第 五 期
青島水務集團有限公司科技中心
淡化海水專刊
1、海水淡化用于飲用水的現狀探討
前言
目前，世界上許多地區(qū)面臨著淡水資源短缺問題，我國也不例外，人均淡水 擁有量僅為世界平均水平的1／4。世界上常用的淡水來源除河流外，主要有地下水、遠程調水和海水(苦咸水)淡化三種。其中，海水淡化作為水資源供給的一種重要途徑得到廣泛認可。
一、國內外海水淡化現狀
據國際脫鹽協會統(tǒng)計，近5年海水淡化合同容量超過 0.2×10m3/d，接近過去30年的總和，預計未來10年還將在此基礎上翻一番。截至2009年，全世界淡化水產量已經突破5.9×107m3/d，其中80％用作飲用水，解決了近2億人的生活用水問題[1]。淡化廠 的規(guī)模也在不斷增大，沙特Shuaiba海水淡化廠的設計規(guī)模已達88×104m3/d?！逗Ｋ脤ｍ椧?guī)劃》指出，到2020年我國海水淡化能力要達到 (250～300)×104m3/d。
海水淡化水主要用于沿海電力、化工等企業(yè)的鍋爐、生產工藝用水及沿海城市和海島居民飲用水 [2]。 大規(guī)模海水淡化項目的建成投產 ，使淡化水進入城市市政供水系統(tǒng)成為可能。 淡化水作為市政用水和居民飲用水尚有許多問題需要探討，淡化水的安全性及水質指標，已成為人們普遍關注的熱點問題。
二、海水淡化產品水的水質
2.1影響淡化產品水水質的因素
世界上海水淡化技術雖然很多，但達到商業(yè)規(guī)模的主要有蒸餾法和反滲透法。蒸餾法是將原水加熱汽化，再使蒸汽冷凝而得淡化水，其影響產品水水質的因素主要包括原水取水、預處理、設備腐蝕等。原水如果取自含有厭氧生物的地下含水層或水源中直接含有硫化氫，則會還原水中的硫酸鹽產生單質硫，單質硫容易進入產品水，對水的色、味產生不良影響。預處理過程需要加入阻垢劑、消泡劑、殺生劑等化學藥劑，若使用不當會對產品水水質產生影響。蒸餾法海水淡化設備有些部件的腐蝕會直接造成腐蝕產物進入產品水，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。
反滲透海水淡化是一種壓力驅動的膜分離過程，影響其產品水水質的因素主要有預處理和特殊化學物質。預處理首先是去除懸浮固體和濁度，預處理過程不當會損壞反滲透膜組件從而影響產品水的水質。反滲透膜對一些特殊的化學物質不能完全截留，如對分子態(tài)二氧化碳和硼的去除率不高。
2.2淡化水水質指標分析
蒸餾法海水淡化由于采用蒸汽加熱冷凝工藝得到淡水，因此生產的淡水純度很高，含鹽量通常為5～10mg/L；產品水中不含細菌和有害元素，是優(yōu)質純凈水。對大港電廠的2×3000m3/d多級閃蒸淡化裝置和國華滄東電廠的2×10000m3/d低溫多效淡化裝置產品水的106項指標的全面檢測結果表明，其各項指標均符合國家飲用水標準，其中TDS<10mg/L，遠低于l000mg/L的標準。
反滲透淡化由于反滲透膜的脫鹽率可達99.3％，并且反滲透膜能夠截留糖類、氨基酸、細菌、病毒等物質，因此其產品水安全可靠，水質純凈，TDS僅為20～500m/L。嵊泗縣的1000m3/d反滲透海水淡化裝置和天津科委的1000m3/d反滲透海水淡化裝置產品水部分指標檢測結果見表1，其中嵊泗縣海水淡化裝置產水的硼含量達到0.72mg/L，超過國家標準；天津科委海水淡化試驗裝置產品水硼含量平均達到0.46mg/L，低于國家標準，產水中硼含量的差異主要與原水水質、制水工藝等因素有關。
表1. 海水淡化產品水部分水質指標檢測結果
2.3與國內外飲用水標準主要指標的比較
從蒸餾法、反滲透法海水淡化產品水與國內外飲用水標準(GB 5749-2006、世衛(wèi)組織飲用水準則、歐盟飲用水水質指令[2]及EPA 822-R-04-005)的比較可以看出，淡化產品水除硼外，其他指標均達到國內外生活飲用水標準指標限值，其中熱法淡化產水含鹽量等指標要低于反滲透淡化產水。
對于海水淡化產品水水質標準，目前還沒有現有的明確的建議和標準。典型的反滲透法海水淡化后處理主要涉及到pH值調節(jié)，再次減小礦化度，消毒和脫硼。最低限度地處理應該達到或超過飲用水標準。下表顯示的是美國加州市政水中心海水淡化系統(tǒng)的后處理水質目標。
經典的膜法海水淡化水后處理總結如下：
再次減小水質礦化度和調節(jié)pH值：在并網進入市政飲用水之前，為再次減小礦化度，先注加二氧化碳，然后撒石灰；pH值調節(jié)到6.8-8.1之間，以達到飲用水說明指標。
消毒：采用紫外輻射殺死產水中的細菌和有機生物體。
消毒副產品處理：包含有溴離子和碘離子
硼的脫除：在后處理中硼的脫除比較昂貴，把濃度去除接近零濃度。選用硼離子交換樹脂是最適宜的去除方法之一，該方法不受溫度，pH值和鹽度的影響。
最新的海水淡化中，RO膜能有效脫除硼離子92%-94%。
高的pH值條件能提高硼離子的脫除率，當pH值小于9.5時，硼離子的脫除率大約為50%，而當pH值到10.5時，硼離子的脫除率為100%。
當pH值小于9.5時，聚酰胺類膜顯示了較好的硼離子的脫除率[10]。
表2. 美國加州市政水中心海水淡化系統(tǒng)的后處理水質目標
