蔣 奇

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100048）

海水淡化技術(shù)的國際應(yīng)用與國內(nèi)發(fā)展分析

蔣 奇

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100048）

海水淡化技術(shù)是目前主要缺水國家采用的飲用水生產(chǎn)技術(shù)。其主要包括多效蒸餾技術(shù)和反滲透技術(shù)。本文分析比較了兩種工藝各自優(yōu)勢，通過主要國家將海水淡化的利用情況和我國水資源利用情況進(jìn)行對比，總結(jié)了海水淡化在我國發(fā)展所面臨的客觀條件、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)問題、政府作用，展望了海水淡化的發(fā)展趨勢。

海水淡化 技術(shù)應(yīng)用 發(fā)展

進(jìn)入20世紀(jì)后，海水淡化技術(shù)隨著水資源危機(jī)的加劇得到了加速發(fā)展，70年代以來，更多的沿海國家由于水資源的匱乏而加快了海水淡化的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前，無論是中東的產(chǎn)油國還是西方的發(fā)達(dá)國家，都建有相當(dāng)規(guī)模的海水淡化廠。

隨著水資源短缺形勢日益嚴(yán)峻，海水淡化的水在一些沿海缺水國家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。目前，全球海水淡化市場已頗具規(guī)模。未來20年國際海水淡化市場增長最快的仍然是中東地區(qū)，其次是美國、澳大利亞、西班牙、印度和中國。

海水淡化已經(jīng)成為當(dāng)今世界重要的水資源來源之一，具有取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，特別是對于水資源短缺國家、地區(qū)和城市的供水安全有較強(qiáng)的保障作用，具有極高的戰(zhàn)略意義。

北京以不足26億m3的本地水資源支撐了年均36億m3的用水需求，但水資源過渡開發(fā)導(dǎo)致的地下水位急劇下降和生態(tài)環(huán)境日益脆弱的現(xiàn)象已經(jīng)十分明顯，水資源短缺已成為首都經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的第一瓶頸。在供水安全和生態(tài)安全雙重目標(biāo)下，北京水資源總量常態(tài)缺口至少為5億m3。同時(shí)與北京相關(guān)的海河流域、黃河流域、長江流域社會經(jīng)濟(jì)正處在高速發(fā)展時(shí)期。水資源形勢不容樂觀，從長遠(yuǎn)考慮，首都水資源保障將逐步構(gòu)建“北倚密云，南調(diào)江漢，西引黃河，東取海洋”的多元取水格局，以密云水庫之水保障首都生活之本，以長江、漢江之水支撐首都的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以黃河之水作為南水北調(diào)水源的應(yīng)急補(bǔ)充，以淡化海水支撐首都圈發(fā)展和作為首都水資源戰(zhàn)略儲備，從根本上解決首都水資源保障不足的問題。

1 海水淡化技術(shù)比較

全球海水淡化技術(shù)超過20余種，包括反滲透法、低溫多效、多級閃蒸、電滲析法、壓汽蒸餾、露點(diǎn)蒸發(fā)法、水電聯(lián)產(chǎn)、熱膜聯(lián)產(chǎn)等，以及微濾、超濾、納濾等多項(xiàng)預(yù)處理和后處理工藝。從大的分類來看，主要分為蒸餾法（熱法）和膜法兩大類，是全球主流技術(shù)。熱法具有節(jié)能、海水預(yù)處理要求低、淡化水品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，但需要臨近電廠等熱源；反滲透膜法具有投資低的優(yōu)點(diǎn)，但海水預(yù)處理要求高。

在全世界的海水淡化站中約有26.7%采用RO法。在全世界已安裝和計(jì)劃安裝的RO機(jī)組里，美國居領(lǐng)導(dǎo)地位，占市場份額的26.8%，其次分別為沙特阿拉伯（12.9%）、西班牙（10.9%）和日本（6%）。在加利福尼亞州，RO 是現(xiàn)有海水淡化設(shè)施中，同時(shí)也是絕大多數(shù)計(jì)劃建設(shè)的海水淡化設(shè)施中推薦采用的技術(shù)。

1.1 多效蒸餾MED技術(shù)

