海水淡化技术国内进展及其在循环经济中的应用

海水淡化技术国内进展及其在循环经济中的应用阮国岭，尹建华，赵河立、吕庆春、于开录（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津，300192）摘要：淡水资源短缺以及水污染是人类在新世纪面临的主要资源和环境问题，其解决办法包括开源、节流和治污。在众多措施中，海水淡化不仅可以生产大量的优质淡水，其技术还可以用于工业废水的处理，在实现水资源回用的同时，还有望回收有用物质，从而减少和避免废水的排放。本文主要介绍了海水淡化技术研究在国内开展的情况，并简要介绍了该技术在氯化铵废水处理方面的一个实例。关键词：海水淡化，工业废水，进展，循环经济TheAdvancementofSeawaterDesalinationinChinaanditsApplicationinCyclingEconomyAbstract:Theshortageoffreshwaterandwaterpollutionarethetwomainenvironmentalproblemsinthenewcentury,whichcouldberesolvedwithsuchwaysasexploitatingnewwaterresources,controllingtheexhaustionofwaterandeliminatingthewaterpollutions.Amongthem,seawaterdesalinationtechnologyhasdrawnmuchattention.Besidesproducinghighqualityfreshwater,italsocanbeusedintreatingconventionalwastewater.Duringthisprocess,notonlythewaterresourcesarerecycledagain,buttheusefulsubstancesareobtainedfromthewastewater.Sotheemissionofwastewatercanbedecreasedoravoided.ThispaperwillpresentthedevelopmentofseawaterdesalinationinChina.Inaddition,theapplicationofitindealingwithNH4Cl-containingwastewaterwillbeintroduced..Keywords:Seawaterdesalination,Industrialwastewater,Advancement,cyclingeconomy1前言中国是水资源大国，同时也是人均水资源贫国，其人均水资源量为2220立方米，居世界第100位之后。近20年来中国沿海地区经济发展迅速，在国民经济中占有举足轻重的地位。但是沿海城市的缺水形势极为严峻，沿海工业城市的人均水资源量大部分低于500立方米，处于极度缺水境况。中国一方面淡水资源不足，而另一方面水污染非常严重。一般的城市污水可通过传统的生化处理达标排放，或进行深度处理之后实现资源回用，这方面国内外都有众多的工程实例，且研发活跃。而对于工业废水特别是无机工业废水，由于其无法生物降解，处理的难度较大，实现回用的实例更少，是废（污）水处理的老大难问题。海水淡化是解决沿海城市和地区淡水不足的有效措施之一，截止到2003年12月31日，全球范围的淡化水产量已经达到3775万立方米/日，解决了1亿多人的用水问题。历经50余年的发展，海水淡化成本大幅度降低，技术成熟程度显著提高，不仅是沿海地区淡水供应的有效选择，而且利用海水淡化集成技术，还可以处理工业废水，一方面从工业废水中得到优质的淡水，实现水资源的高用途回用，同时对过程的浓缩水进一步处理，还可提取有用的物质，实现环境与资源的双赢。其产业化推广不仅有望缓解我国沿海的淡水不足问题，在内陆地区用于工业废水处理，还可促进循环经济的发展。