2.4淡化產品水水質特性
一般來講，不論是蒸餾法還是反滲透法所產淡化水，均具有礦物質含量少、輕微腐蝕性和偏酸性(pH值為6.5～7.5)的特點。
海水淡化產品水具有輕微腐蝕性，如不處理，傾向于溶解接觸到的金屬以達到自身的穩(wěn)定，容易造成管道和設備腐蝕。淡化水中的鈣、鎂離子濃度較低，蒸餾法產品水中的鈣、鎂含量更低，其含量幾乎接近于零。確定淡化水的化學穩(wěn)定性控制指標為 pH、堿度、Langelier飽和指數和Ryznar指數[8]。
三、淡化水的后處理方法
淡化水是軟水，硬度、堿度、pH都較低，基本不具有緩沖能力，有溶解管道內壁的保護性垢層的傾向。我國給水管網多為鑄鐵管和鋼管，進入管網前需對淡化水進行水質穩(wěn)定處理，以控制水的腐蝕性，使之與管網兼容。不過，腐蝕性并非淡化水所獨有，由于給水腐蝕管網而導致供水水質污染，色度、鐵含量增加的現象在自來水中也較常見。
對淡化水的進一步處理通常稱之為海水淡化后處理。國外的研究認為：經過處理后的淡化水水質，當堿度>80 mg/L、80 mg/L<Ca2+<120 mg/L、3 mg/L<CCPP<10 mg/L、pH<8.5、Larson比例>5時，能夠保證管網不受腐蝕，滿足進入市政管網的要求。
通常的后處理包括下列過程：
①礦化。
穩(wěn)定淡化水水質可以通過調節(jié)pH和提高堿度、硬度達到，淡化中稱此為再礦化。再礦化可增加水的緩沖能力，改善碳酸鹽平衡，增大保護性碳酸鈣垢層在管道內壁沉積和壓縮的傾向，有效降低水的腐蝕性，減小鐵等金屬離子的釋放，達到穩(wěn)定水質的目的。堿度和硬度一般至少都要控制在40mg/L (以碳酸鈣計) 以上。
再礦化有四種方法,具體如下：
a.與其他源水摻混將淡化水與富含礦物質的源水混合，增加水中礦物質含量。 淡化水與來自石灰石或白堊紀地質區(qū)的水源進行摻混最佳。水源在摻混前應經過消毒和預處理。當海水作為摻混水源時，由于海水中溴化物的存在，可能會在淡化水中引入有機鹵素消毒副產物(DBPs)和溴酸鹽，而且考慮到終水的味道，摻混量至多只能達1％，此時鈣增加4～5mg/L，鎂增加12～17mg/L。摻混效果與源水關系密切，一般僅能滿足終水部分水質要求，還需與其他方法相結合。摻混常用于熱法淡化和苦咸水淡化。
b.投加化學藥劑
直接投加所需化學藥劑，以達到穩(wěn)定水質的目的。常用的化學添加劑主要有 NaOH、NaHCO3、Na2CO3、CaO、CaC12等部分反應方程式如下：
Ca(OH)2+Na2CO3= CaCO3+2NaOH
CaC12+2NaHCO3=Ca(HCO3)2+2NaC1
CaC12+2Na2CO3+H2O=Ca(HCO3)2+2NaC1
c.石灰法
通常在輔助通人CO2的情況下，向淡化水中加石灰(生石灰或熟石灰)進行水質穩(wěn)定。反應方程式：Ca(OH)2 +2CO2 = Ca(HCO3)2。
d.石灰石溶解法
輔以二氧化碳 (也有用強酸，如硫酸)，將淡化水送入裝有石灰石的反應器，可增加水的堿度和硬度，同時提高pH值。反應方程式為：
CaCO + CO2+ H2O = Ca(HCO3)2；
2CaCO3 + H2SO4 = Ca(HCO3)2 + CaSO4。
目前大型海水淡化工程淡化水的后處理，最常用的再礦化方法是石灰法或石灰石溶解法。
②防腐蝕?？商砑恿姿猁}、硅酸鹽、碳酸鹽等控制水質腐蝕指數或給管道或蓄水池涂敷涂層和保護材料。
水質化學穩(wěn)定性主要表現在腐蝕性和結垢性兩方面。當水中碳酸鈣含量超過其飽和值時,會引起碳酸鈣沉淀結垢,輕微的結垢可以在管路內壁形成一定的保護膜,使金屬表面不與水中的溶解氧直接接觸,從而抑制電化學腐蝕。相反,當水中碳酸鈣含量低于飽和值時,已經沉淀的碳酸鈣能重新溶解于水,加速管路腐蝕。管路的腐蝕可能會引發(fā)“紅水”問題,并增加鉛和鎘等重金屬元素析出的風險,影響供水水質,危害飲用者健康[9]。
③消毒。與自來水消毒類似，通常使用各種形式的氯(次氯酸鈉、氯氣)對產品水進行消毒，其他的消毒劑(臭氧、紫外線殺菌、二氧化氯或氯胺)可作為二級消毒劑；當后處理攙混了其他水源水時，消毒應該調節(jié)到與用于混合的進料水中微生物濃度相當的水平。
④強化脫出特定化學成分。在脫鹽過程中硼、硅等物質有可能進入產品水，根據化合物情況，針對性的處理技術可包括離子交換、活性炭粒過濾、多級／多類型膜法處理或幾種技術相結合。
一般情況下后處理過程只采取上述一種或幾種措施就能滿足要求。例如，與原水混合或添加必要的礦物質(如鈣、鎂)能同時穩(wěn)定產品水水質并保護供水系統(tǒng)免于腐蝕。再如，通常添加次氯酸鈣是為了殺菌消毒，同時也能增加一些礦物質鈣。通常淡化廠的產品水與原水混合并加入次氯酸鈣消毒后，可達到衛(wèi)生安全和管網防腐蝕的目的。
四、海水淡化存在問題及解決方法
進管網前亟待解決的問題是海水淡化水作為飲用水的安全性和對市政供水管網的影響，只有針對這兩個問題對海水淡化水進行適當的后處理，才能有的放矢，保證與管網良好地兼容。蒸餾法海水淡化產品水的硬度、氟化物和硼三項水質指標含量都很低，反滲透法海水淡化產品水的硬度、氟化物含量較低，硼含量較高。
① 硬度
