李赫

（山東省青島第五十八中學(xué)，山東 青島 266000）

1 全球水資源背景

“水是萬(wàn)物生命之源”，水對(duì)于生命來(lái)說(shuō)是不可或缺的，然而全球有近1/3（26 億）的人生活在缺水的國(guó)家和地區(qū)，近1/2（36億）人每年至少有一個(gè)月處于缺水狀態(tài)。從水資源的數(shù)量來(lái)看，全球水資源有限且時(shí)空分布不均；從水資源的質(zhì)量來(lái)看，絕大部分的水資源難以直接被利用。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，地球上現(xiàn)有的130 億t 水中，97.5%都是無(wú)法利用的咸水，剩余的2.5%才是淡水，且大部分存在于極地和冰雪地帶，僅有0.3%左右能真正為人類所用。

伴隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化，水的消耗量也在不斷增加。根據(jù)聯(lián)合國(guó)水機(jī)制發(fā)布的《2020 年世界水發(fā)展報(bào)告（WWDR）》[1]，過(guò)去一百年來(lái)，全球年用水量增長(zhǎng)了六倍，且每年按1%的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)，預(yù)測(cè)未來(lái)二十年將大幅增長(zhǎng)。參照這一增長(zhǎng)速度，到2030 年全球可能面臨40%的水資源短缺。

根據(jù)聯(lián)合國(guó)《2019 年世界人口展望》報(bào)告[2]，到2030 年全球人口預(yù)計(jì)將達(dá)85 億，2050 年可能增至97 億，2100 年則將突破109 億。要順應(yīng)這一人口增長(zhǎng)趨勢(shì)，維持人們的正常生活，首要問(wèn)題就是解決水資源短缺，滿足飲用水需求。

根據(jù)不同的缺水類型，主要的應(yīng)對(duì)措施如下。

（1）水源性缺水：對(duì)由于地域性分布差異導(dǎo)致的水源性缺水，可以通過(guò)大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水工程進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（2）水質(zhì)性缺水：對(duì)由于水資源受到污染造成的水質(zhì)性缺水，除建設(shè)水庫(kù)蓄水、開(kāi)渠引水、合理開(kāi)采地下水等措施以外，必須重視水的價(jià)值，愛(ài)護(hù)水源、節(jié)約用水。

（3）工程性缺水：對(duì)由于氣候原因和地理環(huán)境產(chǎn)生的水資源季節(jié)性分布不均勻（如時(shí)枯時(shí)澇），則需要通過(guò)興建水庫(kù)等水利設(shè)施，留存水源，平衡豐欠。

但上述這些解決方案都只能在一定程度上解決水資源短缺問(wèn)題，且因?yàn)獒槍?duì)不同的缺水類型，應(yīng)用范圍有限。人類要從根本上擺脫水荒，最直接也最持續(xù)的方法則是將海水、苦咸水、冰川水等不可用水變?yōu)榭捎盟?/p>

地球總水量的97%都是海水，過(guò)去人類只能對(duì)著咸得發(fā)苦的海水望洋興嘆，夢(mèng)想著有朝一日海水變淡。16 世紀(jì)人類進(jìn)入大航海時(shí)代，歐洲的航海家們開(kāi)始嘗試在船上用火爐煮沸海水，待水蒸氣冷卻凝結(jié)得到淡水，開(kāi)創(chuàng)了人工淡化海水的先河。經(jīng)過(guò)數(shù)百年的探索，人類的夢(mèng)想終于變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)——通過(guò)脫鹽將海水變淡水的海水淡化技術(shù)，自20 世紀(jì)50 年代以來(lái)在全球70 多個(gè)國(guó)家獲得大規(guī)模運(yùn)用，為人類獲取淡水資源開(kāi)辟了持續(xù)可靠的新途徑。

2 國(guó)內(nèi)水資源環(huán)境

我國(guó)作為世界上缺水嚴(yán)重的國(guó)家之一，近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市的增容和人口的增加，淡水資源缺乏問(wèn)題日益嚴(yán)峻。據(jù)“第七屆中國(guó)西部科技進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展專家論壇”的專家預(yù)測(cè)，在我國(guó)600 多個(gè)城市中，水資源狀況存在以下3 個(gè)特點(diǎn)。

（1）400 多個(gè)城市缺乏淡水。

（2）100 多個(gè)城市嚴(yán)重缺乏淡水。

（3）年缺水總量60 億m3。

我國(guó)解決水資源不足的主要措施包括跨流域調(diào)水、興修水庫(kù)、海水淡化、節(jié)約用水、防治水污染等。大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水工程如南水北調(diào)、引黃濟(jì)青、引灤入津等，在很大程度上調(diào)節(jié)了水資源空間分布不均衡，但也存在土地占用、管道和泵房建設(shè)、輸送過(guò)程中的污染風(fēng)險(xiǎn)等帶來(lái)的成本高昂?jiǎn)栴}。據(jù)有關(guān)資料，跨流域調(diào)水工程的建設(shè)成本和營(yíng)運(yùn)成本，在超過(guò)40km 時(shí)將大于海水淡化工程。

