苦咸水利用技术

苦咸水利用技术 www.jsbwater.com 2005-10-24 中国建设信息水工业网 杨蛟云1 张雨山2 王静2 张志敏3 王领法4 王领全3 (1.天津大学环境科学与学院，天津，300072； 2. 国家海洋局海水淡化与综合利用研究所 天津，300192 ； 3. 菏泽市东鱼河流域工程管理处 274000，山东菏泽； 3.中 国市政工程华北研究院 天津，300074 ) 摘 要：淡水资源危机已经成为仅次于全球气候变暖的世界第二大环境问题，利用苦咸水，缓解水危机，是当前国内 外给水领域的一个重大课题之一。本文综述了苦咸水淡化技术和应用的现状，系统分析了苦咸水淡化主要：蒸 馏法、膜法、电渗析法， 展望了苦咸水利用的发展前景，给出了我国苦咸水利用的规划与目标，并对我国开展苦咸 水淡化工作提出了建设性意见。 1 苦咸水利用的意义 由于人口的增长、经济的持续发展和人民生活水平的提高，对水的需求量越来越大，对水质的要求越来越高，而水 资源的严重污染，使本来紧张的水资源的供需矛盾更加尖锐化。沿海地区14个开放城市，有9个淡水供应不足，年缺水量60多亿m3，城市人均水平大部分少于500 m3，尤其是天津、青岛、连云港、上海，竟少于200 m3，远远低于国际公认人均1 000 m3的严重缺水。我国城市的水资源短缺问题严重制约了地区经济和社会的发展。 一些岛屿，如舟山和长岛等的进一步开发，也受到水资源短缺的限制。据报道，世界现有人口中，水质和水量都能 获得保障供水的为40%，无优质供水的25%，供水严重不足和无安全供水的人口高达35%。 因此，设计开发新型给水技术，利用苦咸水，缓解水危机，为社会和城乡人民提供安全、可靠、卫生的生产、生活 用水，是当前国内外给水领域的一个重大课题之一。 2 苦咸水淡化技术和应用的现状与前景 苦咸水是在漫长的地质历史时期里和复杂的地理环境中由多种因素综合作用下形成与演变的，其中古地理环境、古 气候条件、海侵活动、地质构造和水文地质条件等起了重要作用。浅层地下苦咸水，主要是在大陆盐化过程中地下 水中盐分的蒸发浓缩形成的。人类不适当的经济活动，造成沿海地区海水入侵，不合理的灌溉、排水、改良盐碱地 等活动也会使地下水变咸。 一般来讲，含盐量1～5 g/L的水叫低盐度苦咸水，微咸水（矿化度1～3 g/L）和半咸水（矿化度3～5 g/L）)；5～10 g/L叫中盐度苦咸水，10 g/L以上为高盐度苦咸水；含盐量50～500 g/L称之为卤水。本文的苦咸水淡化主要 是对含盐量为1～5 g/L以下的低盐度苦咸水淡化。 我国北方和沿海地区广泛分布有微咸水和半咸水，如黄淮海平原和西北内陆盆地等。2004年，国家发布了新一轮的全国地下水资源评价。它不仅评价了淡水（矿化度< 亿m3 年，半咸水的开采量仅为1.5 年。目前，全国每年微咸水的开采量为55.7 年、半咸水可开采资源量54 L）的可开采资源。评价结果是：全国微咸水可开采资源量144 g L）和半咸水（矿化度3～5 L）的可采资源，而且还评价了微咸水（矿化度1～3> 苦咸水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、电渗析法。蒸馏法主要有多效蒸馏（ME）、多级闪蒸（MSF）、压气蒸馏（VC）。膜法主要有反渗透（RO）、纳滤（NF）；电渗析法主要有电渗析（ED）、频繁倒极电渗析（EDR）等。 自20世纪30年代,世界上许多国家就开始了苦咸水利用与淡化方面的研究。如：突尼斯、阿尔及利亚、美国、以 色列、印度等，有的把咸水直接灌溉于农作物，有的将苦咸水淡化后用以解决工业和市政等用水问题。目前，世界 上苦咸水淡化产量达7.0×106 m3/d左右。苦咸水淡化技术中，反渗透（RO）占76%，电渗析（ED）占15.6%，多级闪蒸（MSF）占2%，其他占5%。