王憶秦

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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艦用海水淡化方法的優(yōu)化方向

王憶秦

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

摘要：針對艦船海水淡化水在使用中暴露的問題，對比海水淡化水與城市飲用水的主要水質(zhì)指標，對艦用海水淡化水存在的問題進行分析，提出水質(zhì)優(yōu)化方法的方向。

關鍵詞：海水淡化；水質(zhì)；健康影響；管路腐蝕；優(yōu)化

在船用海水淡化方法的選擇上，主要考慮艦船類型、航行海域、產(chǎn)水用途等因素[1]。目前在船舶上有多種海水淡化法，應用最廣泛的是反滲透法和蒸餾法。反滲透法與蒸餾法相比較，具有操作方便、設備簡單、無需加熱、無相變、能量消耗少、運行費低等特點，具有較好發(fā)展前途[2]。

船舶在海上航行，淡水是設備工作和船員生活的重要保障。船上淡水有兩種用途：①作為設備的補給水，如給蒸汽動力裝置和冷水機組補水;②作為生活用水，供船員飲用和洗滌。配置海水淡化裝置生產(chǎn)淡水是目前所有船舶的選擇，既可保證船上淡水的持續(xù)供應，還能減少船舶淡水艙的占有空間，增加燃油容積，以提高船舶的貨物運載和續(xù)航能力[3]。但是海水淡化裝置大量上船后，也暴露出一些問題，如淡化水對人體健康的影響，管網(wǎng)黃水現(xiàn)象等。本文通過對比我國城市飲用水與海水淡化水的主要水質(zhì)指標，對艦船海水淡化水存在的問題進行分析，提出水質(zhì)優(yōu)化的方向。

1主要水質(zhì)指標分析

目前陸用海水淡化工程其產(chǎn)水水質(zhì)參照《中華人民共和國生活用水衛(wèi)生標準》(GB 5749-85)，其中總?cè)芙夤腆w質(zhì)量濃度小于500 mg/L[4]。艦船用海水水淡化裝置也是執(zhí)行GB 5749標準，近年交付的設備都是依據(jù)GB5749-2006考核的。雖然海水淡化水和城市飲用水都是依據(jù)國家生活飲用水衛(wèi)生標準GB5749生產(chǎn)的，但該標準中大多數(shù)指標給出的是最高限定值，沒有對最小值給出規(guī)定，所以同樣是達標水，城市飲用水與海水淡化水是有區(qū)別的。其中與人體健康關系較大的指標硬度、氟化物、硼指標差異就較大，檢測結(jié)果見表1。

表1　不同淡化方式水質(zhì)檢測結(jié)果　mg/L

采用蒸餾式和反滲透式生產(chǎn)的淡化水硬度比北京城市自來水都低較多。水中的硬度是由多種物質(zhì)形成的，包括各種可溶性多價金屬離子，主要是鎂、鈣離子，鋅、錳和鐵等其他離子也起一定作用。水中的礦物質(zhì)是人體獲得礦物質(zhì)的一個十分重要的途徑，礦物質(zhì)含量低的的水被長期飲用會導致人體某些礦物質(zhì)的缺乏，引發(fā)系列疾病。有些地區(qū)的人們因長期飲用海水淡化水，心臟病的發(fā)病率有增高趨勢。

氟是人體所需的一種微量元素，飲用水中需要的氟濃度適宜值為0.5～1.0 mg/L。人體需要的大多數(shù)元素都可以從食物中攝取，但氟例外。當飲用水缺氟時，人易患齲齒病。海水中氟化物含量偏低，經(jīng)淡化后更低，長期飲用可能會增加齲齒病的概率。