而海水淡化技術(shù)不僅可以使淡水總量增加，且不引入其他雜質(zhì)，也不受氣候等外部因素影響，因此，如何在充分利用現(xiàn)有海洋資源的基礎(chǔ)上，利用海水淡化技術(shù)進(jìn)行可持續(xù)水管理，提高飲用水的供給量，使飲用水來(lái)源更經(jīng)濟(jì)、使用更合理，成為解決關(guān)系國(guó)計(jì)民生的缺水問(wèn)題的關(guān)鍵。

根據(jù)國(guó)家自然資源部《2020 年全國(guó)海水利用報(bào)告》[3]，至2020年底全國(guó)共有135 個(gè)海水淡化工程，海水淡化水主要用于工業(yè)和生活兩個(gè)方面，其中工業(yè)用水主要集中于沿海城市的電力、冶金、鋼鐵等高耗水行業(yè)，生活用水僅限于海島地區(qū)和天津、青島兩地。圖1 為2020 年底我國(guó)現(xiàn)有165 萬(wàn)t/d 海水淡化工程在沿海九個(gè)省市的分布。

圖1 2020 年全國(guó)沿海省市海水淡化工程規(guī)模分布

為進(jìn)一步推進(jìn)海水淡化技術(shù)規(guī)?；\(yùn)用和海水淡化產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的水資源管理，保障沿海地區(qū)水資源供應(yīng)安全，2021 年6 月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、自然資源部聯(lián)合印發(fā)《海水淡化利用發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》[4]，提出“十四五”時(shí)期我國(guó)要著力于實(shí)現(xiàn)以下4 項(xiàng)目標(biāo)。

（1）提升海水淡化供水保障水平。

（2）擴(kuò)大海水淡化在工業(yè)園區(qū)的利用規(guī)模。

（3）提高海島及船舶用水保障能力。

（4）拓展淡化利用技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。

3 海水淡化基本原理和主要方法

海水淡化又稱脫鹽，是利用物理、化學(xué)、生物等方法去除海水中多余的鹽分和礦物質(zhì)，使水質(zhì)滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水的要求。

自16 世紀(jì)末開(kāi)始嘗試蒸餾法制淡水以來(lái)，人類在幾百年的探索中開(kāi)發(fā)出二十多種脫鹽方法，究其基本原理主要分為兩大類，分別為從海水中分離出淡水（如蒸餾法、反滲透法）和除去海水中的鹽分（如電滲析法、壓滲析法）。

20 世紀(jì)50 年代以來(lái)，隨著二戰(zhàn)結(jié)束后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，水資源危機(jī)加劇，以蒸餾法和反滲透法為主流的海水淡化技術(shù)開(kāi)始獲得大規(guī)模應(yīng)用。

3.1 蒸餾法

（1）基本原理：蒸餾法又稱蒸發(fā)法，將海水加熱沸騰，逸出水蒸氣，再將蒸汽冷凝得到淡水。根據(jù)能源、設(shè)備及流程的不同，蒸餾法細(xì)分為多效蒸餾、多級(jí)閃急蒸餾、蒸汽壓縮蒸餾和太陽(yáng)能蒸餾。圖2 為“蒸餾法”海水制淡水的實(shí)驗(yàn)原理。

圖2 “蒸餾法”海水制淡水的實(shí)驗(yàn)原理

（2）主要特點(diǎn)：蒸餾法對(duì)海水水質(zhì)要求不高，即使污染嚴(yán)重的海水環(huán)境也能適用；產(chǎn)出的蒸餾水水質(zhì)較高；裝置生產(chǎn)能力大；但同時(shí)能源消耗量也大。

（3）實(shí)際運(yùn)用：蒸餾法由于使用時(shí)間最早，技術(shù)較為成熟，應(yīng)用范圍頗為廣泛。現(xiàn)代工業(yè)中多用于發(fā)電廠和大型工業(yè)鍋爐的供水，淡化的海水量約占世界海水總淡化量的70%。

3.2 反滲透法

（1）基本原理：反滲透法又稱超過(guò)濾法，將僅滲透水而不滲透鹽的半透膜隔離在淡水與海水之間，此時(shí)淡水自然地滲透至海水，待海水一側(cè)液位升高至兩側(cè)壓力平衡，再通過(guò)高壓泵對(duì)海水一側(cè)施壓，使海水中的純水反滲透至淡水。圖3 為“反滲透法”海水制淡水的分步實(shí)驗(yàn)原理。

