以我国海域为例简述海水淡化利用技术方法
为应对全球淡水资源短缺的问题，许多沿海国家及地区积极开展海水淡化和综合利用的技术研发工作。以色列70%的饮用水来自海水淡化水;澳大利亚的海水利用主要用于市政，占总装机规模的96%;美国的海水利用主要用于市政，占89.5%;沙特阿拉伯是目前全球最大的海水淡化生产国，2010年其产量达到11亿m3。
中国淡水资源缺乏，人均淡水资源量仅为世界人均占有量的1/4，沿海地区人口稠密，淡水供需矛盾尤为突出。海水淡化技术可以增加水资源总量，有效缓解我国沿海地区淡水短缺的矛盾。在海水资源方面，我国拥有渤海、黄海、东海、南海四大海域，海岸线超过1.8万km，水资源相当丰富。但海水淡化发展速度相对其他国家缓慢，直至“十一五”期间海水淡化产业才开始较为迅速地增长。据统计，至2011年底我国海水淡化能力为66万m3/d。目前，影响海水淡化的因素有政策、技术和价格等。其中海水水质是影响淡化技术正常应用及成本的重要因素。有研究发现，海水中的有机物污染、SDI(淤泥密度指数)、温度、浊度和盐度是影响反渗透膜运行的重要指标，进而影响淡化水品质。因此对中国海域的海水理化性质、海水利用现状、研究进展进行探讨，对于优化沿海水资源结构、保障国家用水安全和促进沿海经济社会可持续发展具有战略意义。基于此，笔者首次将海水水质和海水利用状况相结合，介绍中国渤海、黄海、东海、南海4个海域海水淡化的相关水质情况，归纳各地区海水利用的工艺技术条件和发展现状，分析形成原因和经验教训，旨对海水利用发展落后的沿岸地带提供帮助，对海水淡化利用较好地区的发展和转型方向提供参考，并为中国海水利用的发展提供新的思考途径。
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1渤海海域
1.1渤海的水质特征
渤海是一个近封闭的内海，水温受北方大陆性气候影响显著，2月份平均水温在0℃左右，8月份达21℃。受大陆淡水注入的影响，盐度仅为30‰，是中国近海中最低的。1978—2010年历年8月的观测资料结果表明渤海夏季海水pH年际变化范围为7.86~8.30，渤海水温年际变化、降水量(酸雨)和月均黄河口径流量年际变化是影响海水pH变化的主要因素。
吴琳琳等研究发现2012年4—7月渤海湾海水温度为12.7~30.8℃、pH为7.30~8.55、海水CODMn为0.98~3.36mg/L、溶解性总固体(TDS)为30.7~32.1g/L、浊度为2.96~136NTU、Cl-为16.9~17.8g/L、电导率为44800~49800μS/cm。整体而言渤海水质的浊度变化范围较宽，主要受渤海湾海水泥沙含量的影响，特别在有潮汐和风浪时会大幅升高。此外还发现海水温度升高会使操作压力和脱盐率下降，主要是因为水温上升导致水的黏度降低，膜材料的渗透性能提高，从而透过的盐分增加。郭兴芳等发现天津渤海湾海水溶解性有机物所占比例较大，m(SCOD)∶m(COD)为57.3%~97.1%，绝大多数>65%，反渗透海水淡化预处理宜选择能有效去除相对分子质量低的溶解性有机物的工艺技术。整体而言，渤海湾水质在温度、浊度方面变化较大，有机物、SDI较高，盐度较低。
1.2渤海海水淡化现状
针对渤海的水质特点，张大群等采用强化混凝—O3/UV消毒作为海水淡化蒸馏法的预处理工艺，使得原水浊度、CODMn、UV254、细菌的去除率分别达到96%、40%、19%、99.9%。马敬环等通过混凝—斜板沉淀池—砂滤新工艺处理渤海海水，可使出水浊度降至1NTU以下，铁降至0.1mg/L，该工艺适合处理水质变化范围广的渤海海水。
