劉錫文，趙河立，王生輝

(國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

根據(jù)1988 年～1995 年開展的“全國(guó)海島資源綜合調(diào)查”，我國(guó)沿海11 個(gè)省區(qū)市有近7 000 個(gè)500 m2以上及上萬(wàn)個(gè)500 m2以下的島嶼和巖礁嶼。其中大部分島嶼由于地理位置、氣候環(huán)境而存在淡水資源匱乏的問(wèn)題，如長(zhǎng)山、廟島、舟山、澎湖、東沙、西沙、南沙群島，淡水稀缺達(dá)到難以承受的程度［1］。隨著海島經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，淡水需求量不斷加大，因此解決水資源問(wèn)題成為當(dāng)務(wù)之急。

解決海島水資源問(wèn)題的方法主要為開發(fā)本地水資源、大陸引水、海水淡化三種類型。近年來(lái)因地制宜采取蓄水、聯(lián)網(wǎng)、開采地下水、節(jié)水、引水、海水淡化、再生水等多水源綜合配置措施，進(jìn)一步提高供水能力和水資源開發(fā)利用效率，形成以本地水資源開發(fā)、大陸引水和海水淡化組成的三種方式綜合利用體系。目前國(guó)內(nèi)大中型海島多采用三種方式綜合供水，小型海島以開發(fā)本地水資源和海水淡化提供淡水。但我國(guó)海島大多面積較小［2］(面積為500 m2～5 km2海島約占我國(guó)海島總數(shù)的98%)，開發(fā)本地水資源的能力有限。另外，我國(guó)的海島大多遠(yuǎn)離大陸、分散偏僻，不利于從大陸引水工程展開。相比之下，海水淡化可以分期分批投資、建設(shè)工期短、產(chǎn)水水質(zhì)好、建設(shè)規(guī)模靈活性大，因此海水淡化可用于解決海島水資源問(wèn)題［3-6］。

1 我國(guó)海島海水淡化技術(shù)應(yīng)用

早在20 世紀(jì)70 年代我國(guó)就開始了海島海水淡化技術(shù)研究，1970 年～1972 年間研制成功了日產(chǎn)淡水7 和14 m3兩種電滲析器，提供海島從海水制取飲用水。近年來(lái)，隨著海水淡化技術(shù)的發(fā)展和海島開發(fā)利用的迫切需要，海水淡化在浙江、福建、山東等省的海島地區(qū)已得到快速發(fā)展。

1.1 傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)在海島的應(yīng)用

1.1.1 傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)的應(yīng)用

目前，海水淡化方法以反滲透法和蒸餾法為主。反滲透海水淡化裝置只需外界提供電力，占用空間小，自動(dòng)化程度高，裝置規(guī)模的靈活性大，目前已經(jīng)在海島上得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)自1997 年開始在浙江舟山、遼寧長(zhǎng)海、山東長(zhǎng)島、海南西沙群島和福建臺(tái)山島等地建設(shè)了反滲透海水淡化裝置，裝置日產(chǎn)量從幾t 到幾萬(wàn)t，極大地緩解了當(dāng)?shù)厝彼疇顩r。對(duì)于遠(yuǎn)離陸地且缺乏電力的小型海島，大多采用柴油機(jī)發(fā)電提供動(dòng)力與反滲透裝置配套來(lái)提供淡水。

蒸餾法海水淡化裝置需要熱源和電力，操作簡(jiǎn)單，所得淡水水質(zhì)好。海水蒸餾淡化裝置的熱源利用柴油發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，以冷卻熱水的形式排放的余熱作為淡化的熱源(其成本可以不計(jì))，提高了發(fā)電設(shè)備的能源利用率，降低了海水淡化成本。例如常州能源設(shè)備總廠利用柴油機(jī)缸套水廢熱，采用真空沸騰蒸餾法，制造了管式海水淡化裝置，裝置平均產(chǎn)水量分別為1、2.5 和5 m3/d，1976 年1 月此裝置被納入船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［1］。我國(guó)在小型低溫蒸餾淡化裝置的研究工作中取得了一定的研究成果，但由于技術(shù)研制水平有限，還沒(méi)有得到大范圍的推廣和使用。