2中国海水淡化技术的发展历程中国海水淡化技术是在政府支持和国家重点攻关项目驱动下发展起来的，电渗析、反渗透和蒸馏法（多级闪蒸、压气蒸馏和低温多效蒸馏）等海水淡化技术的研究开发，都取得相当大的进展。1958年首先开展电渗析海水淡化的研究，1967－1969年国家科委和国家海洋局共同组织了全国海水淡化会战，同时开展电渗析、反渗透、蒸馏法等多种海水淡化方法的研究，为海水淡化事业的发展奠定了基础。1965年，山东海洋学院化学系在国内最先进行反渗透CA不对称膜的研究；上世纪70年代进行了中空纤维和卷式RO膜及元件的研究，并初步工业化。“七五”以来，反渗透海水淡化技术的开发研究一直列入国家重点攻关项目，“七五”期间完成了中、低盐度反渗透膜和组件的研制，建立了海岛苦咸水淡化示范工程；“八五”期间，在中盐度反渗透膜的研制方面取得了很大进展；“九五”攻关使新型的聚酰胺复合膜中试放大成功，结合关键技术和设备引进，现已生产聚酰胺复合膜产品。1997年在浙江舟山市嵊山镇建造了500立方米/日反渗透海水淡化示范工程，吨水耗电5.5度以下，技术经济指标具有同等容量的世界先进水平。目前我国已建和在建的海水淡化装置10多个,以反渗透法为主，已建成最大反渗透海水淡化工程为5000m3/d。另外，还开展了NF-RO集成海水淡化的研究。浙江玉环电厂的30000吨/日双膜法海水淡化工程已完成招标合同，建成后将成为国内最大的海水淡化同类工程。上世纪60年代原船舶工业部上海704研究所开发了5m3/d级的压汽蒸馏淡化装置和利用柴油机缸套水余热的闪蒸淡化装置装备舰船使用。70年代-80年代初，天津市科委支持了日产淡水百吨级的多级闪蒸中试研究，取得一定的设计参数和经验。80年代以后，国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所进行了30m3/d规模的压汽蒸馏装置开发工作，其研究内容包括30m3/d竖管常压压汽蒸馏装置和30m3/d水平管负压压汽蒸馏装置（操作温度72℃）以及30m3/dOTE/VC淡化装置。以上研究工作取得的成果和过程中遇到的问题为后期研究积累了丰富的经验，对于我国蒸馏法海水淡化技术的发展起到了重要的推进作用。1987年大港电厂从美国ESCO公司引进两套3000m3/dMSF海水淡化装置，与离子交换法结合，解决锅炉补给水的供应，运转至今取得了显著的经济和社会效益，自1994年开始参照引进的多级闪蒸海水淡化装置，开发生产出日产1200m3淡水的多级闪蒸系统原型中间试验装置。1998年完成安装，此设备出水电导率在2.7～7μs/cm之间,产水量最大约45m3/h，尚需进一步进行改进工作。国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所研制的60m3/d低温双效压汽蒸馏工业试验装置于2003年3月投入运行，并装瓶销售。此举不仅解决了海水淡化装置从单效变多效的效间接口问题，而且在工业规模上验证了蒸发/冷凝的传热系数和污垢系数[2，3]，为工业规模的多效蒸馏装置的设计和制造奠定了技术基础。2004年6月由国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所设计的3000m3/d的低温多效蒸馏海水淡化工程在山东黄岛发电厂一次试车成功并通过9个多月的运行考验。该装置系国内第一台完全自主知识产权的多效蒸馏海水淡化装置，装置的国产化率达99%。该装置的建设完成表明我国已初步掌握大型低温多效蒸馏海水淡化的成套技术。另外，10000m3/d的多效蒸馏示范工程已完成设计，近期将开工建设。除了自主设计建造的蒸馏淡化工程外，2003年河北黄骅发电厂签约从法国Sidem公司引进2×10000m3/d热压缩多效蒸馏海水淡化装置，将于2006年下半年投入运行。2004年，天津经济技术开发区签约从美国WEIR热能公司引进10000m3/d低温多效装置，计划于2005年底投入运行。3海水淡化典型案例3.1长海县海水淡化工程长海县1000m3/d反渗透海水淡化工程于1998年8月开始设计，同年10月底开始建设，于1999年6月正式运行，11月举行了竣工典礼。