海水淡化技术的国际应用与国内发展分析

蒋 奇

（北京市水利规划设计研究院 北京 100048）

海水淡化技术的国际应用与国内发展分析

蒋 奇

（北京市水利规划设计研究院 北京 100048）

海水淡化技术是目前主要缺水国家采用的饮用水生产技术。其主要包括多效蒸馏技术和反渗透技术。本文分析比较了两种工艺各自优势，通过主要国家将海水淡化的利用情况和我国水资源利用情况进行对比，总结了海水淡化在我国发展所面临的客观条件、技术和标准问题、政府作用，展望了海水淡化的发展趋势。

海水淡化 技术应用 发展

进入20世纪后，海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了加速发展，70年代以来，更多的沿海国家由于水资源的匮乏而加快了海水淡化的产业化发展。目前，无论是中东的产油国还是西方的发达国家，都建有相当规模的海水淡化厂。

随着水资源短缺形势日益严峻，海水淡化的水在一些沿海缺水国家和地区的经济和社会发展中发挥着重要作用。目前，全球海水淡化市场已颇具规模。未来20年国际海水淡化市场增长最快的仍然是中东地区，其次是美国、澳大利亚、西班牙、印度和中国。

海水淡化已经成为当今世界重要的水资源来源之一，具有取之不尽、用之不竭的特点，特别是对于水资源短缺国家、地区和城市的供水安全有较强的保障作用，具有极高的战略意义。

北京以不足26亿m3的本地水资源支撑了年均36亿m3的用水需求，但水资源过渡开发导致的地下水位急剧下降和生态环境日益脆弱的现象已经十分明显，水资源短缺已成为首都经济社会发展的第一瓶颈。在供水安全和生态安全双重目标下，北京水资源总量常态缺口至少为5亿m3。同时与北京相关的海河流域、黄河流域、长江流域社会经济正处在高速发展时期。水资源形势不容乐观，从长远考虑，首都水资源保障将逐步构建“北倚密云，南调江汉，西引黄河，东取海洋”的多元取水格局，以密云水库之水保障首都生活之本，以长江、汉江之水支撑首都的经济发展，以黄河之水作为南水北调水源的应急补充，以淡化海水支撑首都圈发展和作为首都水资源战略储备，从根本上解决首都水资源保障不足的问题。

1 海水淡化技术比较

全球海水淡化技术超过20余种，包括反渗透法、低温多效、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏、露点蒸发法、水电联产、热膜联产等，以及微滤、超滤、纳滤等多项预处理和后处理工艺。从大的分类来看，主要分为蒸馏法（热法）和膜法两大类，是全球主流技术。热法具有节能、海水预处理要求低、淡化水品质高等优点，但需要临近电厂等热源；反渗透膜法具有投资低的优点，但海水预处理要求高。

在全世界的海水淡化站中约有26.7%采用RO法。在全世界已安装和计划安装的RO机组里，美国居领导地位，占市场份额的26.8%，其次分别为沙特阿拉伯（12.9%）、西班牙（10.9%）和日本（6%）。在加利福尼亚州，RO 是现有海水淡化设施中，同时也是绝大多数计划建设的海水淡化设施中推荐采用的技术。

1.1 多效蒸馏MED技术

（1）MED的原理。多效蒸馏法的蒸发器由

几个连续的小室（或效应）构成，从第一个热小室到最后一个冷小室，压力（和温度）逐步降低。每个小室由一个水平的管束构成。把海水补充流喷到管束的顶部，然后，再利用重力作用使其通过一根根的管子向下流动。

加热用的水蒸汽导入管道内。由于管道外面用补充流进行冷却，蒸汽在管道里冷凝成为蒸馏水（淡水）。与此同时，海水被加热，通过回收冷凝热量（潜热），使其部分蒸发。由于蒸发的缘故，当海水通过管束时，其浓度稍有提高，在小室的底部产生咸水。海水蒸发产生的蒸汽，其温度要低于加热用的蒸汽。但是，在下一个阶段再重复这一方法时它仍然可以用作加热介质。压力从一个小室到下一个小室逐步降低，把咸水和蒸馏水抽到下一个小室，在那里，它们将进行闪蒸，降低压力，释放附加的蒸汽。这些附加的蒸汽将在下一个小室里冷凝成蒸馏水。