（1）MED的原理。多效蒸餾法的蒸發(fā)器由

幾個(gè)連續(xù)的小室（或效應(yīng)）構(gòu)成，從第一個(gè)熱小室到最后一個(gè)冷小室，壓力（和溫度）逐步降低。每個(gè)小室由一個(gè)水平的管束構(gòu)成。把海水補(bǔ)充流噴到管束的頂部，然后，再利用重力作用使其通過一根根的管子向下流動。

加熱用的水蒸汽導(dǎo)入管道內(nèi)。由于管道外面用補(bǔ)充流進(jìn)行冷卻，蒸汽在管道里冷凝成為蒸餾水（淡水）。與此同時(shí)，海水被加熱，通過回收冷凝熱量（潛熱），使其部分蒸發(fā)。由于蒸發(fā)的緣故，當(dāng)海水通過管束時(shí)，其濃度稍有提高，在小室的底部產(chǎn)生咸水。海水蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽，其溫度要低于加熱用的蒸汽。但是，在下一個(gè)階段再重復(fù)這一方法時(shí)它仍然可以用作加熱介質(zhì)。壓力從一個(gè)小室到下一個(gè)小室逐步降低，把咸水和蒸餾水抽到下一個(gè)小室，在那里，它們將進(jìn)行閃蒸，降低壓力，釋放附加的蒸汽。這些附加的蒸汽將在下一個(gè)小室里冷凝成蒸餾水。

在多效蒸餾的一系列的效應(yīng)里，這一過程是重復(fù)的。在最后一個(gè)小室里，產(chǎn)生的蒸汽在常規(guī)外殼和管道熱交換器里冷凝。這一交換器稱為“蒸餾水冷凝器”，利用海水冷卻。在這個(gè)冷凝器的出口，被加熱了的海水一部分用作這一裝置的補(bǔ)充流，其余的排入海中。咸水和蒸餾水一個(gè)小室、一個(gè)小室地收集起來，直到最后一個(gè)小室，在那里通過離心泵進(jìn)行分離提取。

（2）MED的優(yōu)點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)為：

①能連續(xù)地生產(chǎn)高純度蒸餾水。

②不需要復(fù)雜的海水預(yù)處理，能適應(yīng)各種海水條件的變化。

③運(yùn)行高度可靠、簡單易行。

④由于減少了占地面積，降低了土建成本。

⑤由于全套裝置安裝在支架上，在簡單安裝之后，即可交付使用，所以安裝簡便。

⑥維護(hù)成本低（除了低壓泵之外沒有轉(zhuǎn)動部件）。

⑦全天24h運(yùn)作，幾乎不需要監(jiān)管。⑧可以適應(yīng)各種熱源，包括熱水。

1.2 反滲透RO技術(shù)

反滲透法是一種壓力驅(qū)動的方法，對膜側(cè)的海水施壓，使淡水穿過膜并留下鹽類。同熱蒸餾法和電滲析法相比，反滲透法相對較新，并在20世紀(jì)70年代成功地實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。這一技術(shù)不需要加熱或相變，淡化所需的主要能源是給補(bǔ)給水加壓。

RO法一般能篩選分子量截留值達(dá)10 MWCO的顆粒（包括金屬離子和鹽類等），所以能提供最高的過濾水平，最終只允許水分子通過。

1.3 蒸餾法與膜法各有優(yōu)勢

?；夹g(shù)中熱膜耦合法集成了蒸餾法與反滲透法優(yōu)勢工藝，技術(shù)、成本具有更好的優(yōu)勢。其中多效蒸餾法（MED）消耗電0.8kW?h/t水，消耗蒸汽160T/h，反滲透法（RO）消耗電3.6kW?h/t水，兩種工藝可根據(jù)使用地區(qū)的用電和用水高峰情況按比例進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。在夏季用電量大時(shí)，淡化水廠一般以蒸餾法工藝為主，而冬季則以反滲透工藝為主。

2 國際海水淡化利用情況

2.1 海水淡化主要國家利用情況

（1）沙特阿拉伯。據(jù)沙特官方公布的數(shù)字，沙特人均年用水量達(dá)到340～400m3，是中國人均用水量的1.5～2倍，與美國相當(dāng)。沙特人均用水量高，主要原因是工業(yè)用水多。沙特有10多個(gè)工業(yè)園區(qū)，多以石化、煉油、水泥等工業(yè)為主，均是耗水大戶。