世界上有些國家和地區(qū)研究認為，鈣、鎂的最低限值分別應為20～30mg/L 和10mg/L。另外，飲用水硬度過高 (>400～500mg/L，以碳酸鈣計)的水會增加患膽囊炎、結石和關節(jié)等方面疾病的幾率。近年來，隨著我國地下水位的下降，某些地區(qū)地下水總硬度呈上升趨勢。海水淡化水如果用于飲用，宜適當增加硬度。增加硬度有多種途徑，最簡單的是條件允許時與當地硬度偏高的水摻混，在增加淡化水硬度的同時適當降低當地水的硬度。
② 氟化物
WHO研究表明，氟含量過低會增加患齲齒病的幾率，WHO規(guī)定飲用水中氟的下限為0.5mg/L，當氟的濃度為0.9～1.2mg/L則可能引起中度牙齒氟中毒。 WHO和歐盟規(guī)定氟含量的上限值為1.5mg/L。中國《生活飲用水衛(wèi)生標準》沒有給出下限值，只規(guī)定氟的上限值為1.0mg/L。對中國主要城市的自來水氟含量調查顯示，其中75％的氟含量<0.3mg/L, 15％的為0.3-0.5mg/L，這說明我國很多城市的自來水氟含量偏低。在無特殊要求時，海水淡化水用于飲用時可適當增加氟含量，與當地自來水情況持平。
③ 硼
中國和WHO對飲用水中硼的限值均規(guī)定為0.5mg/L，歐盟和日本為1.0mg/L。以色列以種植柑橘為主，因而對硼含量要求較嚴格，規(guī)定反滲透海水淡化產水的硼含量最高為0.4mg/L。目前除硼的方法有絮凝、氧化物吸附、陰離子交換樹脂、萃取、二級反滲透、硼選擇性樹脂、開發(fā)高脫硼海水膜等。其中，前四種比較適用于去除硼濃度較高的溶液，后三種適用于硼含量較低的溶液。
最近，美國環(huán)保署(EPA)發(fā)布《飲用水健康指導：硼》，提出硼的成人終生健康指導值為5mg/L，WHO也有可能將硼的限值提高到2.4mg/L。因此，如果海水淡化水不作灌溉用，可能不再需要除硼，但這還有賴于相關標準的修改和完善[4]。
4.2海水淡化濃水排放鹽度的影響
鹽度是海洋環(huán)境中最重要的生態(tài)因子之一，每種生物各有其適宜生長鹽度 要求，當環(huán)境鹽度超過該范圍時，生物體的生長、發(fā)育、生殖、行為和分布都會受到影響。反滲透海水淡化排放的高鹽廢水鹽度是自然海水的兩倍；而蒸餾法淡化海水時，濃鹽水與冷卻海水混合后排放，其排放的高鹽廢水鹽度較普通海水約高10～15%。海水淡化廠排放的高鹽廢水對海洋生態(tài)的潛在威脅，濃鹽水的排放使一些經濟水產種類產量減少，給漁業(yè)資源和海洋經濟帶來損失。不同地域環(huán)境對海水淡化廠排放水的敏感程度不同，且潮流、海流和水團等水文因素以及海水淡化廠的日處理量和規(guī)模等因子決定了排放的高鹽廢水對海域生態(tài)影響的程度。
為減少排放的高鹽廢水對出水口附近海域的影響，提出了海水淡化工程合 理規(guī)劃和布局的可行措施，要選擇水體交換良好的海域作為海水淡化工程所在地，對排水口要進行因地制宜地設計，做好高鹽廢水的再利用工作，以最大限度 地減少排放的高鹽廢水對海區(qū)環(huán)境的負面影響[3]。
4.3海水淡化廢棄物的影響
據《2006年中國海洋環(huán)境質量公報》顯示,渤海灣水體為重度污染,尤其是鉛、汞、砷等重金屬嚴重超標。 海水淡化、制鹽和鹽化工產品提取生產過程中產生的固體廢棄物含有大量重金屬, 目前固廢物主要用作圍海造陸的吹填土。這將對近海海域造成很大的污染。同時, 海水中過量重金屬除直接對海洋生物造成毒害外, 還由生物體富集和食物鏈傳遞, 通過海產品進入人體并造成危害。
4.4海水淡化排放廢水水溫的影響
利用電廠余熱進行淡化、制鹽及鹽化工產品的提取,具有很高的經濟價值,但廢海水中的熱能會使局部海域水溫升高, 導致某些浮游生物急劇繁殖和高度密集, 從而產生赤潮, 造成海洋生物大量死亡。海水水溫的升高還會使海水中溶解氧的含量降低,影響生物的新陳代謝,甚至使生物群落發(fā)生改變,破壞海洋生物的棲息環(huán)境[7]。
4.5石油類污染物對海水淡化的影響
石油類污染物是我國渤海和東海近海海域主要污染因子之一。石油類污染物的主要成分是脂肪烴、芳香烴和一些含硫含氮雜環(huán)化合物等物質,分子量一般在100~300Da,此類物質在水中的毒性比天然有機物大。大部分脂肪烴在劑量較高時是神經毒素。芳香烴中的苯可以引起白血病,苯并芘可以導致皮膚癌等疾病。硫化物中的硫化氫是劇毒性物質并有惡臭。在SWRO系統(tǒng)中,分子量較小石油類污染物質能透過RO膜進入淡化水中。在蒸餾法海水淡化系統(tǒng)中,沸點比水低的物質將和淡水一同被蒸餾出。因此,對于石油類污染物含量較高的海水原水,通常需要進行預處理,如采用活性炭吸附等方法[9]。
五、淡化水用途分析及應用實例
5.1淡化水用途分析
海水淡化水具有潔凈、高純度和供給穩(wěn)定的特點，是安全可靠的高品位水源。淡化產品水首先可進入自來水管網，作為城鎮(zhèn)居民生產、生活的重要水源，也可作為海島、船舶、海上平臺等主要水源；其次淡化產品水可作為企業(yè)生產和生活用水，也可作為以發(fā)電等鍋爐補水為代表的工業(yè)用高純水和工藝用水。
表3. 海灣國家已建成的脫鹽裝置人均水量
