關于江蘇沿海地區發展海水淡化產業的思考

戴 嶺,吳宏霞,韋 飛,王 鵬

(江蘇省農業資源開發局,江蘇 南京 210008)

1 反滲透法海水淡化技術簡介

1.1 海水淡化發展概況

人類早在2000多年前就開始思考海水淡化問題?，F代意義上的海水淡化則是在20世紀40年代開始的,起步技術是蒸餾法。海水淡化技術的大規模應用始于干旱的中東地區。由于中東地區獨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解決淡水資源短缺問題的現實選擇,并對海水淡化裝置提出了大型化的要求,現代海水淡化產業也由此步入了快速發展的時代,到20世紀70年代前后初步形成了工業化生產體系。由于世界上70%以上的人口都居住在離海洋120 km以內的區域,因而海水淡化技術近20多年迅速在中東以外的許多國家和地區得到應用。最新資料表明,到2003年止,世界上已建成和已簽約建設的海水和苦咸水淡化廠,其生產能力已達到3 600萬t/d。目前海水淡化已遍及全球125個國家和地區,淡化水大約解決世界5%人口的生活用水。海水淡化事實上已經成為沿海地區解決水危機的重要戰略手段之一,具有經濟、實用、靈活等特點,有著廣闊的開發前景。

1.2 主流海水淡化技術評述

目前全球海水淡化技術已超過20余種,但實踐表明,真正實用的海水淡化技術只有離子交換法 (IE)、電滲析法(ED)、反滲透法 (R O)、多級閃蒸(MSF)、膜蒸餾 (MED)5種已達到了工業生產的應用規模。我國在多級閃蒸海水淡化方面還處于開發研究階段,不具備獨立的技術和設備制造能力。膜蒸餾法尚未設計出符合大規模生產需要的膜組件,因此其應用受到了限制。

離子交換法主要是利用離子交換樹脂吸附離子的原理達到海水淡化的目的。其優點是目前除鹽最為徹底,缺點是運行成本隨原水含鹽量的上升而大幅增加、設備操作復雜和易繁殖細菌。

電滲析法是利用電場的作用,強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。優點是我國電滲析海水淡化技術已經接近世界先進水平,設備基本實現國產化,除鹽率高,操作方便。缺點是對原水水質要求嚴格,對不帶電荷的物質如有機物、膠體、微生物、懸浮物等無脫除能力,水回收率低,因此其應用受到局限。

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

1.3 反滲透法 (RO)海水淡化技術

反滲透法(R O)通常又稱超過濾法,是1953年才開始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質透過的半透膜,將海水與淡水分隔開。在通常情況下,淡水通過半透膜擴散到海水一側,從而使海水一側的液面逐漸升高,直至一定的高度才停止,這個過程為滲透。此時,海水一側高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側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。反滲透法的最大優點是節能。因此,從1974年起,美、日等發達國家先后把發展重心轉向反滲透法。其優點在于:

(1)裝置投資省 (投資費用約為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)、建設周期短,設備及操作簡單易于自動控制,腐蝕和結垢程度較輕。

(2)兼容性好?？膳c幾種膜技術混合使用,或配套其它水處理技術,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,當原水含鹽量較高時反滲透膜處理對運行成本影響不大。

反滲透技術存在的問題主要是膜的壽命。我國反滲透技術還未達到世界先進水平,性能優異的關鍵部件如反滲透膜、高壓泵、能量回收裝置需進口,進口膜使用3～5 a后更換率約為5%。

需要說明的是:①海水由咸轉淡后因硬度低、pH值偏酸性,還必須用CaCO3和CO2調節,使之符合人體所需的弱堿性,并提高水的硬度,才能達到生活飲用水的標準;反滲透法產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 應用反滲透海水淡化 (SWRO)系統的實例及造水成本現狀

2.1 國外新建海水淡化反滲透 (SWRO)廠的裝置回收率和產水價格[2]

國外新建海水淡化反滲透 (SWRO)廠的裝置回收率和產水價格見表1。

表1 有關水廠SWRO回收率及產水價格表

2.2 威海電廠海水淡化系統成本[3]