很明显，膜技术占绝对优势。最大的苦咸水淡化工程是美国尤马河水的处 理工程，产水量37×104 m3/d。截至目前，有15个国家的100多个科研机关从事苦咸水利用与淡化方面的研究 工作。 2.1 蒸馏法苦咸水淡化技术 蒸馏法是最早采用的淡化方法，它的优点是结构较简单，操作容易，淡化水的水质好。多效蒸馏（ME）就是将前一个蒸发器蒸发出来的二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽并在下一蒸发器中凝为蒸馏水。其优点是传热系数高， 动力消耗少，可提高浓缩比。但它的设备易结垢和腐蚀。闪蒸原理是当原料海水加热到一定温度后通过节流孔进入 一个蒸发室，因该蒸发室压力控制在低于热海水温度所对应的饱和蒸汽压的条件下，所以热海水急速部分气化，同 时温度下降，产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。以此原理为基础，多级闪蒸（MSF）是将热海水依次流经若干个 压力逐渐降低的闪蒸室，逐级蒸发降温，海水浓度逐级增浓直到其温度接近（但高于）天然海水温度。该法造水比 高，一般为8左右。但动力消耗大，运行费用高。压汽蒸馏（VC）是利用机械压缩机把蒸汽压缩，使之升压和升温 （温度升高10 ?左右），以作为加热和使海水蒸发的热源。该法不需外部提供加热蒸汽，热效高，能耗低，结构 紧凑。但这种方法造价较高，易腐蚀结垢，难大型化。一般来说，蒸馏法处理苦咸水的成本高于膜法，但它在处理 高浓度苦咸水方面有一定优势。例如：采用多级闪蒸方法处理塔里木沙漠油气田的地下苦咸水，该原水浓度为12 ×104 ppm，处理装置为八级卧室结构，所有设备均置于一个活动房中，处理后的淡水浓度保持为20 ppm。累计产淡水600 t后，设备拆卸检查发现，加热器和冷凝器管束内外无结垢和结晶，但闪发室内壁结垢较重，其中最大 的厚度为15 nm。因闪发室内无换热面，结晶又可及时清除，所以对装置运行无多大影响。到目前为止，多级闪蒸 是处理高浓度苦咸水一种有效的方法。若该法与发电厂联建，既能获得大量淡水，又可回收电厂余热，效益就更明 显了。 2.2 苦咸水电渗析淡化技术 我国从1958年就开始从事用电渗析（ED）进行苦咸水淡化方面的研究。电渗析工作原理：在直流电场的作用下， 水中离子透过具有选择性的离子交换膜而定向迁移，使电解质离子自水溶液中部分分离，以制取淡水。淡化水的成 本,与电解质浓度成正比，电解质浓度高时，电流密度大，淡化吨水的成本也就高。电渗析器的主要部件为阴、阳离 子交换膜、隔板与电极。隔板构成的隔室为液流经过的通道，淡水经过的隔室为脱盐室，浓水经过的隔室为浓缩室。 把阴、阳离子交换膜与浓、淡水隔板交替排列，重复叠加，再加上一对端电极，就成了电渗析器。电渗析器有三种 组装方式，为一级一段（产水量大，用于大中型）、一级多段（脱盐率较高，产水量小，用于中小型），和多级多 段。有立式和卧式两种安装方式。电渗析技术适用于低浓度苦咸水脱盐，例如：1987年投产的山东长岛县大钦岛电 渗析地下苦咸水（含盐量3 000～5 000 mg/L）淡化试验站，工程造价12.5万元。该工程采用两台电渗器，隔板 尺寸为400 mm ×1 600 mm ×85 mm每台240对膜，一级两段组装，共两级四段串联运行。到2001年，运行12年来，每天产水20 m3（每小时2.5 m3）,脱盐率80%，水回收率60%～80%，每立方淡水平均耗电5 kW?h，维修费占造水成本5%，生产一吨淡水成本为2.135元左右。2001年7月，黄骅市水务局在北京、上海科研机构 的帮助下，采用电渗析法和多层过滤技术，建成了苦咸水淡化站，每小时可供淡水2 t，工程投资一般为13～14 万元，其中设备费为5～6 万元，土建工程为7～8 万元，制水成本为4.1 元/t。