在海灣國家，由于傳統(tǒng)的水資源幾近枯竭，海水淡化發(fā)展已有較長歷史，并取得了成功經驗。在過去的25年里，海灣國家已投入約400億美元用于海水淡化廠和配套供水管網的建設。在經歷了20世紀80年代后期和90年代中期兩個平臺期后，2003年總裝機容量已達到約0.15×108m3/d，淡化水在海灣國家水資源結構中占據重要份額。沙特阿拉伯是世界淡化水產量最大的國家，2000年約為10×108m3/a，占總水量的40％。阿聯酋通過加快發(fā)展大型淡化裝置以滿足不斷增長的城市用水需要，已成為世界上人均淡化水擁有量最多的國家。而卡塔爾和科威特幾乎全部用淡化水作為飲用水。所有的海灣國家都制定政策，用海水淡化水作為市政和工業(yè)部門供水，其中2000年約930×104m3/a用于市政部門，占其產量的84％，專供大型工廠使用份額占12％，具體見下表和下圖。
表4. 海灣國家1990年和2000年淡化水供應情況
圖1. 海灣國家淡化水使用情況
在以色列，自20世紀60年代起就致力于海水淡化技術的研究，目前已擁有先進的海水淡化技術和設備，淡化水在供水結構中所占份額不斷增大。由于以色列南部及半干旱地區(qū)水資源短缺，需要建立集中水輸送系統(tǒng)，由北方的水源地集中輸送。因此以色列幾乎所有水資源都相互連接，然后進入國家管網。
表5. 以色列1998年-2020年供水情況及預測
5.2淡化水應用實例
①新加坡新泉海水淡化工程
新加坡的新泉海水淡化廠是第一個公用事業(yè)與私營企業(yè)的合作項目，是新加坡乃至亞洲目前最大的淡化項目。新泉海水淡化廠可供應136380 m3/d淡化海水，能夠滿足國內10％的用水需求。所生產的淡化水由輸水管引入最近的公用事業(yè)局儲水池，按1：2的比例與普通淡水混合，直接進入城市供水，輸送給西部居民飲用。
②摩洛哥Laayoune的7000m3/d海水淡化工程
Laayoune的7000 m3/d反滲透海水淡化工程，將產品水與地下水(含鹽量為1600mg/L，規(guī)模為5616m3/d)混合后輸送到供水管網，同時采用NaOH調節(jié)pH以減小對輸送管路的腐蝕，最后用氯進行消毒，達到了12600m3/d的飲用水供應量。
③西班牙巴塞羅那的20×104m3/d海水淡化工程
巴塞羅那在建的20×104m3／d反滲透海水淡化工程預計于2009年建成，將成為歐洲最大的海水淡化廠。其反滲透淡化水經過礦化和氯化處理后泵送到11km外弗恩桑塔的各大主要儲水池，直接進入巴塞羅那的飲用水管網。工程建成后將為巴塞羅那地區(qū)100多個市的450萬居民提供飲用水，滿足約15％～20％的飲用水需求。
④澳大利亞黃金海岸的125000m3/d海水淡化工程
該工程為澳大利亞昆士蘭州東南地區(qū)供水，其供水量達到了該地區(qū)總供水量的20％。為提高淡化水的品質，首先在二級反滲透前提高pH值到10.2左右以提高硼的脫除率，然后通過添加熟石灰和二氧化碳進行礦化實現水質的穩(wěn)定，最后采用次氯酸鈉進行消毒進入城市供水系統(tǒng)。
⑤國內海水淡化水作為飲用水的工程實例
我國淡化水作為飲用水，大多數是在海島地區(qū)。大連長?？h大長山島的1000 m3/d反滲透海水淡化裝置于1999年建成并投入運行，淡化水含鹽量為220～370 mg/L，淡化水利用重力流入自來水廠凈水池內，進入該地區(qū)的供水系統(tǒng)。浙江省嵊泗海島從1997年開始建立反滲透海水淡化系統(tǒng)，目前海水淡化水已經進入該地區(qū)的供水系統(tǒng)，成為島嶼居民重要的生活飲用水來源之一。2006年3月國華滄東電廠利用引進的2×10000m3/d低溫多效海水淡化設備投產，除供電廠發(fā)電機組用水外，還處理成符合國家標準的飲用水，通過管道輸送到居民區(qū)，供居民飲用?，F在國華滄電公司職工駐地的10棟共5×104m2住宅樓所需的200m3/d的淡水全部改用海水淡化水。
浙江省某城鎮(zhèn)地處海島，采用海水淡化技術，日供水量為幾千噸，出廠水質優(yōu)于國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》，特別是在供水中產生消毒副產物的有機物和“三致 ”物質 (如砷、氟化物硝酸鹽、氰化物等 )的濃度極低 ,可以作為優(yōu)質的市政供水水源。工藝流程如下圖，
圖2. 海水淡化廠處理工藝流程
2007年水質變差，除發(fā)黃、發(fā)黑外，還有許多絮體。究其原因是海水淡化廠出廠水質腐蝕性較強，水的穩(wěn)定指數 =11.7(出廠水溫以22-27、pH以7.2計)，淡化水屬于極嚴重腐蝕類型(穩(wěn)定指數>9.0)；供水管的材質差，采用的鍍鋅管、鑄鐵管中鐵溶出，水泥管中水泥砂漿(一些以硅酸鹽為主的堿性成分)遭到腐蝕破壞；間斷性供水使沉淀于管壁的鐵質等雜質浮起，隨水流流出取水龍頭；二氧化氯投量較高，使金屬材質表面的氧化保護膜產生破壞，另外也使管網中溶解態(tài)的低價鐵發(fā)生氧化反應，形成高價位的鐵而沉淀。當水力狀態(tài)發(fā)生比較大的波動時，這些沉淀物就會形成黃水。
