以我國海域為例簡述海水淡化利用技術方法
為應對全球淡水資源短缺的問題，許多沿海國家及地區(qū)積極開展海水淡化和綜合利用的技術研發(fā)工作。以色列70%的飲用水來自海水淡化水;澳大利亞的海水利用主要用于市政，占總裝機規(guī)模的96%;美國的海水利用主要用于市政，占89.5%;沙特阿拉伯是目前全球最大的海水淡化生產(chǎn)國，2010年其產(chǎn)量達到11億m3。
中國淡水資源缺乏，人均淡水資源量僅為世界人均占有量的1/4，沿海地區(qū)人口稠密，淡水供需矛盾尤為突出。海水淡化技術可以增加水資源總量，有效緩解我國沿海地區(qū)淡水短缺的矛盾。在海水資源方面，我國擁有渤海、黃海、東海、南海四大海域，海岸線超過1.8萬km，水資源相當豐富。但海水淡化發(fā)展速度相對其他國家緩慢，直至“十一五”期間海水淡化產(chǎn)業(yè)才開始較為迅速地增長。據(jù)統(tǒng)計，至2011年底我國海水淡化能力為66萬m3/d。目前，影響海水淡化的因素有政策、技術和價格等。其中海水水質是影響淡化技術正常應用及成本的重要因素。有研究發(fā)現(xiàn)，海水中的有機物污染、SDI(淤泥密度指數(shù))、溫度、濁度和鹽度是影響反滲透膜運行的重要指標，進而影響淡化水品質。因此對中國海域的海水理化性質、海水利用現(xiàn)狀、研究進展進行探討，對于優(yōu)化沿海水資源結構、保障國家用水安全和促進沿海經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義�；诖�，筆者首次將海水水質和海水利用狀況相結合，介紹中國渤海、黃海、東海、南海4個海域海水淡化的相關水質情況，歸納各地區(qū)海水利用的工藝技術條件和發(fā)展現(xiàn)狀，分析形成原因和經(jīng)驗教訓，旨對海水利用發(fā)展落后的沿岸地帶提供幫助，對海水淡化利用較好地區(qū)的發(fā)展和轉型方向提供參考，并為中國海水利用的發(fā)展提供新的思考途徑。
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1 渤海海域
1.1 渤海的水質特征
渤海是一個近封閉的內海，水溫受北方大陸性氣候影響顯著，2月份平均水溫在0 ℃左右，8月份達21 ℃。受大陸淡水注入的影響，鹽度僅為30‰，是中國近海中最低的。1978—2010年歷年8月的觀測資料結果表明渤海夏季海水pH年際變化范圍為7.86~8.30，渤海水溫年際變化、降水量(酸雨)和月均黃河口徑流量年際變化是影響海水pH變化的主要因素。
吳琳琳等研究發(fā)現(xiàn)2012年4—7月渤海灣海水溫度為12.7~30.8 ℃、pH為 7.30~8.55、海水CODMn為0.98~3.36 mg/L、溶解性總固體(TDS)為 30.7~32.1 g/L、濁度為2.96~136 NTU、Cl-為16.9~17.8 g/L、電導率為44 800~49 800 μS/cm。整體而言渤海水質的濁度變化范圍較寬，主要受渤海灣海水泥沙含量的影響，特別在有潮汐和風浪時會大幅升高。此外還發(fā)現(xiàn)海水溫度升高會使操作壓力和脫鹽率下降，主要是因為水溫上升導致水的黏度降低，膜材料的滲透性能提高，從而透過的鹽分增加。郭興芳等發(fā)現(xiàn)天津渤海灣海水溶解性有機物所占比例較大，m(SCOD)∶m(COD)為57.3%~97.1%，絕大多數(shù)>65%，反滲透海水淡化預處理宜選擇能有效去除相對分子質量低的溶解性有機物的工藝技術。整體而言，渤海灣水質在溫度、濁度方面變化較大，有機物、SDI較高，鹽度較低。
1.2 渤海海水淡化現(xiàn)狀
