海岛地区海水淡化的开发和应用

刘锡文，赵河立，王生辉

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

根据1988 年～1995 年开展的“全国海岛资源综合调查”，我国沿海11 个省区市有近7 000 个500 m2以上及上万个500 m2以下的岛屿和岩礁屿。其中大部分岛屿由于地理位置、气候环境而存在淡水资源匮乏的问题，如长山、庙岛、舟山、澎湖、东沙、西沙、南沙群岛，淡水稀缺达到难以承受的程度［1］。随着海岛经济建设的快速发展，淡水需求量不断加大，因此解决水资源问题成为当务之急。

解决海岛水资源问题的方法主要为开发本地水资源、大陆引水、海水淡化三种类型。近年来因地制宜采取蓄水、联网、开采地下水、节水、引水、海水淡化、再生水等多水源综合配置措施，进一步提高供水能力和水资源开发利用效率，形成以本地水资源开发、大陆引水和海水淡化组成的三种方式综合利用体系。目前国内大中型海岛多采用三种方式综合供水，小型海岛以开发本地水资源和海水淡化提供淡水。但我国海岛大多面积较小［2］(面积为500 m2～5 km2海岛约占我国海岛总数的98%)，开发本地水资源的能力有限。另外，我国的海岛大多远离大陆、分散偏僻，不利于从大陆引水工程展开。相比之下，海水淡化可以分期分批投资、建设工期短、产水水质好、建设规模灵活性大，因此海水淡化可用于解决海岛水资源问题［3-6］。

1 我国海岛海水淡化技术应用

早在20 世纪70 年代我国就开始了海岛海水淡化技术研究，1970 年～1972 年间研制成功了日产淡水7 和14 m3两种电渗析器，提供海岛从海水制取饮用水。近年来，随着海水淡化技术的发展和海岛开发利用的迫切需要，海水淡化在浙江、福建、山东等省的海岛地区已得到快速发展。

1.1 传统海水淡化技术在海岛的应用

1.1.1 传统海水淡化技术的应用

目前，海水淡化方法以反渗透法和蒸馏法为主。反渗透海水淡化装置只需外界提供电力，占用空间小，自动化程度高，装置规模的灵活性大，目前已经在海岛上得到了广泛应用。我国自1997 年开始在浙江舟山、辽宁长海、山东长岛、海南西沙群岛和福建台山岛等地建设了反渗透海水淡化装置，装置日产量从几t 到几万t，极大地缓解了当地缺水状况。对于远离陆地且缺乏电力的小型海岛，大多采用柴油机发电提供动力与反渗透装置配套来提供淡水。

蒸馏法海水淡化装置需要热源和电力，操作简单，所得淡水水质好。海水蒸馏淡化装置的热源利用柴油发电机在运行过程中，以冷却热水的形式排放的余热作为淡化的热源(其成本可以不计)，提高了发电设备的能源利用率，降低了海水淡化成本。例如常州能源设备总厂利用柴油机缸套水废热，采用真空沸腾蒸馏法，制造了管式海水淡化装置，装置平均产水量分别为1、2.5 和5 m3/d，1976 年1 月此装置被纳入船舶行业标准［1］。我国在小型低温蒸馏淡化装置的研究工作中取得了一定的研究成果，但由于技术研制水平有限，还没有得到大范围的推广和使用。

具体到实际应用可根据两种方法的技术特点以及海岛的自身条件、水资源和能源利用状况等来综合考虑海水淡化方法。对于大部分海岛都采用中小规模海水淡化装置，由表1 可知蒸馏法海水淡化的综合成本较高，且投资费用也高。因此，反渗透法海水淡化占有更大的经济优势。另外，对于大中型海岛，还可以采用水电联产的方式建设海水淡化工程，利用电厂的低压蒸汽、电力与蒸馏法或反渗透法海水淡化技术耦合［7］，从而实现能源高效利用，其综合经济效益显著。

表1 反渗透法和蒸馏法海水淡化经济分析表Tab.1 Economic Analysis of Reverse Osmosis and Distillation Seawater Desalination

1.1.2 5 m3/d 海岛海水淡化装置概况

天津海水淡化研究所针对某海岛的环境气候特点，2009 年研发了一套5 m3/d 海岛海水淡化装置，以缓解海岛居民的淡水供给不足的问题。

5 m3/d 海岛海水淡化装置采用了反渗透法海水淡化工艺，由取水、预处理、海水加热和反渗透四部分组成。海水由潜水泵取出，经过多介质过滤器去除原海水中的细小颗粒等杂质后，再经过换热器与反渗透浓缩海水进行换热，加热后进入到原水箱中。冬季运行装置时，利用原水箱内部装设的换热管，将换热管内的循环液体经太阳能加热后的热量传递给原水箱中的海水，再通过增压泵输送到三级保安过滤器，之后进入到高压泵中。高压泵将海水加压后送入反渗透膜内进行淡化分离，产出的淡水直接进入到淡水箱中，浓缩海水进入到高压泵的能量回收装置中回收能量，再经过板式换热器回收热能后排放。装置如图1 所示。