具體到實(shí)際應(yīng)用可根據(jù)兩種方法的技術(shù)特點(diǎn)以及海島的自身?xiàng)l件、水資源和能源利用狀況等來(lái)綜合考慮海水淡化方法。對(duì)于大部分海島都采用中小規(guī)模海水淡化裝置，由表1 可知蒸餾法海水淡化的綜合成本較高，且投資費(fèi)用也高。因此，反滲透法海水淡化占有更大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。另外，對(duì)于大中型海島，還可以采用水電聯(lián)產(chǎn)的方式建設(shè)海水淡化工程，利用電廠的低壓蒸汽、電力與蒸餾法或反滲透法海水淡化技術(shù)耦合［7］，從而實(shí)現(xiàn)能源高效利用，其綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表1 反滲透法和蒸餾法海水淡化經(jīng)濟(jì)分析表Tab.1 Economic Analysis of Reverse Osmosis and Distillation Seawater Desalination

1.1.2 5 m3/d 海島海水淡化裝置概況

天津海水淡化研究所針對(duì)某海島的環(huán)境氣候特點(diǎn)，2009 年研發(fā)了一套5 m3/d 海島海水淡化裝置，以緩解海島居民的淡水供給不足的問(wèn)題。

5 m3/d 海島海水淡化裝置采用了反滲透法海水淡化工藝，由取水、預(yù)處理、海水加熱和反滲透四部分組成。海水由潛水泵取出，經(jīng)過(guò)多介質(zhì)過(guò)濾器去除原海水中的細(xì)小顆粒等雜質(zhì)后，再經(jīng)過(guò)換熱器與反滲透濃縮海水進(jìn)行換熱，加熱后進(jìn)入到原水箱中。冬季運(yùn)行裝置時(shí)，利用原水箱內(nèi)部裝設(shè)的換熱管，將換熱管內(nèi)的循環(huán)液體經(jīng)太陽(yáng)能加熱后的熱量傳遞給原水箱中的海水，再通過(guò)增壓泵輸送到三級(jí)保安過(guò)濾器，之后進(jìn)入到高壓泵中。高壓泵將海水加壓后送入反滲透膜內(nèi)進(jìn)行淡化分離，產(chǎn)出的淡水直接進(jìn)入到淡水箱中，濃縮海水進(jìn)入到高壓泵的能量回收裝置中回收能量，再經(jīng)過(guò)板式換熱器回收熱能后排放。裝置如圖1 所示。

圖1 5m3/d 海島海水淡化裝置工藝流程框圖Fig.1 Flow Chart of 5 m3/d Island Seawater Desalination Process

反滲透膜對(duì)進(jìn)料海水的水溫要求不能低于5 ℃。依據(jù)海島水域水溫特點(diǎn)，采用軟件對(duì)不同溫度條件下(5、10、25 ℃)的運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，計(jì)算得出主要工藝參數(shù)如表2 所示?？紤]到冬季海島海域表層海水溫度最低為2.6 ℃，當(dāng)水溫為5 ℃時(shí)裝置中高壓泵能耗明顯過(guò)高。長(zhǎng)時(shí)間在5 ℃以下運(yùn)行，對(duì)膜的性能和使用壽命有一定的影響，所以冬季使用太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)，將水溫提升到10 ℃，保證反滲透系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

表2 不同溫度下的主要工藝參數(shù)Tab.2 Main Parameter of System at Different Temperature

海島電力資源有限，因此回收濃海水的能量是一項(xiàng)非常有效的節(jié)能措施。考慮到淡化系統(tǒng)產(chǎn)水量較小和淡化裝置的結(jié)構(gòu)盡量緊湊的要求，研究選用了符合海島淡化系統(tǒng)使用的SWPE 能量回收泵。與不采用能量回收的高壓泵相比，噸水耗電量降低了4.3 kW·h。