圖3 “反滲透法”海水制淡水的實(shí)驗(yàn)原理

（2）主要特點(diǎn)：由于反滲透法利用的是膜的物理滲透特性，分離淡水的推動(dòng)力僅為壓力，因此耗能較少；反滲透膜不但可以除去海水中90%以上的溶解性鹽類，且可以脫除99%以上的有機(jī)物、微生物等。

（3）實(shí)際運(yùn)用：反滲透淡化法所需能耗較低，可以風(fēng)能、太陽(yáng)能作為動(dòng)力，不但經(jīng)濟(jì)效益高，而且適應(yīng)范圍廣，尤其適用電力等常規(guī)能源缺乏的地區(qū)。且常溫操作、設(shè)備簡(jiǎn)單，所以近年來(lái)逐步得到廣泛運(yùn)用，成為海水淡化技術(shù)的“主角”。

4 海水淡化“反滲透法”工藝流程

目前得到應(yīng)用的十幾種海水淡化技術(shù)，雖然工藝流程各異、復(fù)雜程度不同，但遵循的基本分離原理一致。下面以全國(guó)首個(gè)日產(chǎn)10 萬(wàn)m3飲用水的青島海水淡化項(xiàng)目的“反滲透法”為例，闡述海水淡化工程的主要工藝流程，如圖4 所示。

圖4 青島海水淡化工程主要工藝流程

4.1 取海水

海水淡化廠的取水口始于一個(gè)海水湖。取水泵站加壓取水，進(jìn)水廊道設(shè)有攔污裝置，去除直徑大于5mm 的懸浮物。

4.2 預(yù)處理

海水沿輸水管道送至廠區(qū)，進(jìn)入預(yù)處理工藝，經(jīng)前過(guò)濾及超濾兩個(gè)系統(tǒng)，殺除海生物、去除懸浮物、添加必要的藥劑等。經(jīng)微孔過(guò)濾器和超濾系統(tǒng)，可以去除91%以上的懸浮物。

4.3 反滲透

反滲透系統(tǒng)是海水淡化的最核心裝置。經(jīng)預(yù)處理的海水通過(guò)一級(jí)反滲透系統(tǒng)，脫除海水中鹽分；經(jīng)二級(jí)反滲透系統(tǒng)，進(jìn)一步脫除硼元素。

4.4 后處理

后處理工藝中，通過(guò)投加二氧化碳、石灰、次氯酸鈉等化學(xué)試劑，調(diào)節(jié)產(chǎn)品水的pH，提高堿度和硬度，增強(qiáng)穩(wěn)定性和飲用舒適度，同時(shí)殺菌滅藻消毒。

4.5 送水系統(tǒng)（淡化水）

淡化水過(guò)濾后進(jìn)入產(chǎn)水管道，管道上安裝在線監(jiān)測(cè)儀表，實(shí)時(shí)檢測(cè)水質(zhì)。經(jīng)取樣檢測(cè)，符合國(guó)家“生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB 5749—2006）”[5]的產(chǎn)品水輸送至清水池，經(jīng)輸水泵站增壓后輸送至市政管網(wǎng)。主要的水質(zhì)指標(biāo)包括以下6 項(xiàng)。

（1）pH：6.5÷8.5。

（2）氯化物（mg/L）：≤250。

（3）硫酸鹽（mg/L）：≤250。

（4）總?cè)芙夤腆w（mg/L）：≤1000。

（5）總硬度（CaCO3）：≤450mg/L。

（6）硼（mg/L）：≤0.5ppm。

4.6 排放系統(tǒng)（濃鹽水）

經(jīng)反滲透裝置排放的濃鹽水，根據(jù)國(guó)家海洋行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海水淡化濃鹽水排放要求》（HY/T 0289—2020）[6]，與污水處理廠的污水混合排放。

5 青島海水淡化體系建設(shè)現(xiàn)狀

青島位于山東半島東南部，瀕臨渤海與黃海。作為山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心城市，青島本地水資源嚴(yán)重貧乏，人均淡水資源僅為全國(guó)平均水平的11%和世界平均水平的3%。

為改變青島市民排長(zhǎng)龍打水和工廠缺水停工的面貌，1989年11 月引黃濟(jì)青工程建成通水，日供水30 萬(wàn)m3，一定程度上緩解了青島的水荒。

為從根本上破解缺水困局，早在20 世紀(jì)50 年代起青島的水務(wù)專家和工程人員就開(kāi)始研究海水淡化技術(shù)，近年來(lái)，青島市更是充分發(fā)揮科研優(yōu)勢(shì)，全面推進(jìn)海水淡化產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)如下。

