戴 嶺,吳宏霞,韋 飛,王 鵬

(江蘇省農(nóng)業(yè)資源開(kāi)發(fā)局,江蘇 南京 210008)

1 反滲透法海水淡化技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 海水淡化發(fā)展概況

人類早在2000多年前就開(kāi)始思考海水淡化問(wèn)題。現(xiàn)代意義上的海水淡化則是在20世紀(jì)40年代開(kāi)始的,起步技術(shù)是蒸餾法。海水淡化技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用始于干旱的中東地區(qū)。由于中東地區(qū)獨(dú)特的地理位置和氣候條件,加之其擁有豐富的能源資源,使得海水淡化成為該地區(qū)解決淡水資源短缺問(wèn)題的現(xiàn)實(shí)選擇,并對(duì)海水淡化裝置提出了大型化的要求,現(xiàn)代海水淡化產(chǎn)業(yè)也由此步入了快速發(fā)展的時(shí)代,到20世紀(jì)70年代前后初步形成了工業(yè)化生產(chǎn)體系。由于世界上70%以上的人口都居住在離海洋120 km以內(nèi)的區(qū)域,因而海水淡化技術(shù)近20多年迅速在中東以外的許多國(guó)家和地區(qū)得到應(yīng)用。最新資料表明,到2003年止,世界上已建成和已簽約建設(shè)的海水和苦咸水淡化廠,其生產(chǎn)能力已達(dá)到3 600萬(wàn)t/d。目前海水淡化已遍及全球125個(gè)國(guó)家和地區(qū),淡化水大約解決世界5%人口的生活用水。海水淡化事實(shí)上已經(jīng)成為沿海地區(qū)解決水危機(jī)的重要戰(zhàn)略手段之一,具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、靈活等特點(diǎn),有著廣闊的開(kāi)發(fā)前景。

1.2 主流海水淡化技術(shù)評(píng)述

目前全球海水淡化技術(shù)已超過(guò)20余種,但實(shí)踐表明,真正實(shí)用的海水淡化技術(shù)只有離子交換法 (IE)、電滲析法(ED)、反滲透法 (R O)、多級(jí)閃蒸(MSF)、膜蒸餾 (MED)5種已達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用規(guī)模。我國(guó)在多級(jí)閃蒸海水淡化方面還處于開(kāi)發(fā)研究階段,不具備獨(dú)立的技術(shù)和設(shè)備制造能力。膜蒸餾法尚未設(shè)計(jì)出符合大規(guī)模生產(chǎn)需要的膜組件,因此其應(yīng)用受到了限制。

離子交換法主要是利用離子交換樹(shù)脂吸附離子的原理達(dá)到海水淡化的目的。其優(yōu)點(diǎn)是目前除鹽最為徹底,缺點(diǎn)是運(yùn)行成本隨原水含鹽量的上升而大幅增加、設(shè)備操作復(fù)雜和易繁殖細(xì)菌。

電滲析法是利用電場(chǎng)的作用,強(qiáng)行將離子向電極處吸引,致使電極中間部位的離子濃度大為降低,從而制得淡水。優(yōu)點(diǎn)是我國(guó)電滲析海水淡化技術(shù)已經(jīng)接近世界先進(jìn)水平,設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,除鹽率高,操作方便。缺點(diǎn)是對(duì)原水水質(zhì)要求嚴(yán)格,對(duì)不帶電荷的物質(zhì)如有機(jī)物、膠體、微生物、懸浮物等無(wú)脫除能力,水回收率低,因此其應(yīng)用受到局限。

反滲透技術(shù)具有相對(duì)較低的成本、相對(duì)便捷的流程和幾乎沒(méi)有污染,使其成為當(dāng)前全球最普遍使用的一種海水淡化技術(shù),備受沿海缺水城市的青睞。

1.3 反滲透法 (RO)海水淡化技術(shù)

