海水与苦咸水资源利用的技术方向

张维润
国家海洋局杭州水处理技术开发中心

　　海水淡化是指将3500mg/L的海水淡化至500mg/L以下的饮用水。目前，世界上装机应用的海水淡化方法主要有反渗透法(RO)和多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MED)。苦咸水脱盐是将高含盐量的地表、地下苦咸水脱盐至生活用水或工业用初级纯水，主要采用反渗透法(RO)、纳滤法(NF)和电渗析法(ED)。
　　据国际脱盐协会统计，截至1995年底，全球日产水量在100m³以上的装置有11066台，每天生产淡水2030万m³。截至1997年底，装置总数12451台，日产水2273万m³，其中海水淡化为日产1337万m³，苦咸水淡化为日产5840万m³，且以年10～30%的速度增长。就海水淡化而言，装机容量以MSF为主，但近年来RO发展很快。MSF除极大型装置外，1995年以来合同额极少。MSF从1989年的84.4%降为1997年的76.04%。而RO从1989年的5.6%上升为1997年的14%。MED1989年占6.7%，至1997年仅占5.47%。
　　对苦咸水脱盐RO占绝对优势，占76.23%，投资和造水成本更低。对废水和水净化RO也分别占到约65%和94%。1995年后，新增海水淡化和苦咸水淡化容量RO为90%。最大RO海水淡化厂建在沙特阿拉伯，日产淡水12.8万m³。最大地表水RO苦咸水淡化装置建在美国，日产水38万m³。
　　目前海水淡化装置的年销售额达到100亿美元，且以20%左右的年增长速度持续发展，供应商主要是美国和日本，应用地区主要是中东地区、地中海地区和加勒比海地区，其次是东南亚和北非地区。
　　我国海水淡化技术应用从上世纪七十年代初推广用水型ED海水淡化器开始，“九五”期间相继建成了RO淡化装置，多为小型或示范工程。

部分海水、苦咸水淡化装置 项 目 日产量(m³) 承担单位 使用单位 完成时间 ED 海水淡化装置 200 杭州水处理中心 西沙部队 1981年 NF 海岛苦咸水淡化装置 120 杭州水处理中心 山东长岛县 1996年 RO 海水淡化装置 500 杭州水处理中心 浙江嵊泗县 1997年 RO 海水淡化装置 200 广东新世纪水处理公司 大亚湾核电厂 1990年 RO 海水淡化装置 1000 北京绿色源泉公司 大连长海县 1999年 RO 海水淡化装置 200 上海宝钢 1999年 RO 海水淡化装置 1000 杭州水处理中心 山东长岛县 2000年 RO 海水淡化装置 1000 杭州水处理中心 浙江嵊泗县 2000年 RO 海水淡化装置 18000 广西玉柴绿源环境公司 沧化集团 2001年 * 苦咸水淡化装置 10000 蓝星水处理公司 甘肃定西县 2002年 *RO 海水淡化装置 10000 杭州水处理中心 山东石岛 2002年 注：国家计委十五示范工程， 自产膜组件占 50%

　　电渗析是我国开发研究最早的膜技术，起始于1958年。十多年来，离子交换膜的年产量在40万m²以上，占世界水脱盐用膜的30%。我国是世界上使用电渗析装置进行苦咸水脱最多的国家。工艺技术精湛、装置价格低廉，外商无法与我国竞争。目前有140余套日产量在1000～5000m³的苦咸水ED脱盐装置在运转，多将含量在1500～3000mg/L的苦咸水脱盐至生活用水。低浓度苦咸水脱盐的最大装置建于河南巩县电厂，日产水量7200m³。工艺用水的最大ED装置建于金山石化公司，日产水6600m³。中、小型苦咸水脱盐装置分布在华北、东化、西北各地，约3000余套。

