关于江苏沿海地区发展海水淡化产业的思考

戴 岭,吴宏霞,韦 飞,王 鹏

(江苏省农业资源开发局,江苏 南京 210008)

1 反渗透法海水淡化技术简介

1.1 海水淡化发展概况

人类早在2000多年前就开始思考海水淡化问题。现代意义上的海水淡化则是在20世纪40年代开始的,起步技术是蒸馏法。海水淡化技术的大规模应用始于干旱的中东地区。由于中东地区独特的地理位置和气候条件,加之其拥有丰富的能源资源,使得海水淡化成为该地区解决淡水资源短缺问题的现实选择,并对海水淡化装置提出了大型化的要求,现代海水淡化产业也由此步入了快速发展的时代,到20世纪70年代前后初步形成了工业化生产体系。由于世界上70%以上的人口都居住在离海洋120 km以内的区域,因而海水淡化技术近20多年迅速在中东以外的许多国家和地区得到应用。最新资料表明,到2003年止,世界上已建成和已签约建设的海水和苦咸水淡化厂,其生产能力已达到3 600万t/d。目前海水淡化已遍及全球125个国家和地区,淡化水大约解决世界5%人口的生活用水。海水淡化事实上已经成为沿海地区解决水危机的重要战略手段之一,具有经济、实用、灵活等特点,有着广阔的开发前景。

1.2 主流海水淡化技术评述

目前全球海水淡化技术已超过20余种,但实践表明,真正实用的海水淡化技术只有离子交换法 (IE)、电渗析法(ED)、反渗透法 (R O)、多级闪蒸(MSF)、膜蒸馏 (MED)5种已达到了工业生产的应用规模。我国在多级闪蒸海水淡化方面还处于开发研究阶段,不具备独立的技术和设备制造能力。膜蒸馏法尚未设计出符合大规模生产需要的膜组件,因此其应用受到了限制。

离子交换法主要是利用离子交换树脂吸附离子的原理达到海水淡化的目的。其优点是目前除盐最为彻底,缺点是运行成本随原水含盐量的上升而大幅增加、设备操作复杂和易繁殖细菌。

电渗析法是利用电场的作用,强行将离子向电极处吸引,致使电极中间部位的离子浓度大为降低,从而制得淡水。优点是我国电渗析海水淡化技术已经接近世界先进水平,设备基本实现国产化,除盐率高,操作方便。缺点是对原水水质要求严格,对不带电荷的物质如有机物、胶体、微生物、悬浮物等无脱除能力,水回收率低,因此其应用受到局限。

反渗透技术具有相对较低的成本、相对便捷的流程和几乎没有污染,使其成为当前全球最普遍使用的一种海水淡化技术,备受沿海缺水城市的青睐。

1.3 反渗透法 (RO)海水淡化技术

反渗透法(R O)通常又称超过滤法,是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜,将海水与淡水分隔开。在通常情况下,淡水通过半透膜扩散到海水一侧,从而使海水一侧的液面逐渐升高,直至一定的高度才停止,这个过程为渗透。此时,海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压,那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。因此,从1974年起,美、日等发达国家先后把发展重心转向反渗透法。其优点在于:

(1)装置投资省 (投资费用约为528～793＄/m3·d[1],低于其它淡化方法)、体积小、能耗低(能耗仅为电渗析法的1/2,蒸馏法的1/40)、建设周期短,设备及操作简单易于自动控制,腐蚀和结垢程度较轻。

(2)兼容性好。可与几种膜技术混合使用,或配套其它水处理技术,如石英砂、活性炭吸附、脱气、离子交换、UV杀菌等。

(3)特别要提的是,当原水含盐量较高时反渗透膜处理对运行成本影响不大。

反渗透技术存在的问题主要是膜的寿命。我国反渗透技术还未达到世界先进水平,性能优异的关键部件如反渗透膜、高压泵、能量回收装置需进口,进口膜使用3～5 a后更换率约为5%。

需要说明的是:①海水由咸转淡后因硬度低、pH值偏酸性,还必须用CaCO3和CO2调节,使之符合人体所需的弱碱性,并提高水的硬度,才能达到生活饮用水的标准;反渗透法产生的高浓度海水直接排放将影响生物的生理功能、干扰食物链,但可以作为化工原料使用。

2 应用反渗透海水淡化 (SWRO)系统的实例及造水成本现状

2.1 国外新建海水淡化反渗透 (SWRO)厂的装置回收率和产水价格[2]

国外新建海水淡化反渗透 (SWRO)厂的装置回收率和产水价格见表1。

表1 有关水厂SWRO回收率及产水价格表

2.2 威海电厂海水淡化系统成本[3]