經(jīng)過(guò)連續(xù)72 h 的試運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示裝置運(yùn)轉(zhuǎn)正常，產(chǎn)水指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，證明該工藝流程是可靠的，各部分采取的工藝方案是合理的，控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

1.1.3 反滲透海水淡化工藝的選擇

根據(jù)海島居民生活用水和工業(yè)生產(chǎn)用水等總需求量的不同建立不同規(guī)模的海水淡化裝置。對(duì)于產(chǎn)水量為日產(chǎn)數(shù)千t 至數(shù)萬(wàn)t 淡水的大中型海水淡化裝置，著重取水工藝、預(yù)處理工藝、反滲透系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究。在取水方面，按照泵房輸水構(gòu)筑物的區(qū)別可有三種方式，包括岸邊式取水、深海泵房+引水管渠取水、潮汐式取水。目前多采用潮汐式取水方式，利用潮位差將水留在蓄水池中，利用蓄水池沉淀泥沙、澄清，并結(jié)合取水地點(diǎn)的實(shí)際情況，確定經(jīng)濟(jì)可行的取水方案，這是最經(jīng)濟(jì)適用的取水方式［8］。在預(yù)處理方面，主要是預(yù)處理工藝的選擇和比較及預(yù)處理設(shè)備的開發(fā)。目前常用的預(yù)處理工藝有多介質(zhì)過(guò)濾+活性炭過(guò)濾+超濾、多介質(zhì)過(guò)濾+細(xì)砂過(guò)濾+超濾、自清洗過(guò)濾+超濾等。反滲透系統(tǒng)主要包括膜組件的選擇、高壓泵和能量回收裝置的設(shè)計(jì)、反滲透膜清洗系統(tǒng)的研究［9］。

產(chǎn)水量最高為日產(chǎn)數(shù)百t 淡水的小型裝置，一般用于遠(yuǎn)離陸地的小島。由于海水水質(zhì)穩(wěn)定，污染小，因此可采用高效簡(jiǎn)便的海水取水技術(shù)。預(yù)處理工藝也較簡(jiǎn)單，大多采用多介質(zhì)過(guò)濾+砂濾、砂濾+濾芯式過(guò)濾等。反滲透系統(tǒng)中采用低成本高壓給水系統(tǒng)，如小型帶能量回收的高壓泵，以降低系統(tǒng)能耗。海水淡化本體實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，形成節(jié)能型海島一體化制水裝置［10］，該裝置具有設(shè)備緊湊、自動(dòng)化程度高、維護(hù)使用方便的特點(diǎn)。

1.2 可再生能源海水淡化技術(shù)在海島中的應(yīng)用

1.2.1 可再生能源海水淡化技術(shù)的應(yīng)用

目前，大多數(shù)海島采用海底電纜和柴油發(fā)電來(lái)提供電力。然而小型海島只靠柴油發(fā)電提供的能源有限，很難保證海水淡化用電，而影響海水淡化成本的主要因素就是電耗。我國(guó)對(duì)石油、煤等傳統(tǒng)能源的長(zhǎng)期依賴導(dǎo)致了嚴(yán)重的大氣污染和生態(tài)環(huán)境破壞，因此島嶼的長(zhǎng)期發(fā)展需要考慮減少對(duì)傳統(tǒng)能源的利用。我國(guó)海島廣泛分布于東南沿海，所處位置太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，風(fēng)能資源條件好，并伴隨有取之不盡、用之不竭的海洋能資源。因此，開發(fā)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等可再生能源與海水淡化耦合技術(shù)，是降低海水淡化成本和建設(shè)海島水資源保障體系的重要途徑［11］。