总共建淡化站72个，结束了8．5万农民饮用苦咸水的历史。截至目前，已有127个村建起了苦咸水淡化站，11.7万人喝上了达到国家饮用水标准 的水。沧州市迅速将其经验进行推广，计划到2005年，再解决659个饮水特困村，惠及67．5万人。该市决心协助大城、青县、衡水等地完成苦咸水淡化任务后，再向甘肃、青海挺进。河北省内的唐山、衡水、廊坊等市和黑龙 江、甘肃等省都纷纷来沧州取经。 电渗析技术在低浓度苦咸水淡化方面最先占据了较大的市场，至今，产水量约60×104m3/d,年产离子交换膜40多万m2以上。目前，有140余套日产量在1 000～5 000 m3的苦咸水ED装置在运转，将含量在1 500～3 000 mg/L的苦咸水淡化成生活用水。仅山西省大同矿物局10多个矿区日处理量就达2万多吨，作为冷却用水和生活用 水使用。低浓度苦咸水脱盐的最大ED装置建于河南巩县电厂，日产水量7 200 m3。工艺用水的最大ED装置建于金山石化公司，日产水6 600 m3。现在中、小型（ED）苦咸水脱盐装置分布在华北、西北等地约3000余套。 2.3 苦咸水反渗透淡化技术 反渗透（RO）是以压力为驱动力的膜分离过程。反渗透技术研究始于1953年,最先在美国,1960年从实验室走向工业化。1970年推出芳香聚酰胺中空纤维制成的反渗透器，主要用于苦咸水脱盐，1970年末，又成功推出了卷式反渗透组件；1980年推出用于海水淡化的复合反渗透膜；20世纪90年代，开发出超低压高脱盐率全芳香族聚酰 胺复合膜。目前，反渗透膜已成为一种成熟的膜分离技术。世界上最大的反渗透苦咸水淡化厂在美国Yuma市，生产能力为37×104 m3/d淡水，用的是卷式反渗透膜组件。 我国反渗透膜技术研究始于1965年，但直到1997年才在浙江舟山市嵊山岛建成第一个500 m3/d反渗透示范工程。近年来，我国反渗透海水和苦咸水淡化进入快速发展时期。随着RO膜和相关技术的进步，RO在苦咸水淡化中的竞争地位越来越强， 2000年在河北沧州建18 000 m3/d苦咸水淡化厂时，由于该厂原水含盐量为12 402.25 mg/L，属于较高浓度苦咸水，采用何种技术淡化？为此进行了多种经济技术比较，如果用电渗析法脱盐，其耗电指 标介于7.0～18.5 kW?h之间，能耗大；如用多级闪蒸淡化，动力消耗大、运转费用高；用技术成熟的压汽蒸馏， 但它的最大产量为3 000 m3/d，需6台并联才能达到产水要求，缺乏规模效益；低温多效蒸馏淡化法虽适用该项 目，但设备投资高达19 000万元，单位造水成本67元/m3。而同样规模的反渗透淡化装置投资为2 200万元左右，单位造水成本2.5元/m3，远远比低温多效蒸馏淡化方法便宜，故选用了反渗透法。该水源水的浊度较高，放 置4～24 h后浊度仍为40 NTU，因此，原水进入淡化之前设置了预处理（集水、澄清沉淀池）。预处理前，还需 加次氯酸钠(2 mg/L)灭菌，杀菌后，再加絮凝剂(聚合氯化铁5 mg/L) ,经两级过滤（多介质过滤器和细砂过滤器）。 为使系统具有较高的回收率，预处理反冲洗水采用经多级过滤和防结垢处理的反渗透浓水，以使自用原水量降至最 低。由于反渗透复合膜，对氯的耐受程度只有1 000 mg/(L?h)，而过滤器出水通常含余氯0.1～1.0 mg/L，所以要在过滤器出水中加入亚硫酸氢钠(3 mg/L)，来还原水中余氯，使游离氯含量＜0.1mg/L，达到反渗透装置的进水要求。另外，还采用添加阻垢分散剂（Flocon260(27 mg/L)）和盐酸(30%浓度)，以防止膜内碳酸钙、硫酸钙、 钡的结垢和铁铝氧化物及其他污染物的沉积。综合考虑了各方面因素，最后选用了一级二段反渗透处理方式(一段为苦咸水反渗透膜，二段为海水反渗透膜)，同时在一、二段膜中间增设能量回收装置，以减少系统能耗。