搜索
海水淡化技术简介曲艳春，盛飞，杨浩文，张博（北京朗新明环保科技有限公司）摘要:本文着重讨论了海水淡化工程中的取水系统、预处理系统、淡化系统的主要工艺技术路线，详细阐述了各种工艺路线的优缺点，指出了工程设计中工艺路线的选择依据。关键词：水资源短缺；海水淡化；取水；预处理；反渗透膜法；低温多效；多级闪蒸1、概述水资源是基础性的自然资源，水资源可持续利用是关系到我国经济社会发展的重大战略问题。水是生命之源，是社会经济发展的动脉。虽然地球上70%的面积被水覆盖，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5~3%。随着世界环境的变化，人口的增长、人民生活水平的提高及工业化的迅速发展，当今整个世界都面临严重的淡水资源短缺的局面。过去的三个世纪里，人类提取的淡水资源量增加了35倍，1970年达到了3500平方公里。本世纪的后半叶，淡水提取量每年增加4－8％，其中农业灌溉和工业用水占了增长的主要部分，特别是本世纪70年代“绿色革命”期间，灌溉用水翻了一番。据有关国际组织预测，到2050年，预测生活在缺水国家中的人口将增加到10.6亿和24.3亿之间，约占全球预测人口的13-20％。我国更是一个水资源严重短缺的国家。进入21世纪，我国水资源供需矛盾进一步加剧。据预测，2010年全国总供水量为6200～6500亿m3，相应的总需水量将达7300亿m3，供需缺口近1000亿m3，2030年全国总需水量将达10000亿m3，全国将缺水4000～4500亿m3。也就是说，在今后30年中，水资源供水量要增加4000～4500亿m3。为了解决水资源日益短缺的问题通常的方法是“开源、节流”。充分利用地下水和地表水资源、分质供水、污水回用、就近或跨流域引水等这几种方法都是“节流”。毕竟水资源有限，“节流”潜力有限.。我国海岸线总长三万二千公里，海水资源非常丰富，而海水却是取之不尽用之不竭的，利用海水淡化提供淡水解决水资源问题是“开源”，所以海水淡化是海滨地区解决水资源不足的根本途径。鉴于人类的70%居住在距离大海不到120公里的地方，故将浩瀚的大海作为获取淡水的来源，淡化海水作为现有的水源的有利补充措施，在一定条件下可满足人们生活用水的需要。随着海水淡化技术的发展和海水淡化水量需求的增加，,海水淡化已经成为解决水资源短缺的重要途径，愈来愈得到一些沿海国家的高度重视，同时也进一步推动了海水淡化技术的快速发展。海水淡化技术的发展与工业应用，已有半个世纪的历史，在此期间形成了以多级闪蒸、反渗透和多效蒸发为主要代表的工业技术。专家普遍认为，今后三、四十年在工业应用上，仍将是这三项技术“唱主角”，但反渗透的比重将越来越大。从地区上来讲，中东海湾国家仍将以多级闪蒸为首选，因为它具有大型化和超大型化（单台设备产水量目前已高达日产淡水4～5万吨），因为其预处理费用低适应于污染重的海湾水；然而在中东以外地区将以反渗透或膜法为首选，因为膜法的能耗和成本都具有优势，以北美地区为例，近期的发展已经表明，在淡化和水处理方面都将以膜法为主。不论采用何种淡化方法一个完整的海水淡化工程均包括取水、预处理、除盐。2、海水取水取水工程是海水淡化厂建设的重要组成部分之一，对保证为海水淡化厂提供足够、稳定、持续、高品质水源具有重大意义。原海水的水质与取水岸滩的地质条件及取水方式、取水口的位置有关。根据取水点的位置及取水岸滩的地址条件，一般可分为沙滩井取水、深海取水及表面取水。沙滩井取水是在海岸线边上建设取水井，从井里取出经过海床渗滤过的海水，作为海水淡化水的水源。由于海水经过海砂的过滤，其水中浊度低，悬浮物含量低，水质最好，但是取水建筑占地面积大，取水量少，有可能出现水质不稳定等的状况，仅适合小型的海水淡化系统。深海取水是通过修建管道，将外海的深层海水引到岸边，再通过建在岸边的海水取水泵房为淡化水厂供水。深海取水位置一般在海面35m以下，微生物、悬浮物等杂质的含量较少，水质相对较好且比较稳定，但是。