最終解決方法為：通過用PE管代替鍍鋅管、水泥管及鑄鐵管；采取一些適當的措施提高總硬度、總堿度及pH；反滲透出水后直接投加熟石灰水，減小中和過濾器中石灰石濾料粒徑，使顆粒與水接觸面積增加，或適當增加Na2CO3投量，從而提高pH至8.0左右；適當減少二氧化氯投量；盡量采用連續(xù)供水方式[6]。
⑥海水淡化產品水作為純凈水的實例
天津大港電廠引進的2×3000 m3/d多級閃蒸海水淡化裝置，是我國最早建成的蒸餾法工業(yè)化海水淡化設備，其產品水主要作為鍋爐補充水，該廠還用于生產飲用瓶裝純凈水，并進入市場銷售。
青島黃島電廠與淡化所合作完成的3000m3/d低溫多效海水淡化示范工程，其產品水水質優(yōu)于國家飲用水衛(wèi)生標準。除作為電廠鍋爐補水外，還用于生產純凈水，產品除供職工自己飲用外還對外銷售。
⑦反滲透海水淡化飲水裝置的研究實例
由軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所于2008年研制的反滲透海水淡化機，包括預過濾單元、RO脫鹽單元及終端消毒單元。在累計運行100h內，該裝置運行穩(wěn)定，脫鹽率大于95.3%，產水流量大于22L/h。RO淡化機對色度、濁度和微生物都有較好的去除效果，去除率可達99%，產水的pH值、TDS及總硬度等指標都符合國家生活飲用水衛(wèi)生標準，適用于遠離陸地的海島及小型艦船應急使用[5]。
六、結語
在世界范圍內，海水淡化產品水作為飲用水的歷史雖然不長，但正在呈逐年遞增的趨勢，淡化水已成為缺水國家生活、生產用水的一個重要組成部分，海水淡化產品水作為飲用水已經得到普遍認可和接受。我國海水淡化尚未進入城市供水系統(tǒng)，作為飲用水還大多用于缺水海島地區(qū)，其他大多為電廠鍋爐補水。
海水淡化的生產工藝決定了其產品水含鹽量少，品質優(yōu)于一般自來水，其產品水可作為優(yōu)質的飲用水和生產用水滿足沿海城鎮(zhèn)需要。對影響海水淡化產品水品質的各個因素，都可采取適宜的措施加以處理和控制，保證產品水的水質。
為了保護市政供水管網和飲用水的安全，通過設計合理的后處理工藝，進一步提高了淡化水的品質，使其完全符合市政用水各項指標。海水淡化是新興產業(yè), 相關法律法規(guī)尚未制訂。應盡快制訂相關標準, 特別是在海水淡化、制鹽和鹽化工產品提取生產過程中三廢的排放標準。根據地區(qū)的水資源需求量, 結合陸域淡水資源分布情況, 合理安排區(qū)域海水淡化工程布局。結合國家 863 計劃,盡快組織有關專家開展針對海水淡化過程中三廢治理問題的技術研發(fā)工作,針對不同 廢棄物采取科學、合理的治理措施。 研究并推廣對生態(tài)環(huán)境影響最小的添加劑,
采用循環(huán)經濟的方式進行海水淡化中的濃鹽水綜合利用, 開展海水利用規(guī)劃工程環(huán)境影響評價研究。對于治理三廢過程中產生的費用, 可將環(huán)境污染治理費用按比例分攤至海水淡化及海水綜合利用的各生產環(huán)節(jié)中。
國內外海水淡化產品水應用的實例說明，海水淡化產品水生產工藝越來越成熟，后處理方法不斷完善，經過簡單處理的淡化產品水已成為缺水國家尤其是海灣國家市政用水的一個重要組成部分，除滿足生活飲用的需求外，還可像普通自來水一樣，應用于各個用水領域。在我國，隨著海水淡化項目不斷發(fā)展和淡化廠規(guī)模的大型化，其進入城市供水系統(tǒng)也將成為必然。
參考文獻：
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2、技術升級助海水淡化產業(yè)快速發(fā)展
技術的創(chuàng)新和升級是推動產業(yè)發(fā)展的有效“武器”。近年來，我國在海水淡化技術創(chuàng)新與實踐過程中取得了實質性的突破，從過去的引進關鍵設備、集成共性技術，發(fā)展成為擁有多項核心技術、能夠自主生產關鍵設備的國家。但在關鍵技術與設備方面，我國與國際先進水平還是存在明顯的差距，在技術創(chuàng)新與應用方面有很大的提升空間。
兩大主流技術提升 促進成本降低
“十一五”期間，反滲透和低溫多效蒸餾兩大主流海水淡化技術得到較快發(fā)展，隨著海水淡化關鍵技術的不斷創(chuàng)新與升級，成本不斷降低，從而拓展海水淡化市場空間，推動海水淡化產業(yè)快速發(fā)展。
反滲透技術目前應用的較為廣泛，我國已先后建成了日產百噸級、千噸級和萬噸級反滲透海水淡化示范工程。曹妃甸海水淡化項目、溫州洞頭縣鹿西鄉(xiāng)海水淡化工程以及浙江舟山群島新區(qū)海水淡化工程等都是采用反滲透技術。據了解，舟山市普陀區(qū)六橫鎮(zhèn)過去從臨近鎮(zhèn)運淡水，每噸成本超過10元，而舟山反滲透海水淡化工程每噸海水淡化處理的成本在5元左右，并有望進一步下降。
低溫多效蒸餾技術主要應用于需提供鍋爐補給水和工藝純水，且有蒸汽或余熱可利用的電力、石化、鋼鐵等企業(yè)，國華滄東電廠海水淡化工程和國投北疆電廠海水淡化工程都是采用該技術。據了解，國華滄電走國產化和技術創(chuàng)新之路，并通過“電水聯產”和優(yōu)化運行方式，著力降低淡化水成本，滄電的海水淡化成本已降低至5.45元，售價達到5.95元。