回收率定为 ＞65%，既保证水源的充分利用，又防止了回收率过高对膜的损害。现在，该厂已建成，反渗透装置主体电力消耗 2.0 (kW?h)/m3(产水)，加入引水及其他附属设备用电共计2.5( kW?h)/m3，单位造水成本则为2.48元/m3。 2001年末，塔河油田苦咸水处理工程（两套处理量为12 m3/h的反渗透（RO）脱盐装置）的运行，解决了该油 田生活和生产用水（电站用软化水）。该工程投产后，100天就可收回286.94万元的投资，当年就获益300万元，实际全年获利600万元。 2002年，国家计委批准的甘肃定西10 000 m3苦咸水脱盐RO示范项目，原水浓度为3 500 mg/L，制取淡水的浓度为150 mg/L，水回收率大于70%，估算成本为0.77元/m3。据资料介绍，大庆油田RO苦咸水处理量产已近1.2×104 m3/d，主要是作为生活饮用。 目前，反渗透和电渗析已成为苦咸水淡化的主要方法，已成为解决广大苦咸水地区用水紧张的重要技术手段。而反 渗透技术因其成本和效果更好，开始被越来越多的地方和部门选用。 纳滤技术的开发和应用比反渗透膜大约晚20年。纳滤膜介于反渗透和超滤膜之间，其膜表面具有纳米微孔结构。反 渗透膜对NaCL的脱除率在95%以上，而纳滤膜一般将NaCL脱除率在90%以下，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100～2 000。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，以及脱除苦咸水中Ca2+、Mg2+等离子成分。我国在山东长岛县海岛建成的南隍城水厂(144 m3/ d)，就采用了NF苦咸水淡化装置。该装置操作压力0.75 Mpa，淡水回收率56%，吨水耗电1.43 kW?h，产水符合饮用要求。目前国外城市饮用水已有日产水5万m3级的大型纳滤装置。纳滤技术在21世纪将成为水净化的首选技术。 反渗透常规预处理技术主要是消毒、凝聚、絮凝、过滤工艺，由于其占地较大，运行维护较复杂，近年来，随着膜 技术的发展，已开发出膜法预处理，主要包括微滤（MF）、超滤(UF)、纳滤(NF)。纳滤作为预处理，主要脱除苦咸 水中的大部分的结垢离子和一部分NaCL。采用MF—RO系统，纳滤(NF)作预处理，NF脱除部分硬度和TDS，既不用添加防垢剂，又提高RO的水回收率，降低了25%能耗，可降低造水成本30%，经济效益明显。据资料介绍，目前各种淡化方法在能耗方面都无法与RO竞争。一般来说，RO为4～5( kW?h)/m3、ED为14～16 (kW?h)/m3、MED为9～10( kW?h)/m3、MFS为12～14( kW?h)/m3。反渗透和纳滤技术在苦咸水淡化方面显示出相当的优 势，因此，还需对它下大力进一步气深入研究，力争走在世界前列。 最近，中科院长春应化所与葫芦岛玉柴北方膜工业有限公司研制的“界面控制制备耐氯芳香聚酰亚胺反渗透复合膜的 方法”获得了国家发明专利。他们研制的膜其分离功能（脱盐与透水性）和氧化稳定性（耐氯性?5 000～20 000 ppm(cl).h,）均达到国际先进水平。为我国创立拥有自主知识产权的膜材料、膜工艺、膜过程研究，开发高效膜法 海水、苦咸水淡化综合技术，规模制造耐氯反渗透膜打下了基础。 1997年宁夏农科院科研人员和日本地膜专家合作完成了“太阳能蒸馏净化集水技术”，通过塑料大棚利用太阳能将苦咸水蒸馏净化为淡水。一个30 m2的塑料大棚夏秋两季日均可净化淡水75 kg。宁夏科技人员成功研究出一项利用 太阳能把苦咸水淡化成纯净水的技术，现已获得国家专利。目前该项技术正在西海固苦咸水地区进行推广。 国家城建、水利、地矿许多部门历经数十年在苦咸水的研究、开发、利用和淡化等方面做了相当的大量工作。