針對渤海的水質特點，張大群等采用強化混凝—O3/UV消毒作為海水淡化蒸餾法的預處理工藝，使得原水濁度、CODMn、UV254、細菌的去除率分別達到96%、40%、19%、99.9%。馬敬環(huán)等通過混凝—斜板沉淀池—砂濾新工藝處理渤海海水，可使出水濁度降至1 NTU以下，鐵降至0.1 mg/L，該工藝適合處理水質變化范圍廣的渤海海水。
渤海灣中，天津是我國較早開展海水淡化研究的地區(qū)之一，目前該區(qū)域的海水淡化技術在國內居領先水平。至2011年，天津市已建成海水淡化工程4個，分別是天津北疆電廠、天津大港新泉海水淡化有限公司、天津開發(fā)區(qū)萬噸級海水淡化示范工程和天津大港電廠，海水淡化總處理能力為21.6萬m3/d，海水淡化水利用量10萬m3/d。其中天津北疆電廠是國內首個海水淡化水大規(guī)模進入市政管網(wǎng)的項目，它的海水淡化水日均供水量為6 000 m3左右，90%以上向社會供應。技術上，該項目采用低溫多效海水淡化技術，針對渤海灣水質較差的特點，其預處理工藝為高潮位取水—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有限公司總處理規(guī)模為15萬m3/d，采用反滲透海水淡化技術。
山東是全國海水淡化應用最廣泛的省份之一，其淡化技術主要以反滲透和低溫多效蒸餾為主。截至2006年底山東省海水直接利用量超過20億m3，建成海水淡化工程17處，日淡化海水3.5萬m3，占全國淡化水量的25%。目前，該省大型海水淡化項目主要分布在青島、煙臺和威海3個城市。華能威海電廠是威海市主要的海水淡化企業(yè)，年淡化海水237萬m3，針對渤海海水特點，該電廠采取的預處理工藝如下：海水取水→加NaClO系統(tǒng)→加PAC、PAM系統(tǒng)→多介質過濾器→活性炭過濾器，此外為了克服冬季水源低溫的影響，水源主要來自循環(huán)水和凝汽器排水。煙臺市在長島縣建立了5座海水淡化站，每日產(chǎn)水量達到1 850 m3，直接受益人口達3.6萬人。此外，煙臺核能海水淡化示范工程已獲批準，進入可行性研究階段，工程建成后可日產(chǎn)淡化海水14.5萬m3，將大大緩解煙臺的水資源緊張狀況。
遼寧省內海域遼闊，海水資源利用具有極大的優(yōu)越條件。目前該省已建成并能有效運行的海水淡化設施有華能營口電廠、紅沿河核電廠、葫蘆島海水淡化工程等。其中華能營口電廠產(chǎn)水量達10 000 m3/d，針對渤海水質濁度高、溫度低等特點，以海水直流冷卻水作為原水，其具體工藝流程如下：海水冷卻水—反應沉降池—雙室介質過濾器—雙室細砂過濾器。2010年大連市海水淡化量為339萬m3，海水直接利用量為11.2億m3。其中大連長海縣自來水公司的海水淡化項目產(chǎn)水量為1 200 m3/d，主要用于島上居民飲用;大連莊河電廠采用海水反滲透技術，產(chǎn)水量達29 000 m3/d，主要用作冷卻水或鍋爐補給水。
2 黃海海域
2.1 黃海水質理化特征
黃海海水的溫度和鹽度隨地區(qū)差異顯著，季節(jié)和日變化較大，具有明顯的陸緣海特性。海區(qū)東南部表層年平均溫度為17 ℃，鹽度通常>32.0‰;北部鴨綠江口表層年平均溫度<12 ℃，鹽度一般<28.0‰。整體而言黃海的水溫年變化小于渤海，平均為15~ 24 ℃，海水鹽度為32‰，呈現(xiàn)由南向北、由海區(qū)中央向近岸，溫度和鹽度都幾乎均勻降低的特征。黃海的水溫主要受冬季氣溫、黑潮現(xiàn)象等影響;鹽度主要受黃海暖流、渤海熱通量、海域冬季大風以及黃河徑流量變化的影響。