反滲透法(R O)通常又稱超過(guò)濾法,是1953年才開(kāi)始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過(guò)、不允許溶質(zhì)透過(guò)的半透膜,將海水與淡水分隔開(kāi)。在通常情況下,淡水通過(guò)半透膜擴(kuò)散到海水一側(cè),從而使海水一側(cè)的液面逐漸升高,直至一定的高度才停止,這個(gè)過(guò)程為滲透。此時(shí),海水一側(cè)高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對(duì)海水一側(cè)施加一大于海水滲透壓的外壓,那么海水中的純水將反滲透到淡水中。反滲透法的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能。因此,從1974年起,美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家先后把發(fā)展重心轉(zhuǎn)向反滲透法。其優(yōu)點(diǎn)在于:

(1)裝置投資省 (投資費(fèi)用約為528～793＄/m3·d[1],低于其它淡化方法)、體積小、能耗低(能耗僅為電滲析法的1/2,蒸餾法的1/40)、建設(shè)周期短,設(shè)備及操作簡(jiǎn)單易于自動(dòng)控制,腐蝕和結(jié)垢程度較輕。

(2)兼容性好?？膳c幾種膜技術(shù)混合使用,或配套其它水處理技術(shù),如石英砂、活性炭吸附、脫氣、離子交換、UV殺菌等。

(3)特別要提的是,當(dāng)原水含鹽量較高時(shí)反滲透膜處理對(duì)運(yùn)行成本影響不大。

反滲透技術(shù)存在的問(wèn)題主要是膜的壽命。我國(guó)反滲透技術(shù)還未達(dá)到世界先進(jìn)水平,性能優(yōu)異的關(guān)鍵部件如反滲透膜、高壓泵、能量回收裝置需進(jìn)口,進(jìn)口膜使用3～5 a后更換率約為5%。

需要說(shuō)明的是:①海水由咸轉(zhuǎn)淡后因硬度低、pH值偏酸性,還必須用CaCO3和CO2調(diào)節(jié),使之符合人體所需的弱堿性,并提高水的硬度,才能達(dá)到生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn);反滲透法產(chǎn)生的高濃度海水直接排放將影響生物的生理功能、干擾食物鏈,但可以作為化工原料使用。

2 應(yīng)用反滲透海水淡化 (SWRO)系統(tǒng)的實(shí)例及造水成本現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外新建海水淡化反滲透 (SWRO)廠的裝置回收率和產(chǎn)水價(jià)格[2]

國(guó)外新建海水淡化反滲透 (SWRO)廠的裝置回收率和產(chǎn)水價(jià)格見(jiàn)表1。

表1 有關(guān)水廠SWRO回收率及產(chǎn)水價(jià)格表

2.2 威海電廠海水淡化系統(tǒng)成本[3]

威海電廠采用美國(guó)陶式TFC復(fù)合膜,TFC復(fù)合膜由3層組成。根據(jù)實(shí)際計(jì)算威海電廠反滲透海水淡化運(yùn)行成本為:一級(jí)反滲透制水成本6.4元/t,二級(jí)反滲透制水成本7.2元/t。由于二級(jí)反滲透出水 (導(dǎo)電率約4.2μ s/cm)并不能滿足鍋爐補(bǔ)充水 (導(dǎo)電率小于0.2 μ s/cm)的要求,所以必須再進(jìn)入化學(xué)混床處理,才能進(jìn)入鍋爐,此時(shí)補(bǔ)充水成本為12.0元/t左右。而用自來(lái)水處理成鍋爐補(bǔ)充水,其軟化成本在12.5～14.0元/t。所以,海水淡化不但不會(huì)增加發(fā)電成本,而且解決了威海電廠淡水緊缺的問(wèn)題。

2.3 大連石化公司海水淡化裝置[4]

大連石化公司海水淡化裝置采用常規(guī)預(yù)處理加三級(jí)反滲透膜分離技術(shù)生產(chǎn)鍋爐除鹽水。其中一級(jí)反滲透 (RO)的產(chǎn)水量為5 500 t/d,三級(jí)反滲透的產(chǎn)水量為5 000 t/d。海水淡化裝置運(yùn)行期間,裝置耗電4～4.5 kW/t,一級(jí)膜化學(xué)清洗周期為3個(gè)月。若采用ERI美國(guó)能源回收公司的能源回收裝置PX還可使海水淡化成本大大降低。鍋爐水質(zhì)造水成本9.20元/t,循環(huán)水質(zhì)造水成本1.05元/t。