具体的运行数据如下：2001年县政府决定对第一期工程进行扩容改造，使淡化水的总产量达到1500m3/d。在没有增加厂房的前提下对首期工程进行了扩容，改造后的能量回收系统采用国际最先进的压力交换回收装置，高压泵由过去的柱塞式变成离心式，使得淡化装置的运行噪音从110分贝降表1长海县大长山岛1000m3/d海水淡化工程运行数据项目指标（元/m3）絮凝剂0.034NaHSO30.020阻垢剂0.059Na2CO30.009清洗药剂0.098主机电耗2.94附属设备电耗0.70工资福利费0.105维修费用0.267管理费用0.025膜更换费用(每三年更换一次)0.679冬季加热费用0.70运行成本合计5.636固定资产折旧(综合折旧率5%，残值4%)1.650造水总成本7.286低到80分贝以下，改善了操作环境，工程改造和扩容的总投资470万元，改造后系统的运行成本见下表：表2改造后的海水淡化造水成本项目指标（元/m3）絮凝剂0.034NaHSO30.020阻垢剂0.059Na2CO30.009清洗药剂0.098主机电耗2.10附属设备电耗0.70工资福利费0.105维修费用0.267管理费用0.025膜更换费用(每三年更换一次)0.679冬季加热费用0.70运行成本合计4.796固定资产折旧(综合折旧率5%，残值4%)1.500造水总成本6.2963.2沧州化学工业股份公司高浓度苦咸水淡化工程该项目包括：4套反渗透淡化系统，每一套系统的日产水量为4500m3，系统总产水量18000m3/d。预处理采用单级的细砂多介质过滤，每一套系统由6个直径3.2米的过滤器组成,运行中采用5用1备的模式。工程于2000年10月试运行，2001年3月举行竣工典礼。有关该工程的投资和运行数据见下表。表3沧化苦咸水淡化工程运行情况项目指标额定产水量(m3/d)4×4500实际产水量(m3/d)4×3840原料水TDS(mg/l)15000产品水TDS(mg/l)300药剂消耗(元/m3)0.320电力消耗(吨水电耗3.4度,元/m3)1.292工资福利费(元/m3)0.124维修费用(元/m3)0.148管理费用(元/m3)0.022膜更换费用(每三年更换一次)(元/m3)0.410运行成本合计(元/m3)2.316固定资产折旧(综合折旧率5%，残值4%)、贷款利息(元/m3)0.788造水总成本(元/m3)3.1043.3天津市1000m3/d海水淡化示范工程该示范工程由天津市科委主导，国家海洋局天津海水淡化研究所进行技术集成，2003年底建成投产，有关技术指标为：吨水动力消耗4kWh，运行成本（含加热费用）低于5元。除了为天津港散货物流码头提供用水外，示范工程还优化高污染寒冷地区海水反渗透的工程技术，在此基础上搭建技术平台，为环渤海地区海水反渗透海水淡化提供标准工艺流程。有关工程的投资和运行数据见下表。表4天津市1000m3/d海水淡化示范工程项目指标原料水TDS(mg/L)36500产品水TDS(mg/L)300～400药剂消耗（元/m3）0.450电力消耗（吨水电耗4.0度，（元/m3））2.000工资福利费（元/m3）0.438维修费用（元/m3）0.457管理费用（元/m3）0.088膜更换费用（含微滤及反渗透膜）（元/m3）0.752冬季加热费用（元/m3）0.800运行成本合计（元/m3）4.985固定资产折旧（综合折旧率5%，残值4%）（元/m3）1.462造水总成本（元/m3）6.4463.4黄岛发电厂3000m3/dMED淡化工程黄岛发电厂3000m3/dMED海水淡化工程由国家海洋局天津海水淡化所提供施工图设计，华欧电力工程公司负责设备加工和安装，工程总投资2400万元。该工程于2003年5月开始开工建设，2004年6月竣工并开始试运行，2004年9月投入正式运行，电厂的锅炉补水已全部由该淡化装置的产品水所取代。该装置由九效蒸发/冷凝器及一效冷凝器（不含蒸发）组成，成一字形排列，装置总长度67米，蒸发器直径4米，装置基础占