王曉楠,潘獻輝,郝軍,劉昱

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192)

反滲透海水淡化水的市政應(yīng)用研究

王曉楠,潘獻輝,郝軍,劉昱

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192)

反滲透海水淡化水具有潔凈、純度高和供給穩(wěn)定的特點，可緩解淡水資源匱乏的問題。文章介紹海灣國家、美國和中國反滲透海水淡化水市政應(yīng)用現(xiàn)狀以及一些典型案例，在此基礎(chǔ)上，提出政策扶持和企業(yè)協(xié)調(diào)并重、推進裝備核心部件和關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化以及建立健全相關(guān)標準和加強監(jiān)管等建議，以期促進我國反滲透海水淡化水的大規(guī)模市政應(yīng)用。

海水淡化；海水利用；反滲透淡化；市政供水；淡水資源

1 引言

水資源危機已是世界性問題。隨著人口的增長、經(jīng)濟的發(fā)展，對淡水的需求將繼續(xù)增加。預(yù)計到2025年，世界上將會有30億人面臨缺水，40個國家和地區(qū)淡水嚴重不足[1-3]。我國淡水資源嚴重匱乏，不僅總量不夠，而且時空分布不均衡，經(jīng)濟發(fā)達、人口密集的沿海地區(qū)尤為短缺。

世界市政淡水來源除河流外，主要有地下水、遠程調(diào)水以及海水或苦咸水淡化3種。《2013年海水淡化年報》數(shù)據(jù)顯示，在全球8 090萬m3/d的脫鹽總產(chǎn)能中，對脫鹽有效總量貢獻最大的是海水淡化，占59%，產(chǎn)能約為4 773萬m3/d；其次是苦咸水淡化，占22%，產(chǎn)能約為1 780萬m3/d。

此外，具有“不淹地、不移民、不爭水、不受氣候影響”特點的海水淡化，作為淡水資源供給的重要途徑已經(jīng)得到全球范圍內(nèi)缺水國家的廣泛認可和接受。反滲透海水淡化能夠在低能耗的條件下將海水脫鹽生產(chǎn)高品質(zhì)的淡水，憑借設(shè)備模塊化、工藝流程簡單及綜合成本低等優(yōu)勢，已成為解決淡水資源短缺的重要海水淡化技術(shù)[4-6]。在全球海水淡化技術(shù)分布中，反滲透海水淡化占比為62%，已成為海水淡化市政應(yīng)用的主流技術(shù)。其他技術(shù)包括多級閃蒸海水淡化和多效蒸餾海水淡化等。反滲透海水淡化技術(shù)的應(yīng)用，不僅有助于緩解淡水資源供水緊張的局勢，而且對于開源增量優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。

2 全球反滲透海水淡化水市政供水應(yīng)用現(xiàn)狀

反滲透海水淡化水具有潔凈、高純度以及供給穩(wěn)定的特點，是安全可靠的高品位水源。目前，在全球范圍內(nèi)，反滲透海水淡化水作為淡水資源的替代水源，已廣泛應(yīng)用于市政供水、工業(yè)、電廠、灌溉、旅游等領(lǐng)域[7-11]。在市政供水應(yīng)用上，反滲透海水淡化水進入自來水管網(wǎng)，作為城鎮(zhèn)居民生產(chǎn)、生活的重要水源，也作為海島、船舶、海上平臺等主要水源；可作為企業(yè)生產(chǎn)和生活用水，以及作為以發(fā)電等鍋爐補水為代表的工業(yè)用高純水和工藝用水。

全球海水淡化規(guī)模近年來不斷攀升。截至2015年年底，全世界海水淡化日產(chǎn)水規(guī)模大約8 655萬t。在應(yīng)用分布中，自2006年以來全球海水淡化水每年的市政應(yīng)用均遠高于其在工業(yè)中的應(yīng)用，市政供水占比已達62%、工業(yè)用水占比26%、電廠用水占比6%，其他的應(yīng)用占比較小且較分散。從開發(fā)及應(yīng)用反滲透海水淡化技術(shù)最廣泛的國家來看，反滲透海水淡化水在中東地區(qū)用于市政供水的比例為86%，在美國南部3個地區(qū)為89.5%，在中國為30%，解決了全球近2億人的生活用淡水問題。全球海水淡化合同容量在不斷增大，預(yù)計到2018年，全球淡化工程總裝機容量將達到1.38億t/d。