渤海湾中，天津是我国较早开展海水淡化研究的地区之一，目前该区域的海水淡化技术在国内居领先水平。至2011年，天津市已建成海水淡化工程4个，分别是天津北疆电厂、天津大港新泉海水淡化有限公司、天津开发区万吨级海水淡化示范工程和天津大港电厂，海水淡化总处理能力为21.6万m3/d，海水淡化水利用量10万m3/d。其中天津北疆电厂是国内首个海水淡化水大规模进入市政管网的项目，它的海水淡化水日均供水量为6000m3左右，90%以上向社会供应。技术上，该项目采用低温多效海水淡化技术，针对渤海湾水质较差的特点，其预处理工艺为高潮位取水—二沉池—微砂加速絮凝沉降池—清水池。天津大港新泉海水淡化有限公司总处理规模为15万m3/d，采用反渗透海水淡化技术。
山东是全国海水淡化应用最广泛的省份之一，其淡化技术主要以反渗透和低温多效蒸馏为主。截至2006年底山东省海水直接利用量超过20亿m3，建成海水淡化工程17处，日淡化海水3.5万m3，占全国淡化水量的25%。目前，该省大型海水淡化项目主要分布在青岛、烟台和威海3个城市。华能威海电厂是威海市主要的海水淡化企业，年淡化海水237万m3，针对渤海海水特点，该电厂采取的预处理工艺如下：海水取水→加NaClO系统→加PAC、PAM系统→多介质过滤器→活性炭过滤器，此外为了克服冬季水源低温的影响，水源主要来自循环水和凝汽器排水。烟台市在长岛县建立了5座海水淡化站，每日产水量达到1850m3，直接受益人口达3.6万人。此外，烟台核能海水淡化示范工程已获批准，进入可行性研究阶段，工程建成后可日产淡化海水14.5万m3，将大大缓解烟台的水资源紧张状况。
辽宁省内海域辽阔，海水资源利用具有极大的优越条件。目前该省已建成并能有效运行的海水淡化设施有华能营口电厂、红沿河核电厂、葫芦岛海水淡化工程等。其中华能营口电厂产水量达10000m3/d，针对渤海水质浊度高、温度低等特点，以海水直流冷却水作为原水，其具体工艺流程如下：海水冷却水—反应沉降池—双室介质过滤器—双室细砂过滤器。2010年大连市海水淡化量为339万m3，海水直接利用量为11.2亿m3。其中大连长海县自来水公司的海水淡化项目产水量为1200m3/d，主要用于岛上居民饮用;大连庄河电厂采用海水反渗透技术，产水量达29000m3/d，主要用作冷却水或锅炉补给水。
2黄海海域
2.1黄海水质理化特征
黄海海水的温度和盐度随地区差异显著，季节和日变化较大，具有明显的陆缘海特性。海区东南部表层年平均温度为17℃，盐度通常>32.0‰;北部鸭绿江口表层年平均温度<12℃，盐度一般<28.0‰。整体而言黄海的水温年变化小于渤海，平均为15~24℃，海水盐度为32‰，呈现由南向北、由海区中央向近岸，温度和盐度都几乎均匀降低的特征。黄海的水温主要受冬季气温、黑潮现象等影响;盐度主要受黄海暖流、渤海热通量、海域冬季大风以及黄河径流量变化的影响。春季南、北黄海中部表层pH稍高，沿岸较低;夏季表层pH东西两侧偏低;秋冬季黄海表层pH相当均匀，仅朝鲜半岛近岸有低值区。黄海海域的浊度分布具有明显的区域差异，在北部成山头的近海域出现高值，中部与南部离岸水域为低值区。刘宗丽在胶州湾表层海水中监测到3种典型的低分子质量有机酸：乳酸、乙酸、甲酸，并发现4月份胶州湾表层海水中三者总量的平均值比较大，为24.06μmol/L。周斌等发现胶州湾湾口部分站点pH、DO、COD、Cu、Zn、油类、PO43--P等指标均符合二类海水水质标准，SS、TDS含量较低，该区海水可作为淡化取水水源，但预处理工艺中应关注钙、镁、铁和锰的影响。整体而言黄海海水具有盐度、温度年变化小，近岸有机物高的特点。
2.2黄海海水淡化现状
徐佳采用胶州湾海水直接进入系统和海水添加絮凝剂后再进入系统两种工艺，初步验证了50nm管式陶瓷膜作为海水淡化预处理工艺的可行性。苏保卫等发现采用砂滤—超滤—纳滤等预处理工艺可以有效软化胶州湾原水，提高RO的水回收率。