春季南、北黃海中部表層pH稍高，沿岸較低;夏季表層pH東西兩側偏低;秋冬季黃海表層pH相當均勻，僅朝鮮半島近岸有低值區(qū)。黃海海域的濁度分布具有明顯的區(qū)域差異，在北部成山頭的近海域出現(xiàn)高值，中部與南部離岸水域為低值區(qū)。劉宗麗在膠州灣表層海水中監(jiān)測到3種典型的低分子質量有機酸：乳酸、乙酸、甲酸，并發(fā)現(xiàn)4月份膠州灣表層海水中三者總量的平均值比較大，為24.06 μmol/L。周斌等發(fā)現(xiàn)膠州灣灣口部分站點 pH、DO、COD、Cu、Zn、油類、PO43--P 等指標均符合二類海水水質標準，SS、TDS 含量較低，該區(qū)海水可作為淡化取水水源，但預處理工藝中應關注鈣、鎂、鐵和錳的影響。整體而言黃海海水具有鹽度、溫度年變化小，近岸有機物高的特點。
2.2 黃海海水淡化現(xiàn)狀
徐佳采用膠州灣海水直接進入系統(tǒng)和海水添加絮凝劑后再進入系統(tǒng)兩種工藝，初步驗證了50 nm管式陶瓷膜作為海水淡化預處理工藝的可行性。蘇保衛(wèi)等發(fā)現(xiàn)采用砂濾—超濾—納濾等預處理工藝可以有效軟化膠州灣原水，提高RO的水回收率。
青島市淡水資源貧乏，目前引黃濟青工程、南水北調工程、海水淡化相關企業(yè)等都是利用海水淡化技術來供應飲用水。其中大唐黃島電廠海水淡化日均量為16 000 m3，采用的預處理流程為：黃海原水—調節(jié)池—斜管沉淀池—盤濾—SVF超濾工藝，為解決冬季進水溫度過低問題，將凝汽器冷卻海水引入海水淡化系統(tǒng)。山東青島電廠海水淡化量為20 000 m3/d，采用海水反滲透淡化技術，其預處理工藝為海水—平流式反應沉淀池—海水清水池—自清洗過濾器—超濾膜組件—超濾產(chǎn)水箱。江蘇省海岸線長，但多為淤泥質海岸，利用難度大。2006年來有多個項目建成投產(chǎn)，鹽城射陽港電廠二、三期擴建工程采用海水冷卻，年利用海水3.5億m3。2007年連云港田灣核電站正式投入運營，一期工程的海水冷卻利用量為25億m3/a。這為江蘇省海水利用的進一步發(fā)展積累了經(jīng)驗，并為全面進行海水直接利用起到工程示范作用。
3 東海海域
3.1 東海水質理化特征
東海是中國島嶼最多的海域，瀕臨中國的滬、浙、閩、臺4省市。東海海域水體平均鹽度為31‰~32‰，東部較高為34‰，水溫度平均9.2 ℃，冬季南部水溫在20 ℃以上。邵和賓研究了東海北部冬、夏季懸浮物濃度的分布特征和運輸規(guī)律，發(fā)現(xiàn)東海北部懸浮物運輸季節(jié)變化特征明顯，冬季陸架上懸浮物濃度明顯高于夏季。邊昌偉發(fā)現(xiàn)東海水體的懸浮物濃度自近岸向外海降低，等值線走向基本與岸線平行，濃度最大區(qū)域位于長江口及閩浙沿岸，濃度最低區(qū)域位于100 m等深線以深的外海。東海沿岸海水溫度SST主要取決于太陽輻射，呈南高北低分布，但也不同程度地受地理環(huán)境、氣候環(huán)境、水文環(huán)境的影響，同時東海沿岸表層海水溫度(SST)總體呈上升趨勢，暖冬是SST總體呈上升趨勢的重要因素。整體而言，東海海水水質具有鹽度高、溫度高、近岸懸浮物和SDI高的特點。
3.2 東海海水淡化現(xiàn)狀