图1 5m3/d 海岛海水淡化装置工艺流程框图Fig.1 Flow Chart of 5 m3/d Island Seawater Desalination Process

反渗透膜对进料海水的水温要求不能低于5 ℃。依据海岛水域水温特点，采用软件对不同温度条件下(5、10、25 ℃)的运行状况进行模拟，计算得出主要工艺参数如表2 所示。考虑到冬季海岛海域表层海水温度最低为2.6 ℃，当水温为5 ℃时装置中高压泵能耗明显过高。长时间在5 ℃以下运行，对膜的性能和使用寿命有一定的影响，所以冬季使用太阳能加热系统，将水温提升到10 ℃，保证反渗透系统的正常运行。

表2 不同温度下的主要工艺参数Tab.2 Main Parameter of System at Different Temperature

海岛电力资源有限，因此回收浓海水的能量是一项非常有效的节能措施。考虑到淡化系统产水量较小和淡化装置的结构尽量紧凑的要求，研究选用了符合海岛淡化系统使用的SWPE 能量回收泵。与不采用能量回收的高压泵相比，吨水耗电量降低了4.3 kW·h。

经过连续72 h 的试运行试验，对各项参数进行了监测。结果显示装置运转正常，产水指标达到了设计要求，证明该工艺流程是可靠的，各部分采取的工艺方案是合理的，控制系统是稳定的。

1.1.3 反渗透海水淡化工艺的选择

根据海岛居民生活用水和工业生产用水等总需求量的不同建立不同规模的海水淡化装置。对于产水量为日产数千t 至数万t 淡水的大中型海水淡化装置，着重取水工艺、预处理工艺、反渗透系统进行优化研究。在取水方面，按照泵房输水构筑物的区别可有三种方式，包括岸边式取水、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，利用潮位差将水留在蓄水池中，利用蓄水池沉淀泥沙、澄清，并结合取水地点的实际情况，确定经济可行的取水方案，这是最经济适用的取水方式［8］。在预处理方面，主要是预处理工艺的选择和比较及预处理设备的开发。目前常用的预处理工艺有多介质过滤+活性炭过滤+超滤、多介质过滤+细砂过滤+超滤、自清洗过滤+超滤等。反渗透系统主要包括膜组件的选择、高压泵和能量回收装置的设计、反渗透膜清洗系统的研究［9］。

产水量最高为日产数百t 淡水的小型装置，一般用于远离陆地的小岛。由于海水水质稳定，污染小，因此可采用高效简便的海水取水技术。预处理工艺也较简单，大多采用多介质过滤+砂滤、砂滤+滤芯式过滤等。反渗透系统中采用低成本高压给水系统，如小型带能量回收的高压泵，以降低系统能耗。海水淡化本体实现模块化设计，形成节能型海岛一体化制水装置［10］，该装置具有设备紧凑、自动化程度高、维护使用方便的特点。

1.2 可再生能源海水淡化技术在海岛中的应用

1.2.1 可再生能源海水淡化技术的应用

目前，大多数海岛采用海底电缆和柴油发电来提供电力。然而小型海岛只靠柴油发电提供的能源有限，很难保证海水淡化用电，而影响海水淡化成本的主要因素就是电耗。我国对石油、煤等传统能源的长期依赖导致了严重的大气污染和生态环境破坏，因此岛屿的长期发展需要考虑减少对传统能源的利用。我国海岛广泛分布于东南沿海，所处位置太阳辐射强度大，风能资源条件好，并伴随有取之不尽、用之不竭的海洋能资源。因此，开发利用风能、太阳能、海洋能等可再生能源与海水淡化耦合技术，是降低海水淡化成本和建设海岛水资源保障体系的重要途径［11］。

风能海水淡化可分为风电海水淡化(分离式)和风力直接驱动海水淡化(耦合式)。分离式是利用风能发电产生的电能来驱动海水淡化装置;耦合式是直接将风力的机械能用于海水淡化［12，13］。目前，大多采用间接风能海水淡化方式，但此方式存在随风速时常变化，能量供应不稳定，具有间歇性和波动性的问题，需要采取相应的技术来解决［14］。1992年3 月由国家海洋局海洋技术研究所在山东长岛县小黑山岛研建的风力发电-电渗析淡化苦咸水实验站投入使用，不但解决了当地居民饮水问题，还为发展新能源海水淡化提供了示范［15］。

太阳能海水淡化按照能量的利用方式，可分为太阳能光热海水淡化和太阳能光电海水淡化。前者是利用太阳能产生热能来驱动海水相变过程，即太阳能蒸馏法海水淡化，此方法在技术上已经比较成熟，目前占主导地位;后者是利用太阳能发电以驱动渗析过程，即太阳能反渗透法海水淡化，此方法因太阳能电池制作成本偏高，可维护性差，目前只能作为其他可再生能源的补充［16］。20 世纪70 年代，我国在海南蜈歧洲岛和西沙中建岛分别建成蒸发面积为385 m2、日产淡水为1 m3和蒸发面积为50 m2、日产淡水为0.2 m3的太阳能蒸馏器各一座［17］。