在多效蒸馏的一系列的效应里，这一过程是重复的。在最后一个小室里，产生的蒸汽在常规外壳和管道热交换器里冷凝。这一交换器称为“蒸馏水冷凝器”，利用海水冷却。在这个冷凝器的出口，被加热了的海水一部分用作这一装置的补充流，其余的排入海中。咸水和蒸馏水一个小室、一个小室地收集起来，直到最后一个小室，在那里通过离心泵进行分离提取。

（2）MED的优点。其优点为：

①能连续地生产高纯度蒸馏水。

②不需要复杂的海水预处理，能适应各种海水条件的变化。

③运行高度可靠、简单易行。

④由于减少了占地面积，降低了土建成本。

⑤由于全套装置安装在支架上，在简单安装之后，即可交付使用，所以安装简便。

⑥维护成本低（除了低压泵之外没有转动部件）。

⑦全天24h运作，几乎不需要监管。⑧可以适应各种热源，包括热水。

1.2 反渗透RO技术

反渗透法是一种压力驱动的方法，对膜侧的海水施压，使淡水穿过膜并留下盐类。同热蒸馏法和电渗析法相比，反渗透法相对较新，并在20世纪70年代成功地实现了商业化。这一技术不需要加热或相变，淡化所需的主要能源是给补给水加压。

RO法一般能筛选分子量截留值达10 MWCO的颗粒（包括金属离子和盐类等），所以能提供最高的过滤水平，最终只允许水分子通过。

1.3 蒸馏法与膜法各有优势

海化淡化技术中热膜耦合法集成了蒸馏法与反渗透法优势工艺，技术、成本具有更好的优势。其中多效蒸馏法（MED）消耗电0.8kW•h/t水，消耗蒸汽160T/h，反渗透法（RO）消耗电3.6kW•h/t水，两种工艺可根据使用地区的用电和用水高峰情况按比例进行组合设计。在夏季用电量大时，淡化水厂一般以蒸馏法工艺为主，而冬季则以反渗透工艺为主。

2 国际海水淡化利用情况

2.1 海水淡化主要国家利用情况

（1）沙特阿拉伯。据沙特官方公布的数字，沙特人均年用水量达到340～400m3，是中国人均用水量的1.5～2倍，与美国相当。沙特人均用水量高，主要原因是工业用水多。沙特有10多个工业园区，多以石化、炼油、水泥等工业为主，均是耗水大户。

沙特进行海水淡化已有70年的历史，是世界上最大的海水淡化地，海水淡化量占世界的21%。沙特大部分沿海城市和中部城市的主要居民聚居地区均大量使用淡化水。淡化水还通过管道输往首都利雅得等内陆城市。淡化水占全国用水的50%以上。截止到2002年，沙特共建立30家海水淡化厂，每天生产淡化水300万m3，占全国饮用水的46%，共有184个蓄水池，蓄水能力6.4亿m3，并大量发电。其中，朱拜勒海水淡化厂是世界上最大的淡化厂，每日可以生产淡水3亿加仑。

（2）阿联酋。阿联酋是世界上水资源最为匮乏的国家之一，也是世界上人均水资源消耗最多的国家之一。阿全国用水量的51%来自地下水，但是地下水资源有限，近年来由于过度开采，地下水位下降，沿海地区海水入侵，地下水质退化，供给量不断降低。为防止地下水枯竭，阿在全国各地兴建120座水坝，以拦蓄地表水，逐步提高地下水位。但由于少雨、蒸发率高等原因效果不佳。

随着阿经济的迅速发展，农业、工业、生

活等用水需求增长迅猛。农业用水占全国用水总量的34%，居各类用水之首，全国80%的地下水用于农业。工业和生活用水共占全国用水总量的32%。

阿联酋是全世界海水利用量最大的国家，拥有世界最大的热膜耦合海水淡化工厂。全国用水量的37%来自海水淡化，其中98%的工业和生活用水由海水淡化厂提供。阿现有70座海水淡化厂，每年可产淡水13亿m3，占世界海水淡化总量的14%，占海湾合作委员会六国海水淡化总量的41%。预计到2016年，阿海水淡化量将在现有基础上增长76%，达到日产1410万m3。阿联酋每年投入32.2亿美元用于海水淡化，平均每立方米淡化海水成本约2美元。