青岛市淡水资源贫乏，目前引黄济青工程、南水北调工程、海水淡化相关企业等都是利用海水淡化技术来供应饮用水。其中大唐黄岛电厂海水淡化日均量为16000m3，采用的预处理流程为：黄海原水—调节池—斜管沉淀池—盘滤—SVF超滤工艺，为解决冬季进水温度过低问题，将凝汽器冷却海水引入海水淡化系统。山东青岛电厂海水淡化量为20000m3/d，采用海水反渗透淡化技术，其预处理工艺为海水—平流式反应沉淀池—海水清水池—自清洗过滤器—超滤膜组件—超滤产水箱。江苏省海岸线长，但多为淤泥质海岸，利用难度大。2006年来有多个项目建成投产，盐城射阳港电厂二、三期扩建工程采用海水冷却，年利用海水3.5亿m3。2007年连云港田湾核电站正式投入运营，一期工程的海水冷却利用量为25亿m3/a。这为江苏省海水利用的进一步发展积累了经验，并为全面进行海水直接利用起到工程示范作用。
3东海海域
3.1东海水质理化特征
东海是中国岛屿最多的海域，濒临中国的沪、浙、闽、台4省市。东海海域水体平均盐度为31‰~32‰，东部较高为34‰，水温度平均9.2℃，冬季南部水温在20℃以上。邵和宾研究了东海北部冬、夏季悬浮物浓度的分布特征和运输规律，发现东海北部悬浮物运输季节变化特征明显，冬季陆架上悬浮物浓度明显高于夏季。边昌伟发现东海水体的悬浮物浓度自近岸向外海降低，等值线走向基本与岸线平行，浓度最大区域位于长江口及闽浙沿岸，浓度最低区域位于100m等深线以深的外海。东海沿岸海水温度SST主要取决于太阳辐射，呈南高北低分布，但也不同程度地受地理环境、气候环境、水文环境的影响，同时东海沿岸表层海水温度(SST)总体呈上升趋势，暖冬是SST总体呈上升趋势的重要因素。整体而言，东海海水水质具有盐度高、温度高、近岸悬浮物和SDI高的特点。
3.2东海海水淡化现状
海水淡化产业在上海刚刚起步，发展相对滞后，但上海却拥有较为先进的海水淡化技术，如上海电气的低温多效海水蒸发技术，该技术日产淡水量达12000m3。上海704所与711所拥有较先进的多级闪蒸技术，华东理工大学拥有海水淡化浓盐水处理技术、低温多效蒸发器生产的关键设备——烧结型表面多孔管高通量换热器的生产技术。目前，上海决定通过政策来推动海水淡化产业，这是快速提升海水淡化产业发展的重要途径。浙江是国内最早开展海水淡化应用的省份。截至2011年底，浙江已建成海水淡化装置设计产能达11万m3/d，占全国总产能的1/6，以市政供水为目的和与电厂配套的各占产能50%，淡化水已成为浙江主要海岛和沿海部分缺水地区淡水资源的重要补充。目前已有的大型海水淡化工程有华能玉环电厂、大唐乌沙山电厂、舟山六横电厂、嵊山岛海水淡化工程等。华能玉环电厂海水淡化工程于2006年调试至今，一直运行稳定、安全，目前日产淡水量3.5万m3，预处理工艺流程为海水—微涡旋板折式反应沉淀池—浸没式超滤膜池—反渗透，为保证进水温度维持在25℃左右，淡化系统采用两路进水，夏天采用未经交换的海水，冬天采用循环水。海岛地区舟山市是我国最早建设海水淡化工程的地区，截至2011年9月底，舟山总共建成海水淡化装置近20套，规模达54000m3/d，海水直接利用量7×108m3/a。其中六横电厂10万m3/d海水淡化工程是我国最大的海水淡化项目之一，其预处理工艺流程为海水—絮凝反应池—斜板沉淀池—多介质机械过滤器—保安过滤器—反渗透系统。针对东海水域受风浪和长江入海水影响、浊度变化大等情况，舟山各淡化企业采用浊度变化环境下调节药剂投加量及配比的方法，稳定前处理海水水质，降低制水成本。
4南海海域
4.1南海水质理化特征