3 反滲透海水淡化水市政供水應(yīng)用

3.1 海灣國家

在全球海水淡化最大的市場海灣國家，集中了大型淡化工程，海水淡化產(chǎn)能排名居前。其海水淡化水的86%用于市政供水，許多居民飲用淡化水已經(jīng)長達25年之久?？仆?、卡塔爾、沙特、阿曼、阿聯(lián)酋、巴林、伊朗、伊拉克、以色列都制定了用海水淡化水作為市政供水的政策。其中，科威特和卡塔爾幾乎全部都用淡化水作為飲用水。沙特阿拉伯是世界淡化水產(chǎn)量最大的國家，其淡化水產(chǎn)量占世界淡化水產(chǎn)量的30%；沙特屬干旱沙漠氣候，全年降水稀少，境內(nèi)又無淡水河流，其生產(chǎn)和生活70%的用水為淡化海水；目前沙特擁有淡化水輸送管道4 157 km、泵站29座，沙特Shuaiba海水淡化廠的設(shè)計規(guī)模為88萬m3/d。阿聯(lián)酋通過加快發(fā)展大型淡化裝置以滿足不斷增長的城市用水需要，已成為世界上人均淡化水擁有量最多的國家。

以色列自20世紀60年代起就積極致力于海水淡化技術(shù)的研究。自1999年起，在政府的大力鼓勵與扶持下，以色列相關(guān)企業(yè)開始通過海水淡化徹底改變國家缺水的狀態(tài)。目前已擁有先進的海水淡化技術(shù)和設(shè)備，海水淡化水在供水結(jié)構(gòu)中所占份額不斷增大。以色列建立集中水輸送系統(tǒng)，由北方的水源地集中輸送至南部及半干旱水資源短缺地區(qū)。目前以色列70%的市政供水來自海水淡化，2020年計劃整個以色列的海水淡化水源將完全替代水庫水源，海水淡化將100%覆蓋全國用水要求。

3.2 美國

美國部分地區(qū)淡水資源短缺，尤其是加利福尼亞州、德克薩斯州及佛羅里達州的淡水資源短缺尤為嚴重，用水問題已成為制約當?shù)厣鐣敖?jīng)濟發(fā)展的“瓶頸”。反滲透海水淡化成為解決當?shù)氐Y源短缺的重要技術(shù)，得到了大范圍的應(yīng)用。反滲透海水淡化工程占所有已建海水淡化工程總裝機規(guī)模的97%，應(yīng)用于市政、電力、旅游、軍事等領(lǐng)域。其中市政供水應(yīng)用占比達到89.5%，電力占比6.9%，旅游占比2.5%，示范占比0.5%，軍事占比0.4%，灌溉占比0.2%。同時美國是膜生產(chǎn)大國，聚集了反滲透膜陶氏、海德能、GE、Koch等國際著名品牌。

盡管當前美國的海水淡化工程發(fā)展緩慢，但根據(jù)全球水智的數(shù)據(jù)預(yù)測，美國將成為世界第二大海水淡化市場，有向大型及超大型工程發(fā)展的趨勢，用于市政的海水淡化水比例將逐年增加。

3.3 中國

中國在“建設(shè)海洋強國”“東部率先發(fā)展”“海上絲綢之路”“京津冀協(xié)同發(fā)展”等戰(zhàn)略的推動下，海水淡化技術(shù)進入快速發(fā)展期。《關(guān)于加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見》已經(jīng)提出，在確保人體健康的前提下，允許海水淡化水依法進入市政供水系統(tǒng)。加快推廣反滲透海水淡化水在居民生活用水中的應(yīng)用，擴大其市政應(yīng)用規(guī)模，發(fā)揮反滲透海水淡化水的保障作用，是我國海水淡化產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)展方向。

我國反滲透海水淡化發(fā)展迅猛，截至2015年年底，全國已建成海水淡化工程121個，應(yīng)用反滲透技術(shù)工程106個，產(chǎn)水規(guī)模為100.88萬t/d，最大海水淡化工程規(guī)模為20萬t/d。其中，萬噸級以上海水淡化工程31個，萬噸級以下、千噸級以上海水淡化工程36個，千噸級以下海水淡化工程54個。