　　膜技术为脱盐、净化的主流技术

　　RO、NF、ED等具脱盐功能的膜技术将成为新世纪海水淡化、苦咸水脱盐的主流技术，工程稳定可靠与造水成本低廉是吸引用户的主要原因。
　　脱盐膜组件已十分成熟，世界各生产膜组件的公司仍十分重视RO膜与组件的技术创新，目的在于开发抗氧化、耐细菌侵蚀的新膜，提高膜与组件的产水量、脱盐率等。如美国DOW公司推出FILMTECBW30—440膜元件，在约1.05MPa压力下，产水量43.5m³/d，脱盐率大于99%。FluidSystems公司推出PremiumTFC新元件，其苦咸水和海水膜元件的脱盐率分别高达99.7%和99.8%。日本的东丽公司和日东电工公司已开发出可耐的9.0Mpa的海水淡化膜，已在西班牙建造了水回收率高达60%的两段RO海水淡化装置。
　　1990年反渗透膜组件价格，按消费价格指数折算仅为1973年的40%。1990年之后又有明显的下降。按从标准海水生产淡水计，目前工程投资为MSF在1800～2000＄/m³.d，低温MED在1100～1600＄/m³.d，RO在700～900＄/m³.d。
　　采用功能交换器(WorkExchangeEnergyRecovtry)，将从RO组件排出的高压浓水的压力回收并传递给组件进水，其转换效率可高达89%～96%。ScottAShumway报导，一种新型的能量回收装置已成功应用到13600m³/d和5000m³/d的反渗透海水淡化装置上，过程能耗为2.6kwh/m³，GoodF.Leitner指出加上预处理能耗，总能耗为2.83kwh/m³。这是近几年在工艺方面的突出进展。
　　StevenJ.Duranceau等报道，1996年佛里达水服务公司在Marco岛对现有15000m³/d苦咸水淡化进行改造，通过使用段之间的能量回收透平，使系统的产水量增加3780m³/d，增幅达25%。段之间能量回收透平适用于苦咸水反渗透淡化，含盐量7500～10500mg/L，淡化能耗降到0.82kwh/m³。
　　在反渗透每水淡化流程中，采用纳滤(NF)作为预处理，即MF—RO系统，NF脱除部分硬度和TDS，从而提高RO的水回收率，可进一步降低能耗在25%，造水成本可降低30%。
　　目前各种淡化方法在能耗方面都无法与RO竞争。RO为4～5kwh/m³、ED为14～16kwh/m³、MED为9～10kwh/m³、MFS为12～14kwh/m³。
　　我国已建成的RO脱盐装置经济技术指标达到国际先进水平。山东长岛日产1000m³RO海水淡化装置，耗电为4.5kwh/m³。沧州集团日产18000m³RO装置，地下水含盐量约13000mg/L，淡水低于500mg/L，耗电为3.1kwh/m³。国家计委“十一”甘肃定西10000m³苦咸水脱盐RO示范项目，原水3500mg/L，淡水150mg/L，水回收率大于70%，估算成本为0.77元/m³。
　　纳滤技术的开发与应用比反渗透膜大约晚二十年。目前，国内外都很活跃。纳滤膜介于反渗透和超滤膜之间，其膜表面分离皮层具有纳米纳微孔结构。相对于反渗透膜对NaCL的脱除率均在95%以上，一般将NaCL脱除率在90%以下的膜称之为纳滤膜。反渗透膜几乎对所在溶质都有很高的脱除率，而纳滤膜只对特定的溶质具有脱除率。纳滤膜主要去除一个纳米左右的溶质粒子，截留分子量一般为100～2000。纳滤膜主要用于脱除三卤甲烷中间体(THM)，异味、色度、农药、合成洗涤剂、可溶有机物等致病因子，以及苦咸水脱除Ca、Mg等硬度成分。目前国外城市饮用水已有日产水5万m³级的大型装置。纳滤将是新世纪饮水市场的优选技术。