2.2 大型海水淡化厂情况

（1）富查伊拉I（Fujairah I）海水淡化厂。富查伊拉I海水淡化厂是阿拉伯酋长国富查伊拉斗山(Doosan)大型供水供电联合企业的一部分，以满足50万千瓦发电厂及阿布扎比地区饮用水和灌溉需水。总产能45万t/d，其中热法采用多级闪蒸技术（MIS），产能28.5万t/d（5套装置）；膜法采用反渗透技术（RO），产能17万t/d。法国SIDEM公司为反渗透设备供货商。

（2）富查伊拉II（Fujairah II）海水淡化厂。富查伊拉II（Fujairah II）海水淡化厂，位于阿拉伯联合酋长国东侧濒临阿拉伯海的富查伊拉（Fujairh）酋长国的Qidfa工业区，大致位置在东经56度22分，北纬25度18分。

富查伊拉海水淡化厂是目前世界最大的热膜耦合海水淡化工厂，也是200万千瓦发电厂的一部分。淡化厂是热膜耦合工艺，总产能59万t/d；但热法不再采用多级闪蒸技术，升级为多效蒸馏技术（MED），总产能45.5万t/d；膜法采用反渗透技术（RO）产能13.6万t/d。

3 水资源利用条件和政府作用

3.1 客观面对水资源的禀赋条件

尽管巨额石油收入使沙特成为世界最富有的国家，早在70年代已成为世界上人均国民收入最高的国家之一，可是他们也客观面对水资源禀赋条件，理性开发利用。例如，居民生活用水基本充足，可以保证每日洗涤的需要，居民并未因水资源匮乏而感到生活不方便，或生活不卫生整洁；但是政府不鼓励奢侈用水，例如首都利雅得仅有一个九洞高尔夫练习场，据说是为满足住在这里的外国人锻炼准备的；必须建设的绿地系统，即使利用淡化海水灌溉，也是全滴灌系统。

北京市同样是一座水资源匮乏城市，但是绿地节水管理尚未实现全面覆盖；目前本市仅有13%的绿地实现节水设施改造，绿地利用再生水还很少，约95%绿地目前仍以自来水、地下水灌溉为主。在服务行业中，享受型水消费场所也在迅猛增长，本市现有3000余家洗浴中心、175家高尔夫球场及练习场、22家滑雪场，此外还有9000余家洗车点；上述特殊行业每年消耗水量约占现状公共用水的11%，这些产业的过度发展与本市水资源的禀赋条件极不适应，增加了水资源的压力。

3.2 海水淡化工程建设中的政府作用

国外海水淡化工程的建设，过去通常为政府出资建设和政府实施管理，对于海水淡化发展发挥了至关重要的作用。随着海水淡化技术快速发展和市场机制的完善，现在，一些国家特别是中东国家采取政府引导与市场化运作相结合的模式，在保证政府对淡化水控制权的前提下引入竞争机制，允许私营经济和国外企业介入，进一步降低海水淡化工程的建设投资和运行成本。

阿联酋政府为了迅速改变水资源短缺现状，允许外国公司投资建设淡化水和电力联产联供的水电联合企业，外国企业可拿到40%的股权。但为了保障国家战略性资源水和电的安全，政府持有水电联合企业60%的股份，并且是水和电的买主。

政府引导是发展海水淡化产业的关键。国外海水淡化产业发达的国家，其发展海水淡化有一个共同的特点，即政府对于海水淡化发展起着主导和推动作用。我国已发布实施《海水利用专项规划》，很好地指导了“十一五”时期我国海水利用领域的发展方向，2012年2月初下发的《关于加快发展海水淡化产业的意见》明确了“十二五”期间我国海水淡化的发展目标，即到2015年，淡化能力达到220至260万m3/ d。有关部门应加快研究制定相关财税激励政策，建立和完善海水利用标准体系、市场准入标准，积极开展试点示范，并对示范项目给予一定的资金支持。同时，各级政府应按照国务院有关要求，

加大水价改革力度，通过合理调整水价及其结构，促进海水淡化水的生产和使用。要依据有关规定，合理确定海水淡化水价格，允许进入城市供水系统，并保证一定的使用量。

3.3 淡化海水与饮用水标准的关系

影响淡化产品水水质的因素主要包括原水取水、预处理、设备腐蚀、特殊化学物质等。蒸馏法海水淡化设备有些部件的腐蚀会直接造成腐蚀产物进入产品水，使用耐海水腐蚀金属、添加缓蚀剂、牺牲阳极等方法能有效减少腐蚀。反渗透膜对一些特殊的化学物质不能完全截留，如对分子态二氧化碳和硼的去除率不高。