風(fēng)能海水淡化可分為風(fēng)電海水淡化(分離式)和風(fēng)力直接驅(qū)動(dòng)海水淡化(耦合式)。分離式是利用風(fēng)能發(fā)電產(chǎn)生的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)海水淡化裝置;耦合式是直接將風(fēng)力的機(jī)械能用于海水淡化［12，13］。目前，大多采用間接風(fēng)能海水淡化方式，但此方式存在隨風(fēng)速時(shí)常變化，能量供應(yīng)不穩(wěn)定，具有間歇性和波動(dòng)性的問(wèn)題，需要采取相應(yīng)的技術(shù)來(lái)解決［14］。1992年3 月由國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所在山東長(zhǎng)島縣小黑山島研建的風(fēng)力發(fā)電-電滲析淡化苦咸水實(shí)驗(yàn)站投入使用，不但解決了當(dāng)?shù)鼐用耧嬎畣?wèn)題，還為發(fā)展新能源海水淡化提供了示范［15］。

太陽(yáng)能海水淡化按照能量的利用方式，可分為太陽(yáng)能光熱海水淡化和太陽(yáng)能光電海水淡化。前者是利用太陽(yáng)能產(chǎn)生熱能來(lái)驅(qū)動(dòng)海水相變過(guò)程，即太陽(yáng)能蒸餾法海水淡化，此方法在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，目前占主導(dǎo)地位;后者是利用太陽(yáng)能發(fā)電以驅(qū)動(dòng)滲析過(guò)程，即太陽(yáng)能反滲透法海水淡化，此方法因太陽(yáng)能電池制作成本偏高，可維護(hù)性差，目前只能作為其他可再生能源的補(bǔ)充［16］。20 世紀(jì)70 年代，我國(guó)在海南蜈歧洲島和西沙中建島分別建成蒸發(fā)面積為385 m2、日產(chǎn)淡水為1 m3和蒸發(fā)面積為50 m2、日產(chǎn)淡水為0.2 m3的太陽(yáng)能蒸餾器各一座［17］。

海洋能是海水運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的可再生能，主要包括溫差能、潮汐能、波浪能、潮流能、海流能和鹽差能等［18］。較穩(wěn)定的能源為溫度差能、鹽度差能和海流能。不穩(wěn)定能源有潮汐能、潮流能和波浪能?！笆濉逼陂g中科院廣州能源研究所研制了10 m3/d波浪能海水淡化試驗(yàn)裝置，該系統(tǒng)通過(guò)錨鏈驅(qū)動(dòng)液壓泵，將液壓能經(jīng)蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)輸出到液壓馬達(dá)，然后驅(qū)動(dòng)預(yù)處理部分的低壓泵和反滲透系統(tǒng)部分的高壓泵而生產(chǎn)淡水［19］。

可再生能源海水淡化技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景，但是風(fēng)能、太陽(yáng)能、波浪能等的不穩(wěn)定性影響了海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行，成為制約可再生能源海水淡化技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用的瓶頸。

1.2.2 可再生能源不穩(wěn)定性的研究

近年來(lái)，針對(duì)可再生能源不穩(wěn)定性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了很多研究，歸納起來(lái)主要有以下三方面。

(1)儲(chǔ)能技術(shù)

為了避免風(fēng)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性對(duì)反滲透系統(tǒng)的影響，通常設(shè)置有儲(chǔ)能系統(tǒng)。常規(guī)的儲(chǔ)能方法有蓄電池儲(chǔ)能、抽水蓄能、柴油發(fā)電互補(bǔ)、飛輪儲(chǔ)能和電解制氫儲(chǔ)能等。2010 年在舟山市岱山縣大魚山島建成一套5 m3/d 太陽(yáng)能光伏反滲透海水淡化示范工程［20］，該工程的供電系統(tǒng)設(shè)置了蓄電池和柴油發(fā)電機(jī)以備電能的不穩(wěn)定。大魚山島是一個(gè)遠(yuǎn)離岱山本島的小海島，缺水季節(jié)靠運(yùn)輸，噸水總成本達(dá)30 元左右。如利用柴油發(fā)電機(jī)供電進(jìn)行海水淡化，噸水制水成本約16.5 元/m3，如采用光伏太陽(yáng)能供電噸水成本約13.0 元/m3。