（1）2013 年1 月全國(guó)首個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)模10 萬(wàn)t/d 的海水淡化工程正式投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，供青島50 萬(wàn)市民飲用。

（2）2021 年底青島建成海水淡化裝置5 套，設(shè)計(jì)海水淡化能力達(dá)22.4 萬(wàn)t/d，約占全國(guó)已建成規(guī)模的1/7。

與此同時(shí)，青島積極參與全球海水淡化行業(yè)的合作交流，共同推動(dòng)世界海水淡化產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)如下。

（1）2008 年5 月亞太脫鹽組織（APDA）在青島正式宣布成立，標(biāo)志著以海水淡化為代表，以苦咸水淡化、飲用水凈化和工業(yè)純水制造為核心的亞太地區(qū)脫鹽事業(yè)的發(fā)展和壯大。至今，青島已連續(xù)承辦多屆“亞太脫鹽組織大會(huì)”。

（2）2005 年7 月青島首次舉辦“青島國(guó)際水大會(huì)”（2017 年前稱“青島國(guó)際脫鹽大會(huì)”），至今已成功舉辦十六屆，議題涵蓋海水淡化與水再利用各領(lǐng)域，成為亞太地區(qū)極富影響力的海水淡化產(chǎn)業(yè)交流平臺(tái)。

6 青島海水淡化體系拓展運(yùn)用

青島擁有豐富的海洋資源，兼具強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科研水平和技術(shù)條件，不僅肩負(fù)著保障青島本地水資源安全的歷史使命，同時(shí)以攜手其他沿海缺水地區(qū)，共同促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展為己任。

結(jié)合《青島市海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》制定的中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，本次探究對(duì)青島市海水淡化體系的拓展運(yùn)用提出如下實(shí)施建議。

（1）加強(qiáng)青島本地海水淡化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高海水淡化水在飲用水資源中的配置比例，擴(kuò)大海水淡化水在工農(nóng)業(yè)和高耗水產(chǎn)業(yè)的利用。

（2）推廣青島作為海水淡化示范城市的積極影響，協(xié)助其他沿海缺水地區(qū)制定飲用水解決方案，開(kāi)展海水淡化項(xiàng)目建設(shè)，提升海水淡化供給保障。

（3）借鑒海水淡化工廠建設(shè)，開(kāi)發(fā)海水淡化船運(yùn)營(yíng)新模式，實(shí)現(xiàn)“向更浩瀚的海洋要水”。

海水淡化船的實(shí)質(zhì)是一個(gè)小型的移動(dòng)的“海水淡化廠”，在具備海水淡化廠的基本功能的同時(shí)，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①取水：從深海域取水的水質(zhì)優(yōu)于近海取水，可簡(jiǎn)化各級(jí)雜質(zhì)處理系統(tǒng)，降低裝置維護(hù)成本。②排水：經(jīng)反滲透裝置排放的濃鹽水，可在更加遠(yuǎn)離人們生活區(qū)域的深海排放，降低環(huán)境污染的可能性，同時(shí)也減少了排水管道的建設(shè)成本。③供水：海水淡化船生產(chǎn)的成品水，可隨時(shí)運(yùn)輸至其他缺水的沿海城市，成為這些地區(qū)名副其實(shí)的公共備用水源。

（4）將海水淡化項(xiàng)目建設(shè)拓展為海洋戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)鏈，拓寬海水淡化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，如濃鹽水（苦咸水）綜合利用、污水資源化利用、水安全與保障創(chuàng)新技術(shù)、水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)等。

7 研究展望

水是可持續(xù)發(fā)展的核心。本次研究圍繞全球水資源緊缺這一關(guān)鍵問(wèn)題，從海水淡化的主要方法和工藝流程等角度，論證了兼顧保護(hù)環(huán)境和科學(xué)發(fā)展的海水淡化產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并基于青島海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了海水淡化體系進(jìn)一步拓展運(yùn)用的新思路。

邁入“十四五”以來(lái)，伴隨著“美麗中國(guó)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)”和“生態(tài)文明建設(shè)實(shí)現(xiàn)新進(jìn)步”的遠(yuǎn)景目標(biāo)，國(guó)家對(duì)水處理領(lǐng)域提出了綠色發(fā)展和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的要求。作為海水淡化與水再利用行業(yè)領(lǐng)頭羊的青島，將依托“青島國(guó)際水大會(huì)”的交流平臺(tái)及蓬勃發(fā)展的海水淡化產(chǎn)業(yè)，攜手各國(guó)共同探討新技術(shù)，發(fā)掘新機(jī)遇，分享新成果，共同推動(dòng)世界海水淡化技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。