他们 查明了苦咸水在我国的分布、储量和水文地质条件以及浅层微咸水存在的利害关系，总结了在农业试验区开采利用 浅层微咸水的研究成果，为今后开发利用苦咸水资源奠定了坚实的基础。总之我国科技工作者经过几十年的艰苦奋 斗，在这方面取得了不少的成果。 据《21世纪中国可持续发展水资源战略研究》，到2010年，我国需水量7 300亿m3，而可供的水量为6 200～6 500 m3，缺水量约1 000亿m3。缺水最严重的为东部沿海地区、西部苦咸水地区和内陆大中型城市。随着我 国经济社会的发展，预计2030年我国人口达到高峰时，淡水资源紧缺的形势将更加严峻。因此，研究开发利用非 传统水资源（海水、苦咸水、中水）实用技术，适度开发苦咸水已是当务之急。 党中央、国务院领导同志对水资源问题极为重视，多次要求以水资源的可持续利用支持经济社会的可持续发展,为实现综合利用海水、微咸水等非传统水资源的政策，发布了《当前国家鼓励发展的节水技术、设备（产品）目录》（第 一批），该目录包括了海水、苦咸水利用设备在内的6类产品，凡是开发、研制、生产和使用列入目录的设备，将 按有关规定给予税收优惠支持。我国计划到2005年，新增海水及苦咸水利用量达到50亿m3。 据统计，截至20世纪末，国产和进口膜产品及膜法水处理工程年销售额已达20亿人民币。预计2005年，我国膜市场需求将在50亿元以上，年均增速继续保持在15％左右，2015年，膜市场需求可望超过200亿元，将占到世界总量的10％～15％左右。 当前我国膜技术与世界先进国家相比尚有较大差距，主要是膜的品种少、性能差，现在首要的是尽快研制出达到国 际水平的各种高性能膜，并使之尽快实现产业化；同时与国际同行加强合作，力争早日突破世界上尚未解决的某些 关键技术，如：新的廉价能源技术、传热技术、材料技术以及新过程等，使我国尽快赶上或超过世界水平。形势的 要求，领导的重视，有力的政策，广阔的市场，展示出我国苦咸水的开发利用的前景。 3 规划与目标 2010年，在我国西部建设一个城市微咸水淡化示范厂，完善技术标准规范体系、政策法规和产业化成套技术2020年，苦咸水利用量达到75亿m3/年。 2020年，苦咸水利用量达到100亿m3/年。 4 开展苦咸水淡化工作的建议 (1)为了顺利地开展苦咸水资源的开发利用工作，需要国家和地方政府加大投入，给于政策和财政支持，建设投资应 采取以受益户为主，国家扶持的方式。 (2)国家科技部立项招标研制适合用于处理苦咸水、微咸水、半微咸水的膜（反渗透复合膜纳滤膜、微孔滤膜、离子 交换膜、平板膜、中孔纤维膜、均相离子交换膜等的材料和辅料及处理装置，进一步提升国产化水平。 (3)积极开展国际交流与合作，引进先进技术和设备，学习各国在规划、设计、施工等的好经验，也可考虑资本运作， 购买国际先进技术公司。 (4)为促进膜技术产业发展，可在沿海或内陆地区建立苦咸水资源开发利用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、风能苦咸水脱盐装置，发展配套产业，使其规模和经济技术都达到国际水平。 (5)多渠道筹集资金，适时建改水设备厂，实行生产、安装、调试、售后服务、操作人员培训一条龙服务；加强管理 持证上岗（有一定文化水平、懂技术、身体健康）。 (6)制定严禁超采地下水法令，凡是将苦咸水作为饮用水源的地区必须上淡化装置。 (7)研制开发苦咸水浓缩排水处理和综合利用（如：养鱼）及无害化的实用技术。 (8)进一步开展咸水农业的利用实用技术研究。 (9)尽快筹建城市微咸水淡化示范厂，为了保护生态环境和降低淡化成本，同时开展浓水的大规模利用（如：养鱼等）。 (10)加大坚持用科学的发展观，必须合理地开发和利用苦咸水的宣传力度，要求一定要把握好地下水资源开发利用 中的量和度，确保我国的经济和社会可持续发展。