海水淡化新工藝和新技術蓬勃發(fā)展
近年來，超濾膜－反滲透膜耦合、蒸餾法－反滲透膜法耦合等多種耦合工藝技術應用日益普遍，濃海水綜合利用工藝也備受關注，曹妃甸海水淡化項目就是采用了超濾膜與反滲透膜耦合工藝，以提高出水水質和增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時，采用管道將濃鹽水輸送至三友化工直接用于鹽化工生產，以提高海水淡化綜合效益并減少濃海水直接排放。
另外，利用太陽能、風能等新能源海水淡化技術發(fā)展迅速?！?/span>海水淡化產業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》也指出，要堅持海水淡化與資源綜合利用相結合，加大余熱余壓蒸汽和可再生能源及核能在海水淡化中的利用，優(yōu)化海水淡化工藝、合理利用熱膜耦合和電水聯產等工藝。河北省專家獻策服務團顧問組副組長、資深水利專家魏智敏表示，海水淡化用電量較大，如果能用太陽能、風能等自然能發(fā)電，淡化海水的價格就會降到3~5元/立方米，接近南水北調的水價，提高淡化海水的利用空間。此外，膜蒸餾、正滲透等海水淡化新技術也是各國科學家研究的熱點。
3、麻省研究員開發(fā)出海水淡化新方法
美國麻省理工學院網站發(fā)布文章稱，該校研究人員借助石墨烯開發(fā)出了一種海水淡化的新方法。該方法簡單有效，在成本上也遠低于現有的其他技術，讓人們在海水淡化上又多了一種選擇。相關論文最新一期的《納米快報》雜志上。
在世界上許多地方，淡水的供應正在日趨減少，隨著人口的增長，這一問題還將持續(xù)嚴峻。因此，有不少人都將目光轉向了幾乎是無限供應的海水，各種海水淡化技術也應運而生，但到目前為止，它們還都過于昂貴，無法大范圍、低成本推廣。
領導該項目的麻省理工學院材料科學與工程學院副教授杰弗里?格羅斯曼說，許多人都在關注海水淡化技術，并做出不少成績，但從材料科學角度研究脫鹽的卻并不是很多。
新研究中格羅斯曼和研究生大衛(wèi)?科恩?達努奇通過精確控制多孔石墨烯的孔徑并向其中添加其他材料的方法，改變石墨烯小孔邊緣的性質，使其能夠排斥或吸引水分子。這樣這種特制的石墨烯就如同篩子一樣能快速地濾掉海水中的鹽，而只留下水分子。新工藝的關鍵是非常精確地控制石墨烯孔洞的大小。研究人員稱，最理想的大小是1納米，不能太大也不能太小，如果太大了鹽便會和水分子一起通過篩子，起不到過濾的作用；如果太小水分子就無法通過這些小孔。計算機模擬結果顯示，這種石墨烯篩子的性能非常優(yōu)秀，能夠快速地完成海水淡化過程。
科恩?達努奇說，此前也有不少研究小組開發(fā)過類似的石墨烯篩子，但在尺寸和用途上區(qū)別很大。例如，用多孔石墨烯來過濾DNA（脫氧核糖核酸）或分離不同類型的氣體等。但在這些研究中對石墨烯孔洞的精度要求較低，技術較為簡單，無法適用于海水淡化。
目前海水脫鹽最常用的是反滲透技術。其工作原理是用一種特制的膜來過濾海水中的鹽。但由于這些薄膜上的小孔極為致密（比新技術中所采用的多孔石墨烯密1000倍），需要非常大的壓力迫使海水通過薄膜，因此，在淡化海水的同時還需要消耗不少的能源。相比之下，在相同的壓力下，新技術在過濾速度上可比反滲透薄膜技術快數百倍，或者它能在同樣過濾速度下，節(jié)約更多的能源。
研究人員稱，目前他們正通過計算機對整個過程進行最后的模擬和調試，以確定其最佳參數。今年夏天首批采用該技術的石墨烯濾網原型就將問世。
格羅斯曼說，由于石墨烯的原材料廉價且易于獲取，這使該技術在成本上具備了天然優(yōu)勢。另外，它又是已知最硬的材料，與目前所使用的反滲透膜相比更結實耐用。
哈佛大學化學系副教授約書亞?施耐爾說，先前就有人開發(fā)出了類似的多孔石墨烯結構，但卻沒有人將其與海水淡化結合起來。新技術為海水淡化提供了一個可供選擇的新方法。
【名詞解釋】
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
4、海水淡化廢水利用途徑
海水通過淡化生成淡水供人飲用，這在舟山早已不是新鮮事，而用海水淡化后的濃縮水成規(guī)模制鹽，在全省則尚無先例。日前，記者從岱山縣鹽業(yè)局獲悉，浙江省首個海水淡化濃縮水制鹽技術開發(fā)與示范工程在該縣正式開工。按照設計，岱山綠源海水淡化有限公司將對海水淡化剩下的濃縮水進行一定處理，然后通過輸鹵管道輸送到茶前山鹽場進行曬鹽。工程計劃于5月底完工。
沉淀、過濾、加藥、反滲透、消毒……在位于岱山縣浪激渚的綠源公司廠區(qū)里，工作人員正按照程序有條不紊地進行海水淡化?！昂＠镉贮S又咸的海水通過這個廠區(qū)就會變成甘甜的自來水了?！本G源公司負責人告訴記者，這里的海水淡化采用的是反滲透技術，日生產淡化水能力達到5000噸。