(2)供電形式

由于太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間分布上具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在很大程度上彌補(bǔ)了風(fēng)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電獨(dú)立應(yīng)用在資源上的各自缺陷，且在技術(shù)應(yīng)用中可以通過(guò)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)使獨(dú)立的風(fēng)電、光電系統(tǒng)得到合理化整合，構(gòu)成能充分利用資源條件的獨(dú)立供電系統(tǒng)。何小龍等［21］自行研制了產(chǎn)水量為25 L/h的風(fēng)光互補(bǔ)反滲透海水淡化裝置，運(yùn)行結(jié)果表明技術(shù)成熟穩(wěn)定可靠，噸水能耗4.8 kWh/m3。

(3)與變負(fù)荷相適應(yīng)的反滲透海水淡化技術(shù)

王春等［22］為適應(yīng)風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源的不穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了可變負(fù)荷的反滲透海水淡化裝置，在維持膜殼內(nèi)壓力穩(wěn)定的工況下，低功率運(yùn)行時(shí)可以增加系統(tǒng)回收率，降低單位產(chǎn)水能耗，可以降低運(yùn)行成本。

2 海島海水淡化的發(fā)展趨勢(shì)

(1)傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)的海島適用性將逐漸增強(qiáng)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，以反滲透和蒸餾為主的傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)已接近成熟，但是不同的技術(shù)都具有各自的特點(diǎn)，對(duì)于不同的、復(fù)雜多變的海島環(huán)境的適用性也有顯著差別。隨著對(duì)傳統(tǒng)海水淡化海島適用技術(shù)的深入研究，其在海島上的適用性將逐漸增強(qiáng)，成為解決海島淡水資源缺乏的主要途徑之一。

(2)可再生能源在海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用將更為廣泛

利用可再生能源進(jìn)行海水淡化已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用在我國(guó)缺水缺電的海島，但規(guī)模還比較小。隨著傳統(tǒng)能源使用成本的持續(xù)上升和可再生能源利用技術(shù)的快速發(fā)展，可再生能源在海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用將更為深入和廣泛。

(3)新型海水淡化方法的研究和應(yīng)用將成為熱點(diǎn)

正滲透、膜蒸餾、迅速噴霧蒸發(fā)技術(shù)、納米結(jié)晶技術(shù)、超聲波技術(shù)和分子篩膜蒸餾技術(shù)等新型海水淡化方法的出現(xiàn)，為海島海水淡化的發(fā)展開辟了新的途徑，它們?cè)诓煌愋秃u上的應(yīng)用將成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

3 存在的問(wèn)題和建議

(1)海水淡化工藝的選擇

海島大多遠(yuǎn)離大陸、分散偏僻、大小不一、人口數(shù)量不等、自然條件各異，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平不同，對(duì)水資源的需求也有區(qū)別。因此，海水淡化工藝的選擇要因地制宜、優(yōu)先比選，確定最佳工藝方案。

(2)小型海水淡化設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化

小型海島海水淡化裝置規(guī)模較小，相匹配的設(shè)備較少(如能量回收裝置)。因此，研發(fā)低成本國(guó)產(chǎn)小型高壓泵、能量回收裝置、反滲透膜元件等關(guān)鍵設(shè)備，可降低小型淡化裝置的成本。

(3)可再生能源的穩(wěn)定性

可再生能源的開發(fā)利用是解決海島海水淡化能源問(wèn)題的重要途徑，但是海島可再生能源分布不均勻，能源的穩(wěn)定性較差。因此，應(yīng)加強(qiáng)多種能源互補(bǔ)系統(tǒng)的研究、低成本儲(chǔ)能裝置的研發(fā)和變負(fù)荷海水淡化裝置的研制，以保證海水淡化裝置的正常運(yùn)行。

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