應(yīng)用分布上，我國海水淡化工程產(chǎn)水的終端用戶主要分為工業(yè)用水和生活用水。截至2015年年底，我國海水淡化水用于工業(yè)用水的工程規(guī)模為67.726萬t/d，占總工程規(guī)模的67.14%(集中在電力、石化、鋼鐵領(lǐng)域)；用于居民生活用水的工程規(guī)模為33.132 5萬t/d，占總工程規(guī)模的32.84%。

區(qū)域分布上，主要集中在水資源嚴重短缺的沿海地區(qū)和海島，其中北方的天津、河北、山東等地以電力、鋼鐵等大規(guī)模高耗水工業(yè)用海水淡化工程為主；南方的浙江(寧波)、福建(廈門)、海南等地以民用海水淡化工程居多，以百噸級和千噸級工程為主。

除工程規(guī)模數(shù)量上的不斷增加外，與地表水及地下水提取、跨流域取水、南水北調(diào)等綜合成本相比，隨國內(nèi)區(qū)域性淡水資源的日益短缺導(dǎo)致整體水價不斷上升，以及反滲透海水淡化市政用水綜合成本的逐漸降低，反滲透海水淡化水大規(guī)模市政應(yīng)用初步具備了經(jīng)濟效益。目前我國反滲透海水淡化產(chǎn)水成本集中在5～8元/t，已接近甚至低于地下水提取和跨流域取水等其他取水成本。以青島為例，水資源主要來自地表水及地下水、引黃水和南水北調(diào)水。地表水及地下水制水成本約為4元/t，引黃濟青成本約為5.05元/t，南水北調(diào)制水成本約為5.5元/t，反滲透海水淡化成本為4～6元/t。隨著海水淡化設(shè)備國產(chǎn)化進程的加快、技術(shù)提高進一步降低能耗，反滲透海水淡化水成本可進一步降低，其市政應(yīng)用的優(yōu)勢將更加顯著。

4 反滲透法海水淡化水應(yīng)用典型案例

4.1 以色列索萊克海水淡化廠

以色列索萊克海水淡化水廠是目前世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進的反滲透海水淡化廠，其產(chǎn)水量為62.4萬m3/d。采用16英寸膜垂直布置、地下盾構(gòu)技術(shù)，以穩(wěn)定的水量、高質(zhì)量水質(zhì)、高利用率為當?shù)爻^150萬居民提供淡水，相當于以色列20%的城市用水，并且不會對海岸環(huán)境有任何影響。

4.2 新加坡新泉海水淡化工程

新加坡的新泉海水淡化廠是新加坡乃至亞洲目前最大的淡化項目，可供應(yīng)13.6萬m3/d淡化海水，能夠滿足國內(nèi)10%的用水需求。所生產(chǎn)的淡化水由輸水管引入最近的公用事業(yè)局儲水池，按1∶2的比例與普通淡水混合，直接進入城市供水，供西部居民飲用。

4.3 摩洛哥Laayoune海水淡化工程

Laayoune為7 000 m3/d反滲透海水淡化工程，將產(chǎn)品水與地下水(含鹽量為1 600 mg/L，規(guī)模為5 616 m3/d)混合后輸送到供水管網(wǎng)，同時采用NaOH調(diào)節(jié)pH值以減小對輸送管路的腐蝕，最后用氯進行消毒，達到12 600 m3/d的飲用水供應(yīng)量。

4.4 西班牙巴塞羅那海水淡化工程

巴塞羅那產(chǎn)水量為20萬m3/d的膜法海水淡化工程在歐洲規(guī)模最大，其反滲透淡化水經(jīng)過礦化和氯化處理后，利用泵壓輸至11 km外弗恩桑塔的各大主要儲水池，同時直接進入飲用水管網(wǎng)，為巴塞羅那地區(qū)約450萬居民提供飲用水，滿足15%～20%的飲用水需求。

4.5 澳大利亞黃金海岸海水淡化工程

澳大利亞黃金海岸的12.5萬m3/d海水淡化工程為澳大利亞昆士蘭州東南地區(qū)供水，其供水量達到了該地區(qū)總供水量的20%。為提高淡化水的品質(zhì)，首先在二級反滲透前將pH值提至10.2左右以提高硼的脫除率，然后通過添加熟石灰和二氧化碳進行礦化實現(xiàn)水質(zhì)的穩(wěn)定，最后采用次氯酸鈉進行消毒并進入城市供水系統(tǒng)。