關于硼，我國和世界衛(wèi)生組織對飲用水中硼的限制均規(guī)定為0.5 mg/L，在海水中硼含量較高，標準海水中硼含量約為4.6 mg/L，最高可達6.0 mg/L。在蒸餾淡化水中硼的含量很低(低于0.02 mg/L)。但是膜對硼的脫除率較低，導致一級海水反滲透產(chǎn)水的硼含量較高，約為1.0 mg/L。因硼具有除草效果，很多植物對含量0.5 mg/L的硼比較敏感，含硼較高的水不利于部分農(nóng)作物的灌溉。動物實驗顯示較大量的硼隨飲水進入動物體內(nèi)，有致畸致突變的傾向。原因是硼會破壞糖代謝及增加一些酶的活性，損害實質(zhì)性器官。同時硼的過多攝入還會對動物的生殖系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響[5]。

綜上，參照GB 5749-85制備的淡化水，雖然其水質(zhì)指標基本上都低于限值，有的還低了很多，但水的總硬度、氟含量偏低，礦物質(zhì)含量尤其低。人長期食用，有可能消耗體內(nèi)的礦物質(zhì)，同時加速吸收一些有毒物質(zhì)。

2淡化水對艦船供水管網(wǎng)的影響

供水管網(wǎng)主要由鍍鋅鋼管和不銹鋼管構(gòu)成，由于管道在供水管網(wǎng)的環(huán)境中會與外界發(fā)生許多反應而被腐蝕，從而帶來了一系列的問題。艦員最早對供水管網(wǎng)腐蝕的關注是從“黃水”開始的，在早晨艦員集中用水時，常常要先將管路中的黃水放出，才能開始正常的洗漱。尤其是那些裝備反滲透海水淡化裝置的艦船，黃水現(xiàn)象尤其嚴重。某船為了找到水質(zhì)發(fā)黃的根本原因及相關環(huán)節(jié)，采用以下步驟進行排查。

1)取盥洗室水龍頭放出的黃水進行化驗，發(fā)現(xiàn)水中存在大量的鐵離子，可證明供水管系有管路或閥件因腐蝕形成了銹水。

2)分別使用船艙自帶的岸接水和反滲透海水淡化裝置供水，經(jīng)多次供水試驗發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)黃水現(xiàn)象的僅在反滲透海水淡化裝置供水方式中產(chǎn)生，檢查船上淡水艙、壓力水柜等部位的淡水，均有黃水痕跡。

由此可以推斷：黃水的形成可能與反滲透淡水供水有關[6]。

依據(jù)反滲透的機理進行分析。一方面由于反滲透膜對CO2等小分子的截留率很低，CO2透過反滲透膜溶于淡化水，導致淡化水呈弱酸性，pH值較低，一般在6.5～6.8之間，對金屬具有一定的腐蝕性。另一方面，由于鈣、鎂等大分子陽離子被反滲透膜截留，水中陰離子相對偏多，陰離子容易與鐵等金屬陽離子結(jié)合，也加劇了淡化水的腐蝕性。在許多艦船上發(fā)生過黃水現(xiàn)象，分析原因就是與淡化水的特性有關。淡化水是軟水，硬度、堿度、pH值都較低，基本不具有緩沖能力， 這種特質(zhì)使得淡化水的穩(wěn)定性差，有很強的腐蝕性，在管網(wǎng)中輸送時，極易溶解管網(wǎng)內(nèi)壁形成的垢層，造成腐蝕。大量研究結(jié)果表明，隨著淡化水在管道中滯留時間的延長，管材的腐蝕程度加劇，導致水質(zhì)漸漸變黃。

“黃水”是由于腐蝕所產(chǎn)生的鐵釋放并生成鐵銹Fe(OH)3所導致的。鐵釋放是指鐵從腐蝕的銹斑或金屬表面以溶解態(tài)或某種形式遷移到水體中的過程。當鐵離子在水體中以Fe2+或Fe3+的形式存在時，水體的色度就發(fā)生了變化，從而導致“黃水”的產(chǎn)生。所以所有國家都對飲用水中的鐵含量有嚴格的限制，國家生活飲用水衛(wèi)生標準GB5749中對鐵含量的限值是0.3 mg/L。