南海被中国大陆、台湾岛、菲律宾群岛、大巽他群岛及中南半岛所环绕。南海海域面积为356万平方公里，其中有超过200个无人居住的岛屿和岩礁，通称为南海诸岛。温度上，由于接近赤道，南海表层水温较高，年平均水温为25~28℃，年温差变化小。盐度上，受沿岸淡水注入的影响，近岸海域盐度较低，中、南部海域盐度分布较均匀，为32.0‰~33.6‰，最高盐度值出现在次表层，可达35‰。郭敬等发现南海混合层盐度的年际变异与ENSO现象之间存在较强的关系，厄尔尼诺期间南海北部盐度上升，南海中部和南部盐度下降，呈现“北强南弱”的空间形态，其中南海北部冬季最高盐度可达33.8‰~34.4‰，南海南部秋季最低盐度为32.8‰~33.0‰。杨海丽等发现海南西部近海海域表层水体浊度与悬浮颗粒物浓度由近岸向外海方向逐渐降低，底部水体浊度与悬浮颗粒物的体积浓度高值区呈斑状分布，水体浊度和悬浮颗粒物体积浓度随着水深增加而增大。整体而言，南海海域具有温度高、盐度高、近岸SDI高的特点。
4.2南海海水淡化现状
南海区中，香港的海水利用技术位于世界前列，其海水冲厕规模居世界之最。截至2006年底，香港拥有海水抽水站29个，装机容量173万m3/d，在港总人口694万中获取海水供应的人数为555万人，占总人口的80%。据统计，冲厕用水约70L/(人˙d)，冲厕用海水最高能减少40%的住宅用水，全港平均耗用海水量80万m3/d。在海水淡化研究方面，目前香港已建立鸭脷洲和屯门的小型海水淡化试验工程，正在兴建军澳海水淡化厂，建成后预计供水量为5000万m3/a。在广东省，火电厂和核电厂直接利用海水作为工业冷却水已有一定规模，2009年淡化技术应用工程公司有80多家，从事反渗透、电渗析淡化设备配套生产的单位有23家，已初步形成以反渗透技术为主体的海水淡化技术产业群。至2012年底，广东省日产淡化水量为3.08万m3，居全国第6位，已有的海水淡化工程有平海电厂、国华台山电厂、惠来电厂、惠州平海电厂等。其中惠州平海电厂于2009年开始运行，目前海水淡化量为16704m3/d，其预处理工艺为海水—斜板沉淀池—清水池—AMIAD滤网式自清洗过滤器—超滤装置。深圳市毗邻南海，2005年全市电厂使用冷却水的海水用量达73亿m3，海水经淡化后主要用作居民的生活饮用水和冲厕用水，海水淡化技术大大缓解了深圳市淡水资源短缺的局面。
5我国海水淡化的发展前景和建议
整体而言，我国海水淡化技术日趋成熟，海水淡化设备的自我研发、设计和制造已具有一定基础，海水淡化工程设计、建设和运营管理已具备一定的能力和经验。此外在国家层面上，中央政府和各级地方政府开始重视海水淡化，通过规划、政策积极引导规范海水淡化市场，沿海各地及社会各界积极推动海水淡化工作开展，至2012年底全国已建成海水淡化工程95个，日产淡化水总规模77.4万m3。其中，天津、河北、浙江、辽宁、山东省日均淡水产量居全国领先。因此作为新兴产业，海水淡化产业前景广阔，但是从近10a的发展力度来看，我国海水淡化仍存在一定问题，根据中国《海水利用专项规划》：2010年海水淡化装置产水量为80~110万m3/d，因此目前全国海水淡化装置产水值(77.4万m3/d，2012年)与规划值仍存在一定距离，此外海水淡化工程技术方面也存在一些显著问题，如海水淡化装置核心设备和技术依旧掌握在美国、德国等国家;海水源水和淡化水卫生标准未规范化;浓缩海水的排放问题等。针对这些问题，笔者提出以下建议和意见。
5.1海水源水和淡化水水质标准的制定