海水淡化產(chǎn)業(yè)在上海剛剛起步，發(fā)展相對滯后，但上海卻擁有較為先進的海水淡化技術，如上海電氣的低溫多效海水蒸發(fā)技術，該技術日產(chǎn)淡水量達12 000 m3。上海704所與711所擁有較先進的多級閃蒸技術，華東理工大學擁有海水淡化濃鹽水處理技術、低溫多效蒸發(fā)器生產(chǎn)的關鍵設備——燒結型表面多孔管高通量換熱器的生產(chǎn)技術。目前，上海決定通過政策來推動海水淡化產(chǎn)業(yè)，這是快速提升海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要途徑。浙江是國內最早開展海水淡化應用的省份。截至2011年底，浙江已建成海水淡化裝置設計產(chǎn)能達11萬m3/d，占全國總產(chǎn)能的1/6，以市政供水為目的和與電廠配套的各占產(chǎn)能50%，淡化水已成為浙江主要海島和沿海部分缺水地區(qū)淡水資源的重要補充。目前已有的大型海水淡化工程有華能玉環(huán)電廠、大唐烏沙山電廠、舟山六橫電廠、嵊山島海水淡化工程等。華能玉環(huán)電廠海水淡化工程于2006年調試至今，一直運行穩(wěn)定、安全，目前日產(chǎn)淡水量3.5萬m3，預處理工藝流程為海水—微渦旋板折式反應沉淀池—浸沒式超濾膜池—反滲透，為保證進水溫度維持在25 ℃左右，淡化系統(tǒng)采用兩路進水，夏天采用未經(jīng)交換的海水，冬天采用循環(huán)水。海島地區(qū)舟山市是我國最早建設海水淡化工程的地區(qū)，截至2011年9月底，舟山總共建成海水淡化裝置近20套，規(guī)模達54 000 m3/d，海水直接利用量7×108 m3/a。其中六橫電廠10萬m3/d海水淡化工程是我國最大的海水淡化項目之一，其預處理工藝流程為海水—絮凝反應池—斜板沉淀池—多介質機械過濾器—保安過濾器—反滲透系統(tǒng)。針對東海水域受風浪和長江入海水影響、濁度變化大等情況，舟山各淡化企業(yè)采用濁度變化環(huán)境下調節(jié)藥劑投加量及配比的方法，穩(wěn)定前處理海水水質，降低制水成本。
4 南海海域
4.1 南海水質理化特征
南海被中國大陸、臺灣島、菲律賓群島、大巽他群島及中南半島所環(huán)繞。南海海域面積為356萬平方公里，其中有超過200個無人居住的島嶼和巖礁，通稱為南海諸島。溫度上，由于接近赤道，南海表層水溫較高，年平均水溫為25~28 ℃，年溫差變化小。鹽度上，受沿岸淡水注入的影響，近岸海域鹽度較低，中、南部海域鹽度分布較均勻，為32.0‰~33.6‰，最高鹽度值出現(xiàn)在次表層，可達35‰。郭敬等發(fā)現(xiàn)南海混合層鹽度的年際變異與ENSO現(xiàn)象之間存在較強的關系，厄爾尼諾期間南海北部鹽度上升，南海中部和南部鹽度下降，呈現(xiàn) “北強南弱”的空間形態(tài)，其中南海北部冬季最高鹽度可達33.8‰~34.4‰，南海南部秋季最低鹽度為32.8‰~33.0‰。楊海麗等發(fā)現(xiàn)海南西部近海海域表層水體濁度與懸浮顆粒物濃度由近岸向外海方向逐漸降低，底部水體濁度與懸浮顆粒物的體積濃度高值區(qū)呈斑狀分布，水體濁度和懸浮顆粒物體積濃度隨著水深增加而增大。整體而言，南海海域具有溫度高、鹽度高、近岸SDI高的特點。
4.2 南海海水淡化現(xiàn)狀
南海區(qū)中，香港的海水利用技術位于世界前列，其海水沖廁規(guī)模居世界之最。截至 2006 年底，香港擁有海水抽水站 29 個，裝機容量 173 萬m3/d，在港總人口 694 萬中獲取海水供應的人數(shù)為 555萬人，占總人口的80%。據(jù)統(tǒng)計，沖廁用水約 70 L/(人˙d)，沖廁用海水最高能減少40%的住宅用水，全港平均耗用海水量 80 萬 m3/d。在海水淡化研究方面，目前香港已建立鴨脷洲和屯門的小型海水淡化試驗工程，正在興建軍澳海水淡化廠，建成后預計供水量為5 000萬m3/a。