深海取水由于受到各种条件的限制加之施工复杂、投资较大等因素的影响，一般也不适宜大型海水淡化系统。表面取水是应用较多的海水取水方式，水质相对较差，水质随季节性变化较大，处理工艺复杂。但是表面取水具有投资少、适应范围广、应用经验丰富、运行维护简单方便等特点具体广泛的实用性。在选择取水口位置及取水方式时，应该综合考虑海水淡化厂的建设规模、投资规模、海水淡化工艺对水质的要求、取水口的水文地质条件等因素。3、海水淡化预处理工艺海水中除含有大量的溶解性无机盐外还含有悬浮物、胶体、无机盐、微生物、藻类、有机物等污染物质，对原海水进行预处理，对保障产水水质及延长设备的使用寿命和运行周期具有非常重要的意义。预处理系统设计的是否合理是整个海水淡化系统运行的好坏、成败的关键因素。预处理工艺的选择与原水水质及海水淡化装置对进水水质的要求有着密切的关系。一般情况下反渗透海水淡化系统对进水水质要求较高，所以相应的预处理系统相对复杂，热法（低温多效、或多级闪蒸）对进水水质要求较低，简单的的预处理系统就能满足要求。反渗透海水淡化系统一般采用杀菌消毒、混凝、澄清、介质过滤、膜过滤等技术作为预处理工艺。典型工艺有：海水—杀菌消毒—混凝、澄清—多介质过滤—细砂过滤器—海水反渗透系统海水—杀菌消毒—多介质过滤—细砂过滤器—海水反渗透系统海水—杀菌消毒—混凝、澄清—超（微）滤膜过滤—海水反渗透系统海水—杀菌消毒—混凝、澄清—多介质过滤—超（微）滤膜过滤—海水反渗透系统海水—杀菌消毒—超（微）滤膜过滤—海水反渗透系统热法海水淡化工艺，由于操作温度高系统结垢倾向比较严重，因此其预处理工艺一般采用加杀菌剂、加酸、脱气处理方式，但是其对进水的悬浮物含量要求不高，法国SIDEM公司建议装置进水的悬浮物小于50mg/l，以色列IDE公司要求装置进水的悬浮物小于25mg/l。所以热法海水淡化装置的预处理工艺一般有：沉砂池、沉砂池+填料脱气塔、沉砂池+混凝沉淀。海水淡化预处理工艺的选择应具体工程具体分析，充分考虑系统运行的安全可靠性、投资等因素。4、海水淡化技术海水淡化即海水经过一系列的过程脱除盐分变为淡水的过程，即分离海水中盐与水的过程。根据能量利用方式不同主要分为四种形式：热能法（蒸馏法和冷冻法）、机械能法（压透析法和反渗透法）、电能法（电渗析法）化学能法（溶媒抽出法和离子交换法）。随着清洁能源和可再生能源技术的发展，如太阳能、风能、核电的技术的发展，其与海水淡化技术相结合，进一步拓宽了海水淡化技术的应用。海水淡化技术虽然很多，但是常用的只有两种，我们统称为热法和膜法，即蒸馏法和反渗透膜法，其中蒸馏法又分为多级闪蒸、低温多效、压汽蒸馏。随着海水淡化规模的不断扩大及其技术的不断发展，热膜结合也将得到广泛的应用。4.1多级闪蒸多级闪蒸(简称MSF)是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下，部分海水急骤蒸发的现象。多级闪蒸海水淡化是将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水。MSF装置的优点是单机容量大，最大的可达到5万吨/天；产品水盐度一般为小于10毫克/升。装置使用寿命长、出水品质好、热效率高。但由于装置浓缩海水的最高操作温度在110℃~120℃左右，对传热管和设备本体的腐蚀性较大，必须采用价格昂贵的铜镍合金、特制不锈钢及钛材，因此设备造价高；调试工作量大，各级水位的调整比较麻烦，有泄漏会使成品水受到污染，如水质不满足要求则需要强迫停机处理等。另外，为了减轻结垢和腐蚀，对进入装置的海水加酸和进行脱气（脱除CO2和O2），因而也增加了造水成本。适用范围：可用于以火电厂或核电厂的背压或抽汽式透平的低位蒸汽为热源的大型海水淡化工程，为高中压锅炉提供优质脱盐水，也可是生活用淡水。1.2低温多效低温多效的原理是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，蒸汽进入第一效蒸发器，与进料海水热交换后，冷凝成淡化水；海水蒸发，蒸汽进入第二效蒸发器，并使几乎同量的海水以比第一效更低的温度蒸发，自身又被冷凝。