2.4 浙江沿海地區(qū)反滲透海水淡化 (SWRO)成本[5]

浙江省是我國(guó)反滲透海水淡化投入實(shí)踐最早的地區(qū)。目前,浙江海水淡化主要解決居民飲水問(wèn)題。綜合成本在5元/t左右,明顯高于當(dāng)?shù)?杭州)自來(lái)水水價(jià)(1.85元/t),其成本構(gòu)成見(jiàn)表2。

表2 岱山和嵊泗兩廠SWRO成本比較表 元/t

續(xù)表2

2.5 天津反滲透海水淡化 (SWRO)示范工程(1 000 t/d)[6]

天津SWRO示范工程造水量為1 000 t/d,造水成本構(gòu)成見(jiàn)表3。

表3 天津SWRO示范工程 (1 000 t/d)成本表元/t

2.6 國(guó)內(nèi)沿海某2×1 000 MW超超臨界機(jī)組電廠的海水淡化系統(tǒng) (640 t/d)[7]

國(guó)內(nèi)沿海某2×1 000 MW超超臨界機(jī)組電廠的海水淡化系統(tǒng)成本見(jiàn)表4。

表4 某2×1 000 MW超超臨界機(jī)組電廠的海水淡化 (SWRO)系統(tǒng)成本表

2.7 造水成本隨國(guó)際原材料成本價(jià)格浮動(dòng)[8]

由于技術(shù)進(jìn)步,國(guó)內(nèi)外淡化水的成本呈下降趨勢(shì)。近年來(lái),我國(guó)各處報(bào)出的淡化水價(jià)格為5元/t上下。其實(shí)這一數(shù)字并未得到嚴(yán)格的考核。研究認(rèn)為,僅就設(shè)備投資和基本運(yùn)行費(fèi)用而言是可能的,但若加上合理的電價(jià),其成本則要高于5元/t。受?chē)?guó)際海水淡化成本的影響,呈現(xiàn)浮動(dòng)式規(guī)律。國(guó)際反滲透淡化水成本趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 國(guó)際反滲透淡化水成本趨勢(shì)圖

3 關(guān)于江蘇沿海地區(qū)發(fā)展反滲透法海水淡化產(chǎn)業(yè)的思考

3.1 發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的必要性

(1)區(qū)域淡水資源的需求。江蘇沿海開(kāi)發(fā)的區(qū)域包括擁有海岸線的連云港、鹽城和南通市區(qū)及其下轄的17個(gè)縣(市、區(qū)),總面積3.25萬(wàn)km2。

該區(qū)域多年平均水資源總量為93.8億m3,近年用水量為120億～130億m3,缺口約25%。隨著沿海地區(qū)新一輪開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,該區(qū)域?qū)ΦY源的需求將進(jìn)一步增長(zhǎng),據(jù)預(yù)測(cè),到2020年沿海地區(qū)生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水量將增加30億m3左右。因此,江蘇沿海局部屬于資源性缺水的地區(qū)。為保障沿海地區(qū)港城、臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)、灘涂圍墾等重點(diǎn)區(qū)域開(kāi)發(fā),江蘇省委、省政府明確到2015年,沿海地區(qū)新增供水能力達(dá)15億m3/a以上,主要是調(diào)引長(zhǎng)江水輸送到沿海主要港城港區(qū)和灘涂圍墾開(kāi)發(fā)區(qū)。