在廣東省，火電廠和核電廠直接利用海水作為工業(yè)冷卻水已有一定規(guī)模，2009年淡化技術應用工程公司有80多家，從事反滲透、電滲析淡化設備配套生產(chǎn)的單位有23 家，已初步形成以反滲透技術為主體的海水淡化技術產(chǎn)業(yè)群。至2012年底，廣東省日產(chǎn)淡化水量為3.08萬m3，居全國第 6位，已有的海水淡化工程有平海電廠、國華臺山電廠、惠來電廠、惠州平海電廠等。其中惠州平海電廠于2009年開始運行，目前海水淡化量為16 704 m3/d，其預處理工藝為海水—斜板沉淀池—清水池—AMIAD濾網(wǎng)式自清洗過濾器—超濾裝置。深圳市毗鄰南海，2005年全市電廠使用冷卻水的海水用量達73億m3，海水經(jīng)淡化后主要用作居民的生活飲用水和沖廁用水，海水淡化技術大大緩解了深圳市淡水資源短缺的局面。
5 我國海水淡化的發(fā)展前景和建議
整體而言，我國海水淡化技術日趨成熟，海水淡化設備的自我研發(fā)、設計和制造已具有一定基礎，海水淡化工程設計、建設和運營管理已具備一定的能力和經(jīng)驗。此外在國家層面上，中央政府和各級地方政府開始重視海水淡化，通過規(guī)劃、政策積極引導規(guī)范海水淡化市場，沿海各地及社會各界積極推動海水淡化工作開展，至2012年底全國已建成海水淡化工程95個，日產(chǎn)淡化水總規(guī)模77.4萬m3。其中，天津、河北、浙江、遼寧、山東省日均淡水產(chǎn)量居全國領先。因此作為新興產(chǎn)業(yè)，海水淡化產(chǎn)業(yè)前景廣闊，但是從近10 a的發(fā)展力度來看，我國海水淡化仍存在一定問題，根據(jù)中國《海水利用專項規(guī)劃》：2010年海水淡化裝置產(chǎn)水量為80~110萬m3/d，因此目前全國海水淡化裝置產(chǎn)水值(77.4萬m3/d，2012年)與規(guī)劃值仍存在一定距離，此外海水淡化工程技術方面也存在一些顯著問題，如海水淡化裝置核心設備和技術依舊掌握在美國、德國等國家;海水源水和淡化水衛(wèi)生標準未規(guī)范化;濃縮海水的排放問題等。針對這些問題，筆者提出以下建議和意見。
5.1 海水源水和淡化水水質標準的制定
海水源水水質不僅對海水淡化預處理工藝、后步脫鹽淡化工藝及運營成本影響巨大，對于飲用主體的心理接受度也產(chǎn)生重大影響。目前，淡水源水水質評價主要依據(jù)CJ 3020—1993《生活飲用水水源水質標準》，該標準適用于城鄉(xiāng)集中式生活飲用水的水源水質，對于淡化水的海水源水則沒有相應標準。中國國家海洋局發(fā)布的《2012年中國海洋環(huán)境狀況公報》顯示：我國海洋環(huán)境質量狀況總體較好，但近岸海域水體污染、生態(tài)受損等環(huán)境問題依然突出，其中未達到第一類海水水質標準的海域面積為17萬km2，水質為劣四類的近岸海域面積約為6.8萬km2。因此，為推進海水淡化工作的開展，海水水源水質標準的制定已迫在眉睫。此外，當前飲用水的衛(wèi)生評價主要是依據(jù) GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》進行，該標準以飲水安全為基點，以水源水是地表水和地下水為前提，以有害、有毒的污染物最大限量值指標為主。對于淡化水，產(chǎn)水呈弱酸性且缺乏有益的礦物鹽，因此一般需要對淡化海水進行后續(xù)的礦化處理，以提高礦物質含量和堿度。但目前生活飲用水標準中缺少有益于人體健康指標的最低限量值，難以全面地評估海水淡化水的水質。因此建議針對海水淡化水的水質特征制定相應的海水淡化水水質衛(wèi)生標準。
5.2 能耗和成本方面