海水源水水质不仅对海水淡化预处理工艺、后步脱盐淡化工艺及运营成本影响巨大，对于饮用主体的心理接受度也产生重大影响。目前，淡水源水水质评价主要依据CJ3020—1993《生活饮用水水源水质标准》，该标准适用于城乡集中式生活饮用水的水源水质，对于淡化水的海水源水则没有相应标准。中国国家海洋局发布的《2012年中国海洋环境状况公报》显示：我国海洋环境质量状况总体较好，但近岸海域水体污染、生态受损等环境问题依然突出，其中未达到第一类海水水质标准的海域面积为17万km2，水质为劣四类的近岸海域面积约为6.8万km2。因此，为推进海水淡化工作的开展，海水水源水质标准的制定已迫在眉睫。此外，当前饮用水的卫生评价主要是依据GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》进行，该标准以饮水安全为基点，以水源水是地表水和地下水为前提，以有害、有毒的污染物最大限量值指标为主。对于淡化水，产水呈弱酸性且缺乏有益的矿物盐，因此一般需要对淡化海水进行后续的矿化处理，以提高矿物质含量和碱度。但目前生活饮用水标准中缺少有益于人体健康指标的最低限量值，难以全面地评估海水淡化水的水质。因此建议针对海水淡化水的水质特征制定相应的海水淡化水水质卫生标准。
5.2能耗和成本方面
在海水淡化成本中，能耗是决定性因素。目前，海水淡化主流技术有低温多效蒸馏、多级闪蒸和反渗透法，3种技术的能耗在2.5~5kW˙h/m3，从成本考虑日产淡水20000m3的设备中低温多效蒸馏法运行成本最低，约为0.56美元/m3，反渗透工艺成本居中，为0.63美元/m3，而多级闪蒸成本最高，为0.89美元/m3。这些价格相对国内淡水价格而言仍然偏高，因此在大型海水淡化企业中，开发自主创新技术以降低淡化能耗和成本仍是首要任务。而对于淡水实际需求紧迫、日产淡水量需求为几十到上千吨的海岛而言，反渗透法由于适用范围广、维护简易等优点，推广率更高。但其缺点在于随着日产淡水量的降低，能耗和成本也显著增加。因此，开发低成本国产小型高压泵和能量回收装置等技术，降低小型海岛海水淡化规模小、电价昂贵的淡化水成本，解决缺水中小型海岛的饮用水问题，是影响近岸海岛和边远海岛开发、发展的决定性因素，也符合我国海洋经济发展的需求。
5.3政策管理方面
对于海水利用业，中国海洋经济发展“十二五”规划提出：需提高海水淡化技术自主化水平，实施海水淡化科技产业化工程，开展产业化技术和政策示范，鼓励并支持沿海城市、海岛组织实施大规模海水淡化产业示范工程。但到目前为止，海水淡化产业方面仍然缺少相关政策的推动和引导。与淡水相比，由于缺少相应的水价补贴政策、缺少政府的全民引导动员、缺乏民众的意识认可等原因，淡化海水无法进入寻常百姓家。因此，在后期海水淡化产业化的推广过程中，必须政策支持在前，政府引导在后，相互辅助，走向市场运作、企业管理的发展模式。特别需要鼓励和支持海水淡化进入市政管网、倡导淡化海水的分级分质供水模式、提高海水淡化水的利用效率。在淡化水的价格方面，政府需要制定相应的新型水价机制和海水淡化的财税政策，创造培育海水淡化产业发展的环境，全面推动我国海水淡化产业的迅速发展，缓解国家水资源战略储备危机。
5.4建立浓海水循环利用经济体制
海水淡化项目建设投产的最大副产物即为浓海水，目前处理浓海水的途径主要有两类：直接排放和资源化循环利用。针对浓海水直接排放问题，近年来的研究均发现排放水因物理性质的改变和残留化学品的毒性对海洋生物造成了潜在威胁。近期，《国务院办公厅关于加快发展海水淡化产业的意见》〔国办发(2012)13号〕中明确指出：“推动和督促临海、近海企业将海水淡化产生的浓盐水用于制盐及盐化工产业”。因此，开展浓海水化学资源综合利用，建立浓海水循环利用经济体制，是海水淡化产业可持续发展的唯一道路。在工艺流程上，浓海水可以与传统滩晒制盐及盐化工相衔接进行综合利用，生产海盐、溴、镁等产品;也可采用电渗析浓缩制盐为核心的综合利用等技术。
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