3如何優(yōu)化艦員需要的淡化水

淡化水轉(zhuǎn)化為艦員長期飲用水需進行三方面的工作，提高礦物質(zhì)含量、降低硼濃度和調(diào)整氟的比例。

淡化水提高礦物質(zhì)含量的方法包括石灰石溶解法和投加化學藥劑法，以及與高礦物質(zhì)水源水混合等方法。這些方法都可以增加部分人體所需的礦物質(zhì)，還能使淡化水在管網(wǎng)中滿足化學穩(wěn)定性的條件，減緩對管道的腐蝕，提高出水水質(zhì)[7]。

硼超標問題僅出現(xiàn)在反滲透淡化水中，一級反滲透對硼的去除率為60%左右，若采用二級反滲透可將硼的含量控制在0.5 mg/L以下。所以在艦船上可對進入飲用水艙的淡化水進行兩極反滲透處理，以確保硼的含量達到國家生活飲用水衛(wèi)生標準GB5749-2006的要求。

國際衛(wèi)生組織在1984年將飲用水氟化定義為可以在氟缺乏國家廣泛推廣的預防齲病的安全經(jīng)濟的措施，飲水氟化已被許多國家作為公共健康措施而廣泛使用[8]。在艦船上，對海水淡化水加入氟物質(zhì)將氟含量提高到0.5～1.0 mg/L，可以減少氟缺乏對艦員健康產(chǎn)生的不利影響。

艦上的水源除了海水淡化水，還有從岸上補給的城市自來水，也可混合使用以降低硼含量，提高總硬度，增加氟含量。我國舟山市的人均水資源擁有量少，是一個資源型缺水的地區(qū)。作為海島地區(qū)，與大陸分隔，且島嶼分散，水資源的主要利用水庫、山塘等蓄水設施依靠梅汛和臺汛兩期降水來蓄水[8]。目前生活飲用水的水源水短缺，需利用海水淡化水進行補充。針對淡化水硼超標及總硬度過小的問題，舟山市采用將海水淡化水與其他地表水混合應用的方法，將總硬度均值也由26.86 mg/L上升到132.51 mg/L，硼的檢測合格率由21.6% 上升到92.8%，基本解決了海水淡化水總硬度過小及硼超標的問題[9]。所以，在艦船上也可以在遠航前，將水艙的水規(guī)劃使用，用于飲用的水可實行淡化水與水艙中攜帶的岸補水混合使用，以降低硼含量，提高水的總硬度和含氟量。

4建議

淡化海水的水質(zhì)良好, 均符合國家生活飲用水衛(wèi)生標準，但其pH值、堿度和硬度都極低，如果艦船上供水管路的耐腐蝕能力較差，在淡化水流過時極易造成原有腐蝕管垢的溶解，加速鐵的過量釋放，引發(fā)黃水問題，因此建議在設計飲用水管路時選用不銹鋼管或B10白銅管，以提高管路的抗腐蝕能力。

用現(xiàn)有國家生活飲用水衛(wèi)生標準中的指標限值來要求海水淡化水，對人體健康的影響就無法評估。若在現(xiàn)有生活飲用水衛(wèi)生標準中對涉及人體必須營養(yǎng)元素的水質(zhì)指標，除了規(guī)定最高限值外, 還能設置最低達到值(底值)，將對評估水質(zhì)對人體健康的影響起到積極的促進作用。

參考文獻

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On the Optimization Direction of Sea Water Desalination Method

WANG Yi-qin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:In view of the problems existing in the usage of seawater desalination water for warships, by comparing the main water quality indexes of seawater desalination water with that of urban drinking water, the problems of desalination water of the warship are analyzed, and the water quality improvement direction is put forward.

Key words:sea water desalination; water quality; human health; corrosion of pipe; optimization

中圖分類號：U664.5

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0116-03

第一作者簡介：王憶秦 (1963-)，女，學士，高級工程師E-mail:e_wyq@163.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.030

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶日用水