5 反滲透海水淡化水市政應(yīng)用建議

從全球淡水形勢來看，反滲透海水淡化水已成為缺水國家生活、生產(chǎn)用水的重要組成部分，并且應(yīng)用的范圍和比例呈逐年遞增的趨勢。我國反滲透海水淡化項目的大規(guī)模建成投產(chǎn)，使得淡化水逐漸進入市政供水系統(tǒng)。但是要得到終端消費者的普遍認可和保障國家用水安全，仍亟須重點解決3個方面的問題。

(1)政府政策扶持與企業(yè)協(xié)調(diào)并重。政府層面引導(dǎo)，對全國的水資源進行規(guī)劃調(diào)配；將反滲透海水淡化水納入市政供水體系管理，合理安排區(qū)域反滲透海水淡化工程的布局，給予優(yōu)惠的財稅政策和適當補貼；發(fā)揮國家質(zhì)檢機構(gòu)對反滲透海水淡化水質(zhì)的監(jiān)督檢驗職能；與企業(yè)共同解決管網(wǎng)鋪設(shè)、電費、水價、取水、排水等問題，改造現(xiàn)有供水管網(wǎng)、布局及建設(shè)輸送反滲透海水淡化水的專業(yè)、優(yōu)質(zhì)管網(wǎng)。此外，高校開設(shè)反滲透海水淡化相關(guān)學科，增加公眾獲取反滲透海水淡化知識的途徑和渠道。

(2)加快推進反滲透海水淡化裝備核心關(guān)鍵部件及工藝技術(shù)的國產(chǎn)化。不斷提升具有自主知識產(chǎn)權(quán)的反滲透海水淡化工程建設(shè)的實力，穩(wěn)定反滲透海水淡化工程運行，保證產(chǎn)水水質(zhì)。不斷提高高端膜市場產(chǎn)品的占有率，如通過采取開發(fā)性能更好的膜等技術(shù)手段，以降低海水淡化的處理成本，開發(fā)特種性能的膜和工藝以應(yīng)對不同的處理需求。通過引進、消化吸收、重點扶持有自主知識產(chǎn)權(quán)的反滲透海水淡化技術(shù)，形成具有核心競爭力的反滲透海水淡化產(chǎn)業(yè)。

(3)逐步建立健全標準、加強監(jiān)管，確保我國已建成的反滲透海水淡化工程產(chǎn)水水質(zhì)的安全可靠。世界上有數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同工藝、不同容量的反滲透海水淡化裝置，導(dǎo)致產(chǎn)品水的水質(zhì)千差萬別。應(yīng)加快制定反滲透海水淡化產(chǎn)水相關(guān)的行業(yè)法規(guī)、工程規(guī)范、標準體系以及設(shè)計合理的預(yù)處理、后處理工藝等。同時，強化第三方對產(chǎn)品水質(zhì)量的監(jiān)管，進而穩(wěn)定和規(guī)范反滲透海水淡化市場，保證市政用水的質(zhì)量，確保用水和飲水安全。

6 結(jié)語

反滲透海水淡化水生產(chǎn)工藝越來越成熟，已成為全世界范圍內(nèi)解決淡水資源匱乏的重要手段之一，是市政用水的重要組成。在我國，反滲透海水淡化尚處在海洋新興產(chǎn)業(yè)階段，發(fā)展的空間和廣度非常大。隨著海水淡化項目不斷發(fā)展、淡化廠規(guī)模的大型化以及淡水供求矛盾的有效解決，反滲透海水淡化水的大規(guī)模市政應(yīng)用是必然趨勢。

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DevelopmentofWaterforDrinkingbyReverseOsmosisSeawaterDesalinationPlants

WANG Xiaonan，PAN Xianhui，HAO Jun，LIU Yu

(The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization,SOA,Tianjin 300192,China)

Reverse osmosis desalinated water has the characteristics of clean,high purity and stable,which can alleviate the problem of fresh water shortages.This paper summarized the municipal application of reverse osmosis desalinated water,including the Gulf countries,the United States and China.Meanwhile,recommendations contains policy support,enterprises coordination,equipment and key technologies promoted,related standards have been put forward,with a view to promoting China’s large-scale municipal applications of reverse osmosis desalinated water.

Seawater desalination,Seawater utilization,Reverse osmosis seawater desalination,Municipal water supply,Fresh water resources

2017-08-21；

2017-11-22

2016年中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(K-JBYWF-2016-T15).

王曉楠，工程師，碩士，研究方向為海水淡化和水質(zhì)分析

P747

A

1005-9857(2017)12-0077-04