沙特進(jìn)行海水淡化已有70年的歷史，是世界上最大的海水淡化地，海水淡化量占世界的21%。沙特大部分沿海城市和中部城市的主要居民聚居地區(qū)均大量使用淡化水。淡化水還通過管道輸往首都利雅得等內(nèi)陸城市。淡化水占全國用水的50%以上。截止到2002年，沙特共建立30家海水淡化廠，每天生產(chǎn)淡化水300萬m3，占全國飲用水的46%，共有184個(gè)蓄水池，蓄水能力6.4億m3，并大量發(fā)電。其中，朱拜勒海水淡化廠是世界上最大的淡化廠，每日可以生產(chǎn)淡水3億加侖。

（2）阿聯(lián)酋。阿聯(lián)酋是世界上水資源最為匱乏的國家之一，也是世界上人均水資源消耗最多的國家之一。阿全國用水量的51%來自地下水，但是地下水資源有限，近年來由于過度開采，地下水位下降，沿海地區(qū)海水入侵，地下水質(zhì)退化，供給量不斷降低。為防止地下水枯竭，阿在全國各地興建120座水壩，以攔蓄地表水，逐步提高地下水位。但由于少雨、蒸發(fā)率高等原因效果不佳。

隨著阿經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生

活等用水需求增長迅猛。農(nóng)業(yè)用水占全國用水總量的34%，居各類用水之首，全國80%的地下水用于農(nóng)業(yè)。工業(yè)和生活用水共占全國用水總量的32%。

阿聯(lián)酋是全世界海水利用量最大的國家，擁有世界最大的熱膜耦合海水淡化工廠。全國用水量的37%來自海水淡化，其中98%的工業(yè)和生活用水由海水淡化廠提供。阿現(xiàn)有70座海水淡化廠，每年可產(chǎn)淡水13億m3，占世界海水淡化總量的14%，占海灣合作委員會六國海水淡化總量的41%。預(yù)計(jì)到2016年，阿海水淡化量將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增長76%，達(dá)到日產(chǎn)1410萬m3。阿聯(lián)酋每年投入32.2億美元用于海水淡化，平均每立方米淡化海水成本約2美元。

2.2 大型海水淡化廠情況

（1）富查伊拉I（Fujairah I）海水淡化廠。富查伊拉I海水淡化廠是阿拉伯酋長國富查伊拉斗山(Doosan)大型供水供電聯(lián)合企業(yè)的一部分，以滿足50萬千瓦發(fā)電廠及阿布扎比地區(qū)飲用水和灌溉需水?？偖a(chǎn)能45萬t/d，其中熱法采用多級閃蒸技術(shù)（MIS），產(chǎn)能28.5萬t/d（5套裝置）；膜法采用反滲透技術(shù)（RO），產(chǎn)能17萬t/d。法國SIDEM公司為反滲透設(shè)備供貨商。

（2）富查伊拉II（Fujairah II）海水淡化廠。富查伊拉II（Fujairah II）海水淡化廠，位于阿拉伯聯(lián)合酋長國東側(cè)瀕臨阿拉伯海的富查伊拉（Fujairh）酋長國的Qidfa工業(yè)區(qū)，大致位置在東經(jīng)56度22分，北緯25度18分。

富查伊拉海水淡化廠是目前世界最大的熱膜耦合海水淡化工廠，也是200萬千瓦發(fā)電廠的一部分。淡化廠是熱膜耦合工藝，總產(chǎn)能59萬t/d；但熱法不再采用多級閃蒸技術(shù)，升級為多效蒸餾技術(shù)（MED），總產(chǎn)能45.5萬t/d；膜法采用反滲透技術(shù)（RO）產(chǎn)能13.6萬t/d。

3 水資源利用條件和政府作用

3.1 客觀面對水資源的稟賦條件

盡管巨額石油收入使沙特成為世界最富有的國家，早在70年代已成為世界上人均國民收入最高的國家之一，可是他們也客觀面對水資源稟賦條件，理性開發(fā)利用。例如，居民生活用水基本充足，可以保證每日洗滌的需要，居民并未因水資源匱乏而感到生活不方便，或生活不衛(wèi)生整潔；但是政府不鼓勵(lì)奢侈用水，例如首都利雅得僅有一個(gè)九洞高爾夫練習(xí)場，據(jù)說是為滿足住在這里的外國人鍛煉準(zhǔn)備的；必須建設(shè)的綠地系統(tǒng)，即使利用淡化海水灌溉，也是全滴灌系統(tǒng)。