威海电厂采用美国陶式TFC复合膜,TFC复合膜由3层组成。根据实际计算威海电厂反渗透海水淡化运行成本为:一级反渗透制水成本6.4元/t,二级反渗透制水成本7.2元/t。由于二级反渗透出水 (导电率约4.2μ s/cm)并不能满足锅炉补充水 (导电率小于0.2 μ s/cm)的要求,所以必须再进入化学混床处理,才能进入锅炉,此时补充水成本为12.0元/t左右。而用自来水处理成锅炉补充水,其软化成本在12.5～14.0元/t。所以,海水淡化不但不会增加发电成本,而且解决了威海电厂淡水紧缺的问题。

2.3 大连石化公司海水淡化装置[4]

大连石化公司海水淡化装置采用常规预处理加三级反渗透膜分离技术生产锅炉除盐水。其中一级反渗透 (RO)的产水量为5 500 t/d,三级反渗透的产水量为5 000 t/d。海水淡化装置运行期间,装置耗电4～4.5 kW/t,一级膜化学清洗周期为3个月。若采用ERI美国能源回收公司的能源回收装置PX还可使海水淡化成本大大降低。锅炉水质造水成本9.20元/t,循环水质造水成本1.05元/t。

2.4 浙江沿海地区反渗透海水淡化 (SWRO)成本[5]

浙江省是我国反渗透海水淡化投入实践最早的地区。目前,浙江海水淡化主要解决居民饮水问题。综合成本在5元/t左右,明显高于当地(杭州)自来水水价(1.85元/t),其成本构成见表2。

表2 岱山和嵊泗两厂SWRO成本比较表 元/t

续表2

2.5 天津反渗透海水淡化 (SWRO)示范工程(1 000 t/d)[6]

天津SWRO示范工程造水量为1 000 t/d,造水成本构成见表3。

表3 天津SWRO示范工程 (1 000 t/d)成本表元/t

2.6 国内沿海某2×1 000 MW超超临界机组电厂的海水淡化系统 (640 t/d)[7]

国内沿海某2×1 000 MW超超临界机组电厂的海水淡化系统成本见表4。

表4 某2×1 000 MW超超临界机组电厂的海水淡化 (SWRO)系统成本表

2.7 造水成本随国际原材料成本价格浮动[8]

由于技术进步,国内外淡化水的成本呈下降趋势。近年来,我国各处报出的淡化水价格为5元/t上下。其实这一数字并未得到严格的考核。研究认为,仅就设备投资和基本运行费用而言是可能的,但若加上合理的电价,其成本则要高于5元/t。受国际海水淡化成本的影响,呈现浮动式规律。国际反渗透淡化水成本趋势见图1。

图1 国际反渗透淡化水成本趋势图

3 关于江苏沿海地区发展反渗透法海水淡化产业的思考

3.1 发展海水淡化产业的必要性

(1)区域淡水资源的需求。江苏沿海开发的区域包括拥有海岸线的连云港、盐城和南通市区及其下辖的17个县(市、区),总面积3.25万km2。

该区域多年平均水资源总量为93.8亿m3,近年用水量为120亿～130亿m3,缺口约25%。随着沿海地区新一轮开发战略的实施,该区域对淡水资源的需求将进一步增长,据预测,到2020年沿海地区生活、生产、生态用水量将增加30亿m3左右。因此,江苏沿海局部属于资源性缺水的地区。为保障沿海地区港城、临港产业区、滩涂围垦等重点区域开发,江苏省委、省政府明确到2015年,沿海地区新增供水能力达15亿m3/a以上,主要是调引长江水输送到沿海主要港城港区和滩涂围垦开发区。

(2)水质状况。近年来,江苏沿海地区水污染防治取得了一些成效,但总体形势依然十分严峻,水质超标趋势还在加重,由于地下水超采,南通、盐城部分地区已形成地下水漏斗区。根据监测资料评价,江苏沿海仅有26.5%的水功能区年均水质达标,其中饮用水水源区水质达标率为33.3%。沿海港区和滩涂垦区处于输水支线工程末端,水生态环境尤为突出。2008年江苏沿海地区26条主要入海河流河口水域水质类别符合或优于地表水环境质量标准Ⅲ类(含Ⅲ类)的占46.2%,Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ类水河流比例分别为26.9%、7.7%、19.2%。江苏临海地区又是水质性缺水地区,沿海港城、港口、工业开发区、垦区及广大农村的人民的饮水并不安全,许多人仍喝着“苦咸水”。