威海電廠采用美國陶式TFC復合膜,TFC復合膜由3層組成。根據實際計算威海電廠反滲透海水淡化運行成本為:一級反滲透制水成本6.4元/t,二級反滲透制水成本7.2元/t。由于二級反滲透出水 (導電率約4.2μ s/cm)并不能滿足鍋爐補充水 (導電率小于0.2 μ s/cm)的要求,所以必須再進入化學混床處理,才能進入鍋爐,此時補充水成本為12.0元/t左右。而用自來水處理成鍋爐補充水,其軟化成本在12.5～14.0元/t。所以,海水淡化不但不會增加發電成本,而且解決了威海電廠淡水緊缺的問題。

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預處理加三級反滲透膜分離技術生產鍋爐除鹽水。其中一級反滲透 (RO)的產水量為5 500 t/d,三級反滲透的產水量為5 000 t/d。海水淡化裝置運行期間,裝置耗電4～4.5 kW/t,一級膜化學清洗周期為3個月。若采用ERI美國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。鍋爐水質造水成本9.20元/t,循環水質造水成本1.05元/t。

2.4 浙江沿海地區反滲透海水淡化 (SWRO)成本[5]

浙江省是我國反滲透海水淡化投入實踐最早的地區。目前,浙江海水淡化主要解決居民飲水問題。綜合成本在5元/t左右,明顯高于當地(杭州)自來水水價(1.85元/t),其成本構成見表2。

表2 岱山和嵊泗兩廠SWRO成本比較表 元/t

續表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,造水成本構成見表3。

表3 天津SWRO示范工程 (1 000 t/d)成本表元/t

2.6 國內沿海某2×1 000 MW超超臨界機組電廠的海水淡化系統 (640 t/d)[7]

國內沿海某2×1 000 MW超超臨界機組電廠的海水淡化系統成本見表4。

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

2.7 造水成本隨國際原材料成本價格浮動[8]

由于技術進步,國內外淡化水的成本呈下降趨勢。近年來,我國各處報出的淡化水價格為5元/t上下。其實這一數字并未得到嚴格的考核。研究認為,僅就設備投資和基本運行費用而言是可能的,但若加上合理的電價,其成本則要高于5元/t。受國際海水淡化成本的影響,呈現浮動式規律。國際反滲透淡化水成本趨勢見圖1。

圖1 國際反滲透淡化水成本趨勢圖

3 關于江蘇沿海地區發展反滲透法海水淡化產業的思考

3.1 發展海水淡化產業的必要性

(1)區域淡水資源的需求。江蘇沿海開發的區域包括擁有海岸線的連云港、鹽城和南通市區及其下轄的17個縣(市、區),總面積3.25萬km2。

該區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%。隨著沿海地區新一輪開發戰略的實施,該區域對淡水資源的需求將進一步增長,據預測,到2020年沿海地區生活、生產、生態用水量將增加30億m3左右。因此,江蘇沿海局部屬于資源性缺水的地區。為保障沿海地區港城、臨港產業區、灘涂圍墾等重點區域開發,江蘇省委、省政府明確到2015年,沿海地區新增供水能力達15億m3/a以上,主要是調引長江水輸送到沿海主要港城港區和灘涂圍墾開發區。

(2)水質狀況。近年來,江蘇沿海地區水污染防治取得了一些成效,但總體形勢依然十分嚴峻,水質超標趨勢還在加重,由于地下水超采,南通、鹽城部分地區已形成地下水漏斗區。根據監測資料評價,江蘇沿海僅有26.5%的水功能區年均水質達標,其中飲用水水源區水質達標率為33.3%。沿海港區和灘涂墾區處于輸水支線工程末端,水生態環境尤為突出。2008年江蘇沿海地區26條主要入海河流河口水域水質類別符合或優于地表水環境質量標準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%。江蘇臨海地區又是水質性缺水地區,沿海港城、港口、工業開發區、墾區及廣大農村的人民的飲水并不安全,許多人仍喝著“苦咸水”。