　　脱盐、浓缩在废水资源化中的应用

　　海水淡化为高含盐水的脱盐技术，以淡水为成品水则为脱盐，以浓水为成品水则为浓缩。海水淡化与高浓度废水处理，特别是无机系废水处理具有同类装置与较多共性工艺技术。
　　反渗透处理电镀废水、放射性废水已很成熟，上世纪七十年代开始用于镀镍漂洗废水处理，尔后又用于镀铬、镀铜、镀锌、镀镉等废水处理。美国芝加哥API工艺公司采用B—9芳香族聚酰胺中空纤维膜组件处理WattNi漂洗水，废水含Ni2-650mg/L，经RO浓缩20倍达到13000mg/L、Ni2-的分离率为92%。北京广播器材厂用醋酸纤维素膜处理亮镍和暗镍的漂洗废水，废水中Ni2-为1510～2400mg/L，系统Ni2-的回收率＞99%。
　　由于ED海水淡化的耗电为RO的3倍。在海水淡化中的应用愈来愈少，其在苦咸水脱盐中仍有较大竞争优势。日本全部应用ED浓缩海水制盐。离子交换膜具有很强的耐酸、碱性，耐氧化性，在含酸、碱、盐高的废水处理中应用十分广泛。如Al2O3生产零排放工程。将Al2O3生产废渣赤泥上的结合碱和附液碱，通过加石灰乳和通入蒸气，从固相转移到液相，形成约含8g/LNaOH的复杂溶液，微孔过滤后进入电渗析，制取含碱＜500mg/L的生产用水和工艺用2NNaOH。
　　我国ED、RO用于废水处理，以膜集成技术发展零排放工程为开发方向，不仅回收有效成分，其回收的淡水可做工艺或生活用水。
　　我国西部石油天然气开支中，从深井涌出的含盐量在10000～30000mg/L的卤水，用ED——蒸发法制盐工艺已经开发，电渗析将卤水脱盐至2000mg/L以下，供灌溉，浓缩至140g/L，提取Br、I后，浓缩制盐。另外，用RO——ED——三效蒸发(浸没燃烧)的工艺正计划开发。RO将卤水脱盐后400mg/L以下，成为优质饮用水，浓缩到50～60g/L，可回灌井中，或再用ED浓缩到120g/L，蒸发——喷雾干燥，制成固体盐。

　　大力发展膜水处理技术产业

　　就水处理行业来说，至上世纪末，国产和进口膜产品及膜法水处理工程年销售额达20亿人民币。预计20065年，可达到40亿人民币左右。据统计，进口膜元件和装置约5.5亿人民币、成套进口装置承担工程约5亿人民币，外商占中国膜技术市场的50%。中国大小近200个企业，产值约11亿人民币。中国膜技术市场多年来一直呈现为国际竞争市场。国内企业比较小，市场竞争能力较差。
　　我国膜技术与世界先进国家相比差距约10年左右，主要是膜的品种少、性能差。我国膜法水处理工程技术接近世界先进水平，因市场急需，招致大量膜元件进口。增加投入，引进国外先进技术、设备、人才，高起点的发展膜产品制造业，生产具有自主知识产权的高性能膜组器是提高市场竞争能力的关键。这需要膜技术产业进行资源整合，形成资金、技术、人才优势，组建现代企业，使具有强有力的市场开拓能力和持续创新能力。海水淡化工程的配套设置如耐腐蚀高压泵、能量回收装置等也靠进口，还需要发展配套产业。
　　海水、苦咸水资源的开发利用需要国家政策支持。国家、省、市都应引导海水、苦咸水的开发利用，对多种开发淡水资源方案进行科验论证。美国海水淡化专家Gordon指出，从250公里调用可饮用水，其能耗与海水淡化相当。我国沿海工业发达城市可供鉴国外经验发展海水淡化。世界干旱地区地下水利用率一般达60～70%。我国西北地区地下水开发利用程度低。目前地下水开采仅104亿m³，为地下水可开采量370亿m³的28%。西北仅局部地区和城市地下水超采，可利用该地区的苦咸水为经济和社会发展提供一定的水源保证。
　　为促进膜技术产业发展，可在沿海或内陆地区建立海水、苦咸水资源开发示范工程，使工程规模和经济技术都达到国际水平。可建立不同技术发展模式的示范工程，如RO、NF、ED等，也可建立不同管理和运营模式的示范工程，在广大牧区和海岛可建立小型太阳能、风能海水或苦咸水脱盐装置。积极开展技术培训和技术交流活动。