(3)城镇化及岸线利用加快。根据《江苏沿海地区五年推进计划》,按照将连云港建设成为国际性海港城市、盐城建设成为现代化工商城市、南通建设成为长三角北翼经济中心的定位,加速人口和产业集聚,推进港口、港城和临港产业协调发展,做强中心城市,提高集聚辐射带动能力。到2015年连云港、盐城、南通市中心城区人口分别达到150万、150万、160万。推进沿海县城东向发展,沿海14个县(市、区)城人口规模达到20万～30万人。加快建设连云新城、大丰港城、燕尾港镇、如东长沙镇等一批临海新兴城镇,形成一批具有鲜明产业、文化、资源特点的特色小城镇。可以预见,经济增长加快,人口数量增大,城市化水平不断提高,将使得饮用水水资源缺口越来越大,这将成为阻碍江苏沿海可持续发展的瓶颈。

(4)在沿海已建或规划建设一定数量的火力发电厂,对淡水的需求有特定的要求。

(5)不可预见因素的客观存在,需要多途径提供水源。海水淡化是一种可靠的战略水资源。江苏省拥有954 km海岸线,沿海岸线13个县(市、区)均在建设或规划建设港口港城,另外随着大规模围垦工程的实施,现有水资源配置方案将难以应对突发应急事件,因此海水淡化应上升为水资源的重要补充的战略地位。

3.2 发展反渗透法海水淡化产业的可行性

(1)海水淡化相关政策相继出台。2005年国家出台《海水利用专项规划》,明确要求扶持海水淡化产业发展;《国家“十二五”海洋科学和技术发展规划纲要》提出,国家将建立示范工程,加快海水淡化的自主化和规模化发展;据报道,国家 《“十二五”海水淡化科技发展专项规划》也正在制定中。江苏省水利等相关规划也明确提出“推广海水淡化技术并实现产业化发展,鼓励利用海水的产业发展”。海水淡化产业发展已进入加速期。

(2)反渗透法造水成本有望进一步降低。根据有关规划,我国将在 “十二五”期间大幅度提高反渗透膜的自给率,形成完备的规模化生产能力并实现进口替代,设备国产化是一条降低成本之路。杭州水处理中心生产的反渗透膜已经在浙江省六横岛首次投入使用,这是国产膜第一次工程化、规模化的应用,国产化率提高后的海水淡化成本有望进一步降低。

(3)可以与相关产业有机结合。具体表现为,相关上游产业提供的能源动力,即热电厂或炼钢厂等高能耗企业提供生产余热作为淡化海水的生产热能;下游相关行业中的企业对浓缩海水的开发利用,即晒盐场使用浓缩海水制盐,原盐用于下游的化工行业的企业生产原料,发展盐化工业等,发展循环经济。

3.3 几点思考

(1)尽早开展基础研究工作。摸清临海居民和工业用水时间、空间分布的数据,弄清缺水现状和用水需求,在对海水资源性状等进行充分研究的前提下,规划海水淡化产业发展,并在沿海地区部署试点示范反渗透淡化技术的应用,加强政府的组织领导。

(2)鼓励大型企业建设海水淡化工程。沿海地区经济要发展,不可避免会降低准入门槛而引进一些能耗较高的大型企业。政府应鼓励这些企业承担相应的社会责任,根据自身生产特点开发淡化潜力,造福当地。

(3)各级政府应出台相应的鼓励、扶持政策。海水淡化属于民生工程,政府可以在投资上给予补助,在运行电价上有所优惠,或建立退税机制,用于海水淡化制水补贴等。

4 结 语

综上所述,由于江苏沿海地区存在资源性、工程性和水质性缺水的现象较为突出,随着该省沿海地区新一轮开发战略的实施,该区域对淡水资源的需求将进一步增长,供需矛盾更为突出。解决的途径是,除调引长江水输送到沿海主要港城、港区和滩涂围垦开发区外,还需加强政府的组织领导,系统调查江苏沿海海水利用基本状况,评价开发利用前景,推进海口淡化和综合利用的科研开发和产业发展,尽早开展海水资源利用的基础研究工作,摸清临海居民和工业用水时间、空间分布的数据,弄清缺水现状和用水需求,在对海水资源性状等进行充分研究的前提下,规划海水淡化产业发展,并在沿海地区部署试点示范反渗透淡化技术的应用;各级政府应出台相应的鼓励、扶持政策,鼓励大型企业建设海水淡化工程等,为保障江苏沿海地区港城、临港产业区、滩涂围垦等重点区域的开发提供水资源保障。

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