(3)城鎮化及岸線利用加快。根據《江蘇沿海地區五年推進計劃》,按照將連云港建設成為國際性海港城市、鹽城建設成為現代化工商城市、南通建設成為長三角北翼經濟中心的定位,加速人口和產業集聚,推進港口、港城和臨港產業協調發展,做強中心城市,提高集聚輻射帶動能力。到2015年連云港、鹽城、南通市中心城區人口分別達到150萬、150萬、160萬。推進沿?？h城東向發展,沿海14個縣(市、區)城人口規模達到20萬～30萬人。加快建設連云新城、大豐港城、燕尾港鎮、如東長沙鎮等一批臨海新興城鎮,形成一批具有鮮明產業、文化、資源特點的特色小城鎮?？梢灶A見,經濟增長加快,人口數量增大,城市化水平不斷提高,將使得飲用水水資源缺口越來越大,這將成為阻礙江蘇沿?？沙掷m發展的瓶頸。

(4)在沿海已建或規劃建設一定數量的火力發電廠,對淡水的需求有特定的要求。

(5)不可預見因素的客觀存在,需要多途徑提供水源。海水淡化是一種可靠的戰略水資源。江蘇省擁有954 km海岸線,沿海岸線13個縣(市、區)均在建設或規劃建設港口港城,另外隨著大規模圍墾工程的實施,現有水資源配置方案將難以應對突發應急事件,因此海水淡化應上升為水資源的重要補充的戰略地位。

3.2 發展反滲透法海水淡化產業的可行性

(1)海水淡化相關政策相繼出臺。2005年國家出臺《海水利用專項規劃》,明確要求扶持海水淡化產業發展;《國家“十二五”海洋科學和技術發展規劃綱要》提出,國家將建立示范工程,加快海水淡化的自主化和規?；l展;據報道,國家 《“十二五”海水淡化科技發展專項規劃》也正在制定中。江蘇省水利等相關規劃也明確提出“推廣海水淡化技術并實現產業化發展,鼓勵利用海水的產業發展”。海水淡化產業發展已進入加速期。

(2)反滲透法造水成本有望進一步降低。根據有關規劃,我國將在 “十二五”期間大幅度提高反滲透膜的自給率,形成完備的規?；a能力并實現進口替代,設備國產化是一條降低成本之路。杭州水處理中心生產的反滲透膜已經在浙江省六橫島首次投入使用,這是國產膜第一次工程化、規?；膽?國產化率提高后的海水淡化成本有望進一步降低。

(3)可以與相關產業有機結合。具體表現為,相關上游產業提供的能源動力,即熱電廠或煉鋼廠等高能耗企業提供生產余熱作為淡化海水的生產熱能;下游相關行業中的企業對濃縮海水的開發利用,即曬鹽場使用濃縮海水制鹽,原鹽用于下游的化工行業的企業生產原料,發展鹽化工業等,發展循環經濟。

3.3 幾點思考

(1)盡早開展基礎研究工作。摸清臨海居民和工業用水時間、空間分布的數據,弄清缺水現狀和用水需求,在對海水資源性狀等進行充分研究的前提下,規劃海水淡化產業發展,并在沿海地區部署試點示范反滲透淡化技術的應用,加強政府的組織領導。

(2)鼓勵大型企業建設海水淡化工程。沿海地區經濟要發展,不可避免會降低準入門檻而引進一些能耗較高的大型企業。政府應鼓勵這些企業承擔相應的社會責任,根據自身生產特點開發淡化潛力,造福當地。

(3)各級政府應出臺相應的鼓勵、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助,在運行電價上有所優惠,或建立退稅機制,用于海水淡化制水補貼等。

4 結 語

綜上所述,由于江蘇沿海地區存在資源性、工程性和水質性缺水的現象較為突出,隨著該省沿海地區新一輪開發戰略的實施,該區域對淡水資源的需求將進一步增長,供需矛盾更為突出。解決的途徑是,除調引長江水輸送到沿海主要港城、港區和灘涂圍墾開發區外,還需加強政府的組織領導,系統調查江蘇沿海海水利用基本狀況,評價開發利用前景,推進?？诘途C合利用的科研開發和產業發展,盡早開展海水資源利用的基礎研究工作,摸清臨海居民和工業用水時間、空間分布的數據,弄清缺水現狀和用水需求,在對海水資源性狀等進行充分研究的前提下,規劃海水淡化產業發展,并在沿海地區部署試點示范反滲透淡化技術的應用;各級政府應出臺相應的鼓勵、扶持政策,鼓勵大型企業建設海水淡化工程等,為保障江蘇沿海地區港城、臨港產業區、灘涂圍墾等重點區域的開發提供水資源保障。

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