(2)水質(zhì)狀況。近年來(lái),江蘇沿海地區(qū)水污染防治取得了一些成效,但總體形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻,水質(zhì)超標(biāo)趨勢(shì)還在加重,由于地下水超采,南通、鹽城部分地區(qū)已形成地下水漏斗區(qū)。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料評(píng)價(jià),江蘇沿海僅有26.5%的水功能區(qū)年均水質(zhì)達(dá)標(biāo),其中飲用水水源區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為33.3%。沿海港區(qū)和灘涂墾區(qū)處于輸水支線工程末端,水生態(tài)環(huán)境尤為突出。2008年江蘇沿海地區(qū)26條主要入海河流河口水域水質(zhì)類別符合或優(yōu)于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類(含Ⅲ類)的占46.2%,Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ類水河流比例分別為26.9%、7.7%、19.2%。江蘇臨海地區(qū)又是水質(zhì)性缺水地區(qū),沿海港城、港口、工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)、墾區(qū)及廣大農(nóng)村的人民的飲水并不安全,許多人仍喝著“苦咸水”。

(3)城鎮(zhèn)化及岸線利用加快。根據(jù)《江蘇沿海地區(qū)五年推進(jìn)計(jì)劃》,按照將連云港建設(shè)成為國(guó)際性海港城市、鹽城建設(shè)成為現(xiàn)代化工商城市、南通建設(shè)成為長(zhǎng)三角北翼經(jīng)濟(jì)中心的定位,加速人口和產(chǎn)業(yè)集聚,推進(jìn)港口、港城和臨港產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展,做強(qiáng)中心城市,提高集聚輻射帶動(dòng)能力。到2015年連云港、鹽城、南通市中心城區(qū)人口分別達(dá)到150萬(wàn)、150萬(wàn)、160萬(wàn)。推進(jìn)沿海縣城東向發(fā)展,沿海14個(gè)縣(市、區(qū))城人口規(guī)模達(dá)到20萬(wàn)～30萬(wàn)人。加快建設(shè)連云新城、大豐港城、燕尾港鎮(zhèn)、如東長(zhǎng)沙鎮(zhèn)等一批臨海新興城鎮(zhèn),形成一批具有鮮明產(chǎn)業(yè)、文化、資源特點(diǎn)的特色小城鎮(zhèn)?？梢灶A(yù)見(jiàn),經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)加快,人口數(shù)量增大,城市化水平不斷提高,將使得飲用水水資源缺口越來(lái)越大,這將成為阻礙江蘇沿?？沙掷m(xù)發(fā)展的瓶頸。

(4)在沿海已建或規(guī)劃建設(shè)一定數(shù)量的火力發(fā)電廠,對(duì)淡水的需求有特定的要求。

(5)不可預(yù)見(jiàn)因素的客觀存在,需要多途徑提供水源。海水淡化是一種可靠的戰(zhàn)略水資源。江蘇省擁有954 km海岸線,沿海岸線13個(gè)縣(市、區(qū))均在建設(shè)或規(guī)劃建設(shè)港口港城,另外隨著大規(guī)模圍墾工程的實(shí)施,現(xiàn)有水資源配置方案將難以應(yīng)對(duì)突發(fā)應(yīng)急事件,因此海水淡化應(yīng)上升為水資源的重要補(bǔ)充的戰(zhàn)略地位。

3.2 發(fā)展反滲透法海水淡化產(chǎn)業(yè)的可行性

(1)海水淡化相關(guān)政策相繼出臺(tái)。2005年國(guó)家出臺(tái)《海水利用專項(xiàng)規(guī)劃》,明確要求扶持海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展;《國(guó)家“十二五”海洋科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》提出,國(guó)家將建立示范工程,加快海水淡化的自主化和規(guī)模化發(fā)展;據(jù)報(bào)道,國(guó)家 《“十二五”海水淡化科技發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》也正在制定中。江蘇省水利等相關(guān)規(guī)劃也明確提出“推廣海水淡化技術(shù)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,鼓勵(lì)利用海水的產(chǎn)業(yè)發(fā)展”。海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展已進(jìn)入加速期。