但是海水淡化的過程中也會產生相應的廢水。該負責人介紹道，采用反滲透技術進行海水淡化產生的廢水被稱為海水淡化濃縮水，公司正常運作時日產濃縮水為4000立方米～5000立方米。“這些濃縮水對海水淡化廠來說是廢水，但直接排入大海會對海洋生態(tài)環(huán)境造成一定的影響，因而需要花錢花精力去處理。不過對鹽民來說它們可就是寶貝了。”岱山縣鹽業(yè)局副局長余國定說。在他看來，用海水淡化濃縮水來制鹽，鹽產量可得到大幅提升，鹽產品質量也將得到極大保證，對傳統(tǒng)的制鹽業(yè)來說，這無異于一場技術革命。
據了解，傳統(tǒng)曬鹽從鹵水到制鹽大致分7個階段，提鹵、提溴、儲鹵、蒸發(fā)、結晶、撈鹽和集坨，整個生產周期需要一個多月?！澳壳胞}民制鹽的原料為濃度1.7波美度的普通海水，而海水淡化濃縮水的濃度在3.8波美度。用濃縮水代替普通海水，濃度高了一倍多，不但可以減輕鹽民勞動強度、縮短曬鹽周期，而且理論上計算，畝產也將增加50%以上。這還不算縮短曬鹽時間所帶來的增效。”幾個月后將要“接收”海水淡化濃縮水的茶前山鹽場場長劉和琪對此很是期待。
劉和琪向記者算了一筆賬，綠源公司正常運作每天產生的濃縮水為4000立方米～5000立方米，剛好可以滿足茶前山鹽場1000畝鹽田的生產用水。茶前山鹽場以往年產鹽約5000噸，如用濃縮水代替普通海水來制鹽，在正常條件下，年產鹽可以增加2500噸左右，鹽區(qū)將增收125萬元?！昂Ｋ瘡S排出來的濃縮水已經過多道工序處理，過濾掉了很多的泥沙、微生物等，水也由泛黃變得無色透明，用它作原料曬鹽，對保護鹽場灘田也有好處?！?span>
5、沙特利用太陽能進行海水淡化
沙特水電部長阿卜杜拉?哈辛表示，沙特正致力于利用太陽能進行海水淡化，從而達到節(jié)約能源、降低成本的目的。目前，沙特正在東部城市哈夫基建設一座日產3萬立方米的太陽能海水淡化廠，預計建成后每立方米淡化海水成本將降至1.5里亞爾左右。
目前沙特生產世界上約18%的淡化海水，產量年增長率約7%。
6、低溫多效海水淡化工程
隨著人口的不斷增長和經濟的飛速發(fā)展，淡水資源的匱乏日趨嚴重。海水淡化作為一種開辟新水源的相對成熟的技術，已經成為世界上公認的解決淡水短缺問題的最佳方案。據報道，當前全球海水淡化容量約為4200萬t/d，預計在今后5~10a內還將增加2400萬t/d。天津是我國的嚴重缺水地區(qū)，且毗鄰渤海，擁有豐富的海水資源，建設海水淡化工程具有得天獨厚的優(yōu)勢。
2002年天津經濟技術開發(fā)區(qū)（以下簡稱天津開發(fā)區(qū)，縮寫TEDA）海水淡化項目正式啟動。經過近2 a的前期可行性研究，在對國內外海水淡化技術和項目進行大量調研的基礎上，結合本區(qū)域的具體條件（原水水質差，區(qū)內有合適的熱源），最終確定采用目前國際上較先進的熱壓蒸餾低溫多效技術。該技術具有對原水水質要求低（SS＜20 mg/L）、出水水質好（TDS＜5 mg/L）、運行管理簡單等優(yōu)點。其設計進水水質。
天津開發(fā)區(qū)萬噸級低溫多效海水淡化工程日產淡水2萬t，分兩期建設，其中一期規(guī)模為1萬t/d，總投資額1.6 億元，已于2006 年底舉行了通水儀式。該工程利用開發(fā)區(qū)熱源五廠的低品位蒸汽，采用低溫多效的工藝生產TDS＜5mg/L的優(yōu)質淡化水，生產1t淡化水消耗0.1t低壓蒸汽及2kW·h電。
天津開發(fā)區(qū)海水淡化工程可分為海水預處理廠和海水淡化廠兩個場站。海水預處理廠主要是去除海水中的泥沙；海水淡化廠包括海水提升泵房（從預處理廠提取海水到主設備）、中和池泵房（將主設備中的濃鹽水排出）、冷卻水泵房（為主設備提供冷卻水）、淡化水出水泵房（將淡化水排出送至輸水管網）、海水淡化主車間等。其中海水淡化主車間是海水淡化工程的核心，其作用是將海水蒸發(fā)成蒸餾水，該車間的設備全部從法國ENTROPIE公司進口，設備投資約890 萬美元。其中熱壓蒸餾脫鹽TCD裝置主要設備包括：6 個蒸發(fā)室、2 臺主要的冷凝器、4臺加熱器、1 臺熱壓縮機、1 套真空系統(tǒng)（包含蒸汽噴射器和噴射冷凝器）、2 臺板式熱交換器、1 個手動海水過濾器、1 臺濃鹽水泵、1 臺蒸餾水泵、1 套海水處理裝置（除沫劑、阻垢劑和除氯劑注入）、1 套減溫系統(tǒng)。
為保證海水的連續(xù)供應和改善進水水質，海水在預處理后經提升泵站送到海水淡化廠。在海水淡化廠，來水經加壓泵站加壓、濾網過濾并加入阻垢劑后，進入海水淡化裝置；海水淡化裝置的產品水經后處理進入產品水貯存罐，并通過產品水泵加壓供給熱源廠等用戶，其水質可達到TDS≤5 mg/L，余下的濃鹽水排?；蚓C合利用。所用熱壓蒸餾低溫多效海水淡化設備為6 效，處理能力為1 萬t/d，造水比（GOR）為9.69，出水水質TDS＜5 mg/L。
該工程利用開發(fā)區(qū)污水處理廠二級出水作為淡化裝置的冷卻水源，可大大節(jié)約取水設施和排水設施的建設費用，每日最大需約5 萬t 冷卻水；而冷卻水升溫后可繼續(xù)作為新水源一廠（即再生水水廠，以開發(fā)區(qū)污水處理廠二級出水作為原水，經雙膜法處理后產水主要供應開發(fā)區(qū)內綠化及大型熱電廠）原水，恰恰滿足了該工藝希望提高原水溫度（尤其在冬季）的要求，有效地提高其雙膜法的產水效率。這樣就將污水處理、污水再生利用和海水淡化項目的資源整合在一起，形成優(yōu)勢互補、資源共享的特點。
