淀池—浸没式超滤膜池—反渗透，为确保进水温度维持在25℃左右，淡化系统采取两路进水，夏天采取未经交换海水，冬天采取循环水。海岛地域舟山市是中国最早建设海水淡化工程地域，截至9月底，舟山总共建成海水淡化装置近20套，规模达54000m3/d，海水直接利用量7×108m3/a。其中六横电厂10万m3/d海水淡化工程是中国最大海水淡化项目之一，其预处理工艺步骤为海水—絮凝反应池—斜板沉淀池—多介质机械过滤器—保安过滤器—反渗透系统。针对东海水域受风浪和长江入海水影响、浊度改变大等情况，舟山各淡化企业采取浊度改变环境下调整药剂投加量及配比方法，稳定前处理海水水质，降低制水成本。4南海海域4.1南海水质理化特征南海被中国大陆、台湾岛、菲律宾群岛、大巽她群岛及中南半岛所围绕。南海海域面积为356万平方公里，其中有超出200个无人居住岛屿和岩礁，通称为南海诸岛。温度上，因为靠近赤道，南海表层水温较高，年平均水温为25~28℃，年温差改变小。盐度上，受沿岸淡水注入影响，近岸海域盐度较低，中、南部海域盐度分布较均匀，为32.0‰~33.6‰，最高盐度值出现在次表层，可达35‰。郭敬等发觉南海混合层盐度年际变异和ENSO现象之间存在较强关系，厄尔尼诺期间南海北部盐度上升，南海中部和南部盐度下降，展现“北强南弱”空间形态，其中南海北部冬季最高盐度可达33.8‰~34.4‰，南海南部秋季最低盐度为32.8‰~33.0‰。杨海丽等发觉海南西部近海海域表层水体浊度和悬浮颗粒物浓度由近岸向外海方向逐步降低，底部水体浊度和悬浮颗粒物体积浓度高值区呈斑状分布，水体浊度和悬浮颗粒物体积浓度伴随水深增加而增大。整体而言，南海海域含有温度高、盐度高、近岸SDI高特点。4.2南海海水淡化现实状况南海区中，香港海水利用技术在世界前列，其海水冲厕规模居世界之最。截至年底，香港拥有海水抽水站29个，装机容量173万m3/d，在港总人口694万中获取海水供给人数为555万人，占总人口80%。据统计，冲厕用水约70L/（人·d），冲厕用海水最高能降低40%住宅用水，全港平均耗用海水量80万m3/d。在海水淡化研究方面，现在香港已建立鸭脷洲和屯门小型海水淡化试验工程，正在兴建军澳海水淡化厂，建成后估计供水量为5000万m3/a。在广东省，火电厂和核电厂直接利用海水作为工业冷却水已经有一定规模，淡化技术应用工程企业有80多家，从事反渗透、电渗析淡化设备配套生产单位有23家，已初步形成以反渗透技术为主体海水淡化技术产业群。至底，广东省日产淡化水量为3.08万m3，居全国第6位，已经有海水淡化工程有平海电厂、国华台山电厂、惠来电厂、惠州平海电厂等。其中惠州平海电厂于开始运行，现在海水淡化量为16704m3/d，其预处理工艺为海水—斜板沉淀池—清水池—AMIAD滤网式自清洗过滤器—超滤装置。深圳市毗邻南海，全市电厂使用冷却水海水用量达73亿m3，海水经淡化后关键用作居民生活饮用水和冲厕用水，海水淡化技术大大缓解了深圳市淡水资源短缺局面。5中国海水淡化发展前景和提议整体而言，中国海水淡化技术日趋成熟，海水淡化设备自我研发、设计和制造已含有一定基础，海水淡化工程设计、建设和运行管理已含有一定能力和经验。另外在国家层面上，中央政府和各级地方政府开始重视海水淡化，经过计划、政策主动引导规范海水淡化市场，沿海各地及社会各界主动推进海水淡化工作开展，至底全国已建成海水淡化工程95个，日产淡化水总规模77.4万m3。其中，天津、河北、浙江、辽宁、山东省日均淡水产量居全国领先。所以作为新兴产业，海水淡化产业前景宽广，不过从近10a发展力度来看，中国海水淡化仍存在一定问题，依据中国《海水利用专题计划》：海水淡化装置产水量为80~110万m3/d，所以现在全国海水淡化装置产水值（77.4万m3/d，）和计划值仍存在一定距离，另外海水淡化工程技术方面也存在部分显著问题，如海水淡化装置关键设备和技术依旧掌握在美国、德国等国家；海水源水和淡化水卫生标准未规范化；浓缩海水排放问题等。针对这些问题，笔者提出以下提议和意见。5.1海水源水和淡化水水质标准制订海水源水水质不仅对海水淡化预处理工艺、后步脱盐淡化工艺及运行成本影响巨大，对于饮用主体心理接收度也产生重大影响。现在，淡水源水水质评价关键依据CJ3020—1993《生活饮用水水源水质标准》，该标准适适用于城镇集中式生活饮用水水源水质，对于淡化水海水源水则没有对应标准。中国国家海洋局公布《中国海洋环境情况公报》显示：中国海洋环境质量情况总体很好，但近岸海域水体污染、生态受损等环境问题仍然突出，其中未达成第一类海水水质标准海域面积为17万km2，水质为劣四类近岸海域面积约为6.8万km2。所以，为推进海水淡化工作开展，海水水源水质标准制订已迫在眉睫。另外，目前饮用水卫生评价关键是依据GB5749—《生活饮用水卫生标准》进行，该标准以饮水安全为基点，以水源水是地表水和地下水为前提，以有害、有毒污染物最大限量值指标为主。对于淡化水，产水呈弱酸性且缺乏有益矿物盐，所以通常需要对淡化海水进行后续矿化处理，以提升矿物质含量和碱度。但现在生活饮用水标准中缺乏有益于人体健康指标最低限量值，难以全方面地评定海水淡化水水质。所以提议针对海水淡化水水质特征制订对应海水淡化水水质卫生标准。5.2能耗和成本方面在海水淡化成本中，能耗是决定性原因。现在，海水淡化主流技术有低温多效蒸馏、多级闪蒸和反渗透法，3种技术能耗在2.5~5kW·h/m3，从成本考虑日产淡水20000m3设备中低温多效蒸馏法运行成本最低，约为0.56美元/m3，反渗透工艺成本居中，为0.63美元/m3，而多级闪蒸成本最高，为0.89美元/m3。这些价格相对中国淡水价格而言仍然偏高，所以在大型海水淡化企业中，开发自主创新技术以降低淡化能耗和成本仍是首要任务。而对于淡水实际需求紧迫、日产淡水量需求为几十到上千吨海岛而言，反渗透法因为适用范围广、维护简易等优点，推广率更高。但其缺点在于伴随日产淡水量降低，能耗和成本也显著增加。所以，开发低成本国产小型高压泵和能量回收装置等技术，降低小型海岛海水淡化规模小