(2)反滲透法造水成本有望進(jìn)一步降低。根據(jù)有關(guān)規(guī)劃,我國(guó)將在 “十二五”期間大幅度提高反滲透膜的自給率,形成完備的規(guī)?；a(chǎn)能力并實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代,設(shè)備國(guó)產(chǎn)化是一條降低成本之路。杭州水處理中心生產(chǎn)的反滲透膜已經(jīng)在浙江省六橫島首次投入使用,這是國(guó)產(chǎn)膜第一次工程化、規(guī)模化的應(yīng)用,國(guó)產(chǎn)化率提高后的海水淡化成本有望進(jìn)一步降低。

(3)可以與相關(guān)產(chǎn)業(yè)有機(jī)結(jié)合。具體表現(xiàn)為,相關(guān)上游產(chǎn)業(yè)提供的能源動(dòng)力,即熱電廠或煉鋼廠等高能耗企業(yè)提供生產(chǎn)余熱作為淡化海水的生產(chǎn)熱能;下游相關(guān)行業(yè)中的企業(yè)對(duì)濃縮海水的開(kāi)發(fā)利用,即曬鹽場(chǎng)使用濃縮海水制鹽,原鹽用于下游的化工行業(yè)的企業(yè)生產(chǎn)原料,發(fā)展鹽化工業(yè)等,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

3.3 幾點(diǎn)思考

(1)盡早開(kāi)展基礎(chǔ)研究工作。摸清臨海居民和工業(yè)用水時(shí)間、空間分布的數(shù)據(jù),弄清缺水現(xiàn)狀和用水需求,在對(duì)海水資源性狀等進(jìn)行充分研究的前提下,規(guī)劃海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展,并在沿海地區(qū)部署試點(diǎn)示范反滲透淡化技術(shù)的應(yīng)用,加強(qiáng)政府的組織領(lǐng)導(dǎo)。

(2)鼓勵(lì)大型企業(yè)建設(shè)海水淡化工程。沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)要發(fā)展,不可避免會(huì)降低準(zhǔn)入門(mén)檻而引進(jìn)一些能耗較高的大型企業(yè)。政府應(yīng)鼓勵(lì)這些企業(yè)承擔(dān)相應(yīng)的社會(huì)責(zé)任,根據(jù)自身生產(chǎn)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)淡化潛力,造福當(dāng)?shù)亍?/p>

(3)各級(jí)政府應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的鼓勵(lì)、扶持政策。海水淡化屬于民生工程,政府可以在投資上給予補(bǔ)助,在運(yùn)行電價(jià)上有所優(yōu)惠,或建立退稅機(jī)制,用于海水淡化制水補(bǔ)貼等。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,由于江蘇沿海地區(qū)存在資源性、工程性和水質(zhì)性缺水的現(xiàn)象較為突出,隨著該省沿海地區(qū)新一輪開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,該區(qū)域?qū)ΦY源的需求將進(jìn)一步增長(zhǎng),供需矛盾更為突出。解決的途徑是,除調(diào)引長(zhǎng)江水輸送到沿海主要港城、港區(qū)和灘涂圍墾開(kāi)發(fā)區(qū)外,還需加強(qiáng)政府的組織領(lǐng)導(dǎo),系統(tǒng)調(diào)查江蘇沿海海水利用基本狀況,評(píng)價(jià)開(kāi)發(fā)利用前景,推進(jìn)?？诘途C合利用的科研開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,盡早開(kāi)展海水資源利用的基礎(chǔ)研究工作,摸清臨海居民和工業(yè)用水時(shí)間、空間分布的數(shù)據(jù),弄清缺水現(xiàn)狀和用水需求,在對(duì)海水資源性狀等進(jìn)行充分研究的前提下,規(guī)劃海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展,并在沿海地區(qū)部署試點(diǎn)示范反滲透淡化技術(shù)的應(yīng)用;各級(jí)政府應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的鼓勵(lì)、扶持政策,鼓勵(lì)大型企業(yè)建設(shè)海水淡化工程等,為保障江蘇沿海地區(qū)港城、臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)、灘涂圍墾等重點(diǎn)區(qū)域的開(kāi)發(fā)提供水資源保障。

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