海洋能是海水运动过程中产生的可再生能，主要包括温差能、潮汐能、波浪能、潮流能、海流能和盐差能等［18］。较稳定的能源为温度差能、盐度差能和海流能。不稳定能源有潮汐能、潮流能和波浪能。“十五”期间中科院广州能源研究所研制了10 m3/d波浪能海水淡化试验装置，该系统通过锚链驱动液压泵，将液压能经蓄能稳压系统输出到液压马达，然后驱动预处理部分的低压泵和反渗透系统部分的高压泵而生产淡水［19］。

可再生能源海水淡化技术具有很好的应用前景，但是风能、太阳能、波浪能等的不稳定性影响了海水淡化系统的运行，成为制约可再生能源海水淡化技术大规模推广应用的瓶颈。

1.2.2 可再生能源不稳定性的研究

近年来，针对可再生能源不稳定性问题，国内外进行了很多研究，归纳起来主要有以下三方面。

(1)储能技术

为了避免风电、太阳能光伏发电的不稳定性对反渗透系统的影响，通常设置有储能系统。常规的储能方法有蓄电池储能、抽水蓄能、柴油发电互补、飞轮储能和电解制氢储能等。2010 年在舟山市岱山县大鱼山岛建成一套5 m3/d 太阳能光伏反渗透海水淡化示范工程［20］，该工程的供电系统设置了蓄电池和柴油发电机以备电能的不稳定。大鱼山岛是一个远离岱山本岛的小海岛，缺水季节靠运输，吨水总成本达30 元左右。如利用柴油发电机供电进行海水淡化，吨水制水成本约16.5 元/m3，如采用光伏太阳能供电吨水成本约13.0 元/m3。

(2)供电形式

由于太阳能和风能在时间分布上具有很强的互补性，风光互补发电系统在很大程度上弥补了风电和太阳能光伏发电独立应用在资源上的各自缺陷，且在技术应用中可以通过储能环节使独立的风电、光电系统得到合理化整合，构成能充分利用资源条件的独立供电系统。何小龙等［21］自行研制了产水量为25 L/h的风光互补反渗透海水淡化装置，运行结果表明技术成熟稳定可靠，吨水能耗4.8 kWh/m3。

(3)与变负荷相适应的反渗透海水淡化技术

王春等［22］为适应风电、太阳能等新能源的不稳定性，设计了可变负荷的反渗透海水淡化装置，在维持膜壳内压力稳定的工况下，低功率运行时可以增加系统回收率，降低单位产水能耗，可以降低运行成本。

2 海岛海水淡化的发展趋势

(1)传统海水淡化技术的海岛适用性将逐渐增强

经过多年的发展，以反渗透和蒸馏为主的传统海水淡化技术已接近成熟，但是不同的技术都具有各自的特点，对于不同的、复杂多变的海岛环境的适用性也有显著差别。随着对传统海水淡化海岛适用技术的深入研究，其在海岛上的适用性将逐渐增强，成为解决海岛淡水资源缺乏的主要途径之一。

(2)可再生能源在海水淡化领域的应用将更为广泛

利用可再生能源进行海水淡化已经越来越多地应用在我国缺水缺电的海岛，但规模还比较小。随着传统能源使用成本的持续上升和可再生能源利用技术的快速发展，可再生能源在海水淡化领域的应用将更为深入和广泛。

(3)新型海水淡化方法的研究和应用将成为热点

正渗透、膜蒸馏、迅速喷雾蒸发技术、纳米结晶技术、超声波技术和分子筛膜蒸馏技术等新型海水淡化方法的出现，为海岛海水淡化的发展开辟了新的途径，它们在不同类型海岛上的应用将成为世界范围内的研究热点。

3 存在的问题和建议

(1)海水淡化工艺的选择

海岛大多远离大陆、分散偏僻、大小不一、人口数量不等、自然条件各异，经济社会发展水平不同，对水资源的需求也有区别。因此，海水淡化工艺的选择要因地制宜、优先比选，确定最佳工艺方案。

(2)小型海水淡化设备的国产化

小型海岛海水淡化装置规模较小，相匹配的设备较少(如能量回收装置)。因此，研发低成本国产小型高压泵、能量回收装置、反渗透膜元件等关键设备，可降低小型淡化装置的成本。

(3)可再生能源的稳定性

可再生能源的开发利用是解决海岛海水淡化能源问题的重要途径，但是海岛可再生能源分布不均匀，能源的稳定性较差。因此，应加强多种能源互补系统的研究、低成本储能装置的研发和变负荷海水淡化装置的研制，以保证海水淡化装置的正常运行。

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