从蒸馏法、反渗透法海水淡化产品水与国内外饮用水标准（GB5749-2006）、世卫组织饮用水准则、欧盟饮用水水质指令及（EPA822-R-04-005）的比较可以看出，淡化产品水除硼外，其他指标均达到国内外生活饮用水标准指标限值，其中热法淡化产水含盐量等指标要低于反渗透淡化产水。

鉴于淡化产品水的特性，一般淡化水进入城市管网前，需采取海水淡化后处理（矿化、防腐蚀、消毒、脱硼等），使其符合国家饮用水标准的106项指标，保护城市供水系统金属管路不受腐蚀，保障居民饮用的卫生安全。

3.4 我国发展海水淡化技术面临的问题

一是高效热蒸汽压缩技术研究和应用是降低制水能耗的一项关键技术。MED蒸馏装置与热蒸汽压缩技术相结合，利用蒸汽热压缩装置来进一步提高淡化装置的整体热效率，可以实现更好的能耗指标。法国SIDEM公司与其国家空气动力工程研究院（ONERA）合作开发了“超音速汽流的控制技术”。正是由于这项研究成果应用于MED海水淡化系统上，才使SIDEM公司在国际市场上保持了领先的技术优势。国内“十五”期间对高效蒸汽热压缩装置也进行了广泛研究，并在MED示范装置得到示范应用，但总的来说技术上还不够完善，处理负荷上还有待进一步提高。

二是后处理工艺影响产品水的品质和成本。一般来讲,不论是蒸馏法还是反渗透法所产淡化水，均具有矿物质含量少、轻微腐蚀性和偏酸性（pH值为6.5～7.5）的特点。反渗透能够去除海水中99%的离子，但是对硼的去除率为80%左右。这主要是由于硼酸的分子直径小于反渗透膜的膜孔径，很容易通过反渗透膜进入产水，导致硼的去除率很低。采用海水膜技术脱硼虽然去除率高，但是成本高，研究低成本、环保的脱硼技术是当前需要攻克的难题。

三是浓盐水排放工艺需考虑环境影响和经济效益。无论采用热法还是膜法进行海水淡化，均不可避免的会产生浓盐水。目前浓盐水一般是不经处理直接排回大海，这些浓盐水会对海洋环境造成一定的影响。富查伊拉II（Fujairah II）海水淡化厂东临印度洋，海水流速较快，接触范围较广，其采取的处理方式是直排入海。但是对于环渤海地区，由于属于内海，海水流速慢，接触范围较小，直接排放将对该地区海水环境造成严重影响，因此，实现海水淡化规模化出路在于走盐化工路线。

4 海水淡化技术的发展趋势

海水淡化在国外应用广泛，目前全球共建有14000多个海水淡化厂，合计日产水量约6000万m3，是非常成熟、稳定的技术，海水淡化厂遍布全球150多个国家，在中东等缺水地区，淡化海水已成为主要水源。淡化海水一般是通过自来水系统供应，饮用淡化海水的人们已经接受了非常规水可饮用的事实，将其视为一件极为平常的事，并未担心健康问题。北京市如果将淡化海水作为未来的水资源保障战略，需要从现在开始普及海水淡化技术的知识，介绍已经饮用地区的生活与健康状态，使居民不惧怕饮用淡化海水。

1 李皞, 龙潇, 刘克成. 浅谈海水淡化浓盐水的影响及利用. 应用能源技术. 2012(1).

2 刘艳辉, 潘献辉, 葛云红. 反渗透海水淡化脱硼技术研究现状. 中国给水排水. 2008(24).

3 沙明辉, Amar MOKRANI, 丁明亮, 等. 海水淡化技术总览∶ 膜法和热法的应用, 实例分析及比较. 威立雅水务系统亚洲市政工程. 2006.

4 刘艳辉, 冯厚军, 葛云红. 海水淡化产品水的水质特性及用途分析. 中国给水排水. 2009(14).

5 瓦利德.A.阿卜德拉曼, 等. 沙特阿拉伯的城市水管理.水利水电快报 EWRHI. 2000(15).

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.006

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1672-2469(2014)09-0018-04

蒋奇（1982年—），男，工程师。