这一过程一直重复到最后一效。连续产出谈化水。低温多效蒸馏主要特点是盐水的蒸发温度不超过70℃，减缓了设备的腐蚀和结垢；并得到较高的造水比。同时由于使用了较低价的传热材料，使得同样的投资规模可以设计更多的传热面积。热效率比多级闪蒸高，30余度的温差可达到10左右的造水比；操作负荷可从40％到110％变化，造水比不会下降，弹性较大；能耗较低；前处理较简单，化学药剂消耗较低；系统的操作安全可靠，即便发生传热管泄漏，仅仅降低产量而不会影响水质。但由于海水的蒸发温度不超过70℃，要进一步提高热效率受到制约，同时蒸汽的比容较大，要求设备体积较大，装置费用较高。适用范围：可用于以火电厂或核电厂的背压或抽汽式透平的低位蒸汽为热源的大型海水淡化工程，为高中压锅炉提供优质脱盐水，也可是生活用淡水。1.3压汽蒸馏技术压汽蒸馏技术(简称VC)是海水蒸发过程所产生的二次蒸汽，经压缩机增压，蒸汽饱和温度相应提高，再输入到蒸发器管束内，作为进料海水蒸发的热源，并自身冷凝为淡化水。蒸发过程所产生的二次蒸汽具有较高的焓值，将其轻易地冷凝或排弃是能量的较大浪费，利用的方法有两种，其一是象前面所阐述的多效蒸发或多级闪蒸那样直接重复利用，其二是用机械压缩机将其稍加压缩，提高其压力后再输入到系统中去，蒸汽压力提高之后其饱和温度相应提高，因此输入系统后可以作为加热热源使用，从而构成一个闭路循环，这种方法称为压汽蒸馏或热泵蒸发法压汽蒸馏按操作温度可分为常压压汽蒸馏和负压压汽蒸馏两种。从结构上，又分为水平管降膜喷淋式和垂直管式两种形式；前一结构的优点是料液自液体分布器出来之后，在水平传热管上以薄膜的形式分布，又依靠重力向下实现再分布，由于液膜分布薄且均匀，因而传热系数高，并且蒸发器结构简单，在海水淡化领域得到广泛应用。主要优缺点：压汽蒸馏与多效蒸馏的技术十分类似，差别在于前者使用压缩机，而后者用蒸汽驱动。所以压汽蒸馏是多效蒸馏技术在只有电能没有蒸汽的情况下，在中小型装置的应用领域的进步一拓展。适用范围：适用于仅有电能的地方，主要建造中小型装置，例如孤岛的地方。1.4反渗透法通常又称逆渗透法，为无相变过程，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中，这一过程称为反渗透。反渗透法的最大优点是节能。特别是反渗透系统和能量回收装置的完美组合，使反渗透海水淡化技术的迅速发展奠定的基础。它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。因此，从1974年起，美日等发达国家先后把发展重转向反渗透法。反渗透海水淡化技术发展很快，能耗低，每吨淡水耗电3.0-5.5度，工程造价和运行成本持续降低，装置紧凑，占地较少；操作简单，维修方便。反渗透的预处理要求严格，反渗透膜需要定期清洗和更换，海水温度低的情况下需加热处理。主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，增强系统抗污染能力，廉价高效预处理技术，特别是超滤技术的进一步应用，使反渗透海水淡化技术的应用更为广泛。适用范围：适合大、中、小型海水及苦咸水淡化。1.5热膜联产热膜联产主要是采用热法和膜法海水淡化相联合的方式（即MED-RO或MSF-RO方式），满足不同用水需求，降低海水淡化成本。其优点是：投资成本低，可共用海水取水口。RO和MED/MSF装置淡化产品水可以按一定比例混合满足各种各样的需求。适用范围：适合大型海水及苦咸水淡化1.6水电联产水电联产主要是指海水淡化厂和电厂联产联供。由于海水淡化成本在很大程度上取决于消耗电力和蒸汽的成本，水电联产可以利用电厂的蒸汽和电力为海水淡化装置提供动力，从而实现能源高效利用和降低海水淡化成本。特别是膜法海水淡化工程由于海水的温度直接影响到海水反渗透膜的膜通量和所需的给水压力，当海水温度低于0℃时系统将