北京市同樣是一座水資源匱乏城市，但是綠地節(jié)水管理尚未實(shí)現(xiàn)全面覆蓋；目前本市僅有13%的綠地實(shí)現(xiàn)節(jié)水設(shè)施改造，綠地利用再生水還很少，約95%綠地目前仍以自來水、地下水灌溉為主。在服務(wù)行業(yè)中，享受型水消費(fèi)場所也在迅猛增長，本市現(xiàn)有3000余家洗浴中心、175家高爾夫球場及練習(xí)場、22家滑雪場，此外還有9000余家洗車點(diǎn)；上述特殊行業(yè)每年消耗水量約占現(xiàn)狀公共用水的11%，這些產(chǎn)業(yè)的過度發(fā)展與本市水資源的稟賦條件極不適應(yīng)，增加了水資源的壓力。

3.2 海水淡化工程建設(shè)中的政府作用

國外海水淡化工程的建設(shè)，過去通常為政府出資建設(shè)和政府實(shí)施管理，對于海水淡化發(fā)展發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。隨著海水淡化技術(shù)快速發(fā)展和市場機(jī)制的完善，現(xiàn)在，一些國家特別是中東國家采取政府引導(dǎo)與市場化運(yùn)作相結(jié)合的模式，在保證政府對淡化水控制權(quán)的前提下引入競爭機(jī)制，允許私營經(jīng)濟(jì)和國外企業(yè)介入，進(jìn)一步降低海水淡化工程的建設(shè)投資和運(yùn)行成本。

阿聯(lián)酋政府為了迅速改變水資源短缺現(xiàn)狀，允許外國公司投資建設(shè)淡化水和電力聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供的水電聯(lián)合企業(yè)，外國企業(yè)可拿到40%的股權(quán)。但為了保障國家戰(zhàn)略性資源水和電的安全，政府持有水電聯(lián)合企業(yè)60%的股份，并且是水和電的買主。

政府引導(dǎo)是發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。國外海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國家，其發(fā)展海水淡化有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即政府對于海水淡化發(fā)展起著主導(dǎo)和推動作用。我國已發(fā)布實(shí)施《海水利用專項(xiàng)規(guī)劃》，很好地指導(dǎo)了“十一五”時(shí)期我國海水利用領(lǐng)域的發(fā)展方向，2012年2月初下發(fā)的《關(guān)于加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見》明確了“十二五”期間我國海水淡化的發(fā)展目標(biāo)，即到2015年，淡化能力達(dá)到220至260萬m3/ d。有關(guān)部門應(yīng)加快研究制定相關(guān)財(cái)稅激勵(lì)政策，建立和完善海水利用標(biāo)準(zhǔn)體系、市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，積極開展試點(diǎn)示范，并對示范項(xiàng)目給予一定的資金支持。同時(shí)，各級政府應(yīng)按照國務(wù)院有關(guān)要求，

加大水價(jià)改革力度，通過合理調(diào)整水價(jià)及其結(jié)構(gòu)，促進(jìn)海水淡化水的生產(chǎn)和使用。要依據(jù)有關(guān)規(guī)定，合理確定海水淡化水價(jià)格，允許進(jìn)入城市供水系統(tǒng)，并保證一定的使用量。

3.3 淡化海水與飲用水標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系

影響淡化產(chǎn)品水水質(zhì)的因素主要包括原水取水、預(yù)處理、設(shè)備腐蝕、特殊化學(xué)物質(zhì)等。蒸餾法海水淡化設(shè)備有些部件的腐蝕會直接造成腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入產(chǎn)品水，使用耐海水腐蝕金屬、添加緩蝕劑、犧牲陽極等方法能有效減少腐蝕。反滲透膜對一些特殊的化學(xué)物質(zhì)不能完全截留，如對分子態(tài)二氧化碳和硼的去除率不高。

從蒸餾法、反滲透法海水淡化產(chǎn)品水與國內(nèi)外飲用水標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2006）、世衛(wèi)組織飲用水準(zhǔn)則、歐盟飲用水水質(zhì)指令及（EPA822-R-04-005）的比較可以看出，淡化產(chǎn)品水除硼外，其他指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)外生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)限值，其中熱法淡化產(chǎn)水含鹽量等指標(biāo)要低于反滲透淡化產(chǎn)水。