蒸餾裝置是由多效降溫蒸發(fā)單元組成。在第一效蒸發(fā)單元內產生的蒸汽在換熱管中被冷凝，換熱管為外部噴淋海水集束管。蒸汽冷凝釋放的熱量使換熱管外的部分海水在相對低的溫度和壓力下蒸發(fā)，由這部分海水產生的蒸汽在第二效蒸發(fā)單元中冷凝。同樣原理，第二效蒸發(fā)單元的換熱管外的部分海水會在更低的溫度和壓力下蒸發(fā)。同樣的蒸發(fā)工藝會在一效接一效的蒸發(fā)單元中傳遞下去。最后一效蒸發(fā)單元產生的蒸汽在冷凝器中冷凝。每一效蒸發(fā)單元中產生的冷凝水通過U 型管流入下一效蒸發(fā)單元，最后都流入冷凝器中。最終冷凝水由蒸餾水泵收集到淡化水儲罐中。
海水和大部分苦咸水均含有腐蝕和結垢成分：當操作溫度超過75 ℃，腐蝕和結垢現象會迅速產生，同時鹽濃度會迅速升高，因此TCD 蒸發(fā)器適用于：（1）低溫操作，即原水和濃鹽水的溫度始終低于70 ℃；（2）原水的濃縮率總是≤35%。
為使海水在低溫下蒸發(fā)，設備運行前要運行真空系統(tǒng)，使設備內壓力低于-93 kPa。經過多效蒸餾和蒸汽的循環(huán)利用使得蒸發(fā)海水的能耗大大降低，1 kg熱源蒸汽能生產9.69 kg的蒸餾水，即GRO=9.69。因海水淡化濃縮率總是控制在35%，也就是說日產1 萬t 的海水淡化工程，每天所需海水3 萬t，消耗蒸汽0.1 萬t。
天津開發(fā)區(qū)實施的萬噸級低溫多效海水淡化項目，其產品水作為區(qū)內熱源廠的鍋爐補充用水以及其他用途純水，取代傳統(tǒng)的自來水深度處理工藝流程，每年節(jié)約淡水近850 萬t，具有顯著的環(huán)境效益和社會效益。另外，該項目中一部分的淡化水作為高品質飲用水通過分質供水，進入高校園區(qū)、住宅小區(qū)，為海水淡化水進入城市管網進行了有意義的探索。天津市位于嚴重污染的渤海地區(qū)，其海岸帶坡度較緩，海水泥沙含量很高，且溫度和鹽度隨潮流的往復運動變化較大，該工程的成功實施將積累自然條件惡劣地區(qū)海水淡化的技術經驗，對于在華北沿海地區(qū)推廣具有重大的示范意義。也必將帶動本區(qū)域的相關加工制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展，為我國的海水淡化產業(yè)走向國際市場創(chuàng)造示范條件。
7、長春應化所成功研制海水淡化反滲透復合膜制備
由中科院長春應用化學研究所張所波研究員主持的中科院科研裝備研制項目“海水淡化反滲透復合膜制備設備”通過了專家驗收。
反滲透海水淡化是解決水資源短缺問題的重要戰(zhàn)略手段。反滲透復合膜是膜法海水淡化的關鍵材料，它可以將海水、苦咸水、污水轉化為純凈的淡水，在工農業(yè)生產中發(fā)揮重要作用。但目前我國絕大多數的反滲透膜依賴進口，主要原因是缺乏先進的膜材料及精密的生產設備。反滲透膜制備設備是研究和生產反滲透膜的核心技術裝備，裝備的缺乏嚴重限制了我國膜材料的研究應用進程。因此，研究發(fā)展具有國際先進水平的膜材料及制備設備具有重要意義。
在中國科學院科研裝備專項的支持下，中科院長春應化所成立了由反滲透復合膜材料制備及設備制造的科研人員和工程技術人員組成的復合膜制備設備研究小組，于2009年開始了“海水淡化反滲透復合膜制備設備”的研究開發(fā)。經過兩年多的研發(fā)，他們解決了設備的溫度控制、張力控制、糾偏控制等關鍵技術問題，利用PCL實現對設備硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的協調優(yōu)化，制備出集聚合、熱交聯、成膜、后處理等多種功能為一體的反滲透復合膜制備設備，填補了國內空白。目前，該設備已在相關單位進行了反滲透復合膜配方及工藝的研究，試用效果良好。
該設備的成功研制不僅可以系統(tǒng)研究各種制備條件對膜性能的影響規(guī)律，深入了解成膜原理及關鍵影響因素，更有助于打破壟斷，提升我國在膜材料制備方面的研究水平，為反滲透膜的規(guī)模化生產提供技術支撐。
該項目研制期間申請發(fā)明專利3項，2項已獲授權，培養(yǎng)博士研究生2名，碩士研究生2名。
8、海水淡化新技術：新型膜濃縮裝置通過驗收
中科院過程工程所萬印華研究員主持的新型膜濃縮裝置的研制項目順利通過了中科院組織的科技成果鑒定和現場驗收。
據了解，項目組研制的基于膜過濾—汲取集成技術的膜中試裝置集產物分離、高效濃縮、在線分析、原位清洗和多參數可視化自動控制等諸多功能于一體，是一個典型的功能強化多技術集成系統(tǒng)。同時建立的基于膜過濾—汲取集成技術的生物大分子超濾濃縮新技術，可以實現生物大分子連續(xù)高倍濃縮。
鑒于該技術的應用潛力，項目承擔單位同廣東中科保生物技術有限公司合作，共同開發(fā)了用于海水淡化的反滲透—汲取集成技術與裝備，并進行了為期近一年的中試研究，結果表明采用該技術進行海水淡化，噸水電耗僅為2.33千瓦時，濃水鹽濃度可達12%，水回收率可達80%，為海水資源的經濟利用提供了一種新的技術途徑。