在海水淡化成本中，能耗是決定性因素。目前，海水淡化主流技術有低溫多效蒸餾、多級閃蒸和反滲透法，3種技術的能耗在2.5~5 kW˙h/m3，從成本考慮日產(chǎn)淡水20 000 m3的設備中低溫多效蒸餾法運行成本最低，約為0.56美元/m3，反滲透工藝成本居中，為0.63美元/m3，而多級閃蒸成本最高，為0.89美元/m3。這些價格相對國內淡水價格而言仍然偏高，因此在大型海水淡化企業(yè)中，開發(fā)自主創(chuàng)新技術以降低淡化能耗和成本仍是首要任務。而對于淡水實際需求緊迫、日產(chǎn)淡水量需求為幾十到上千噸的海島而言，反滲透法由于適用范圍廣、維護簡易等優(yōu)點，推廣率更高。但其缺點在于隨著日產(chǎn)淡水量的降低，能耗和成本也顯著增加。因此，開發(fā)低成本國產(chǎn)小型高壓泵和能量回收裝置等技術，降低小型海島海水淡化規(guī)模小、電價昂貴的淡化水成本，解決缺水中小型海島的飲用水問題，是影響近岸海島和邊遠海島開發(fā)、發(fā)展的決定性因素，也符合我國海洋經(jīng)濟發(fā)展的需求。
5.3 政策管理方面
對于海水利用業(yè)，中國海洋經(jīng)濟發(fā)展“十二五”規(guī)劃提出：需提高海水淡化技術自主化水平，實施海水淡化科技產(chǎn)業(yè)化工程，開展產(chǎn)業(yè)化技術和政策示范，鼓勵并支持沿海城市、海島組織實施大規(guī)模海水淡化產(chǎn)業(yè)示范工程。但到目前為止，海水淡化產(chǎn)業(yè)方面仍然缺少相關政策的推動和引導。與淡水相比，由于缺少相應的水價補貼政策、缺少政府的全民引導動員、缺乏民眾的意識認可等原因，淡化海水無法進入尋常百姓家。因此，在后期海水淡化產(chǎn)業(yè)化的推廣過程中，必須政策支持在前，政府引導在后，相互輔助，走向市場運作、企業(yè)管理的發(fā)展模式。特別需要鼓勵和支持海水淡化進入市政管網(wǎng)、倡導淡化海水的分級分質供水模式、提高海水淡化水的利用效率。在淡化水的價格方面，政府需要制定相應的新型水價機制和海水淡化的財稅政策，創(chuàng)造培育海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的環(huán)境，全面推動我國海水淡化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，緩解國家水資源戰(zhàn)略儲備危機。
5.4 建立濃海水循環(huán)利用經(jīng)濟體制
海水淡化項目建設投產(chǎn)的最大副產(chǎn)物即為濃海水，目前處理濃海水的途徑主要有兩類：直接排放和資源化循環(huán)利用。針對濃海水直接排放問題，近年來的研究均發(fā)現(xiàn)排放水因物理性質的改變和殘留化學品的毒性對海洋生物造成了潛在威脅。近期，《國務院辦公廳關于加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見》〔國辦發(fā)(2012)13 號〕中明確指出：“推動和督促臨海、近海企業(yè)將海水淡化產(chǎn)生的濃鹽水用于制鹽及鹽化工產(chǎn)業(yè)”。因此，開展?jié)夂Ｋ瘜W資源綜合利用，建立濃海水循環(huán)利用經(jīng)濟體制，是海水淡化產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的唯一道路。在工藝流程上，濃海水可以與傳統(tǒng)灘曬制鹽及鹽化工相銜接進行綜合利用，生產(chǎn)海鹽、溴、鎂等產(chǎn)品;也可采用電滲析濃縮制鹽為核心的綜合利用等技術。