鑒于淡化產(chǎn)品水的特性，一般淡化水進(jìn)入城市管網(wǎng)前，需采取海水淡化后處理（礦化、防腐蝕、消毒、脫硼等），使其符合國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)的106項(xiàng)指標(biāo)，保護(hù)城市供水系統(tǒng)金屬管路不受腐蝕，保障居民飲用的衛(wèi)生安全。

3.4 我國發(fā)展海水淡化技術(shù)面臨的問題

一是高效熱蒸汽壓縮技術(shù)研究和應(yīng)用是降低制水能耗的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。MED蒸餾裝置與熱蒸汽壓縮技術(shù)相結(jié)合，利用蒸汽熱壓縮裝置來進(jìn)一步提高淡化裝置的整體熱效率，可以實(shí)現(xiàn)更好的能耗指標(biāo)。法國SIDEM公司與其國家空氣動力工程研究院（ONERA）合作開發(fā)了“超音速汽流的控制技術(shù)”。正是由于這項(xiàng)研究成果應(yīng)用于MED海水淡化系統(tǒng)上，才使SIDEM公司在國際市場上保持了領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢。國內(nèi)“十五”期間對高效蒸汽熱壓縮裝置也進(jìn)行了廣泛研究，并在MED示范裝置得到示范應(yīng)用，但總的來說技術(shù)上還不夠完善，處理負(fù)荷上還有待進(jìn)一步提高。

二是后處理工藝影響產(chǎn)品水的品質(zhì)和成本。一般來講,不論是蒸餾法還是反滲透法所產(chǎn)淡化水，均具有礦物質(zhì)含量少、輕微腐蝕性和偏酸性（pH值為6.5～7.5）的特點(diǎn)。反滲透能夠去除海水中99%的離子，但是對硼的去除率為80%左右。這主要是由于硼酸的分子直徑小于反滲透膜的膜孔徑，很容易通過反滲透膜進(jìn)入產(chǎn)水，導(dǎo)致硼的去除率很低。采用海水膜技術(shù)脫硼雖然去除率高，但是成本高，研究低成本、環(huán)保的脫硼技術(shù)是當(dāng)前需要攻克的難題。

三是濃鹽水排放工藝需考慮環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)效益。無論采用熱法還是膜法進(jìn)行海水淡化，均不可避免的會產(chǎn)生濃鹽水。目前濃鹽水一般是不經(jīng)處理直接排回大海，這些濃鹽水會對海洋環(huán)境造成一定的影響。富查伊拉II（Fujairah II）海水淡化廠東臨印度洋，海水流速較快，接觸范圍較廣，其采取的處理方式是直排入海。但是對于環(huán)渤海地區(qū)，由于屬于內(nèi)海，海水流速慢，接觸范圍較小，直接排放將對該地區(qū)海水環(huán)境造成嚴(yán)重影響，因此，實(shí)現(xiàn)海水淡化規(guī)?；雎吩谟谧啕}化工路線。

4 海水淡化技術(shù)的發(fā)展趨勢

海水淡化在國外應(yīng)用廣泛，目前全球共建有14000多個(gè)海水淡化廠，合計(jì)日產(chǎn)水量約6000萬m3，是非常成熟、穩(wěn)定的技術(shù)，海水淡化廠遍布全球150多個(gè)國家，在中東等缺水地區(qū)，淡化海水已成為主要水源。淡化海水一般是通過自來水系統(tǒng)供應(yīng)，飲用淡化海水的人們已經(jīng)接受了非常規(guī)水可飲用的事實(shí)，將其視為一件極為平常的事，并未擔(dān)心健康問題。北京市如果將淡化海水作為未來的水資源保障戰(zhàn)略，需要從現(xiàn)在開始普及海水淡化技術(shù)的知識，介紹已經(jīng)飲用地區(qū)的生活與健康狀態(tài)，使居民不懼怕飲用淡化海水。

1 李皞, 龍瀟, 劉克成. 淺談海水淡化濃鹽水的影響及利用. 應(yīng)用能源技術(shù). 2012(1).

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.006

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1672-2469(2014)09-0018-04

蔣奇（1982年—），男，工程師。