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海水淡化发展利用状况分析与启示

作者:孙珊等 发表时间:2022-05-10 08:51:04 来源:工业水处理

  由于当今社会经济的迅速发展,淡水资源短缺已是一个全球性的问题。我国是海洋强国,对海水进行有效地开发利用,可成为淡水重要的补充来源。海水淡化作为沿海地区非常规的新型水资源,其开发利用已逐渐受到中央和地方政府的重视。

  海水资源综合利用的研究有3个重要领域:

  (1)海水淡化,即运用海水淡化的方法生产淡水,是海水利用的主要形式;

  (2)海水直接使用,即用海水代替淡水,应用于工业冷却水及生活用水;

  (3)综合利用化学资源,提取海水中的化学元素,进行深加工处理。

  全球淡水只占总水资源的2.5%,而海水占97.5%,海水是水资源的重要宝库。开发海水综合利用及淡化技术已经是沿海人口稠密地区淡水资源供给的主要途径之一。

  目前,海水淡化应用广泛,2010—2019年,全球海水淡化装机容量每年增长7%左右,为满足全球日益增长的淡水需求提供了技术支持。

  我国在《海水淡化利用发展行动计划(2021—2025年)》中提出,“十四五”时期要着力推进居民供水、工业园区、海岛、船舶用水方面的海水淡化规模化利用。

  笔者对海水淡化的应用情况及相关政策进行了汇总,通过综合分析海水淡化发展存在的问题,提出了依托我国经略海洋和海洋强国战略的海水淡化利用的相关对策,希望为基于海水资源综合利用领域的研究提供一定的参考。

  1

  海水淡化技术

  目前,海水淡化常用的技术分成2大类:膜法海水淡化(主要是反渗透RO技术)和热法海水淡化(多效蒸馏MED技术、多级闪蒸MSF技术)。

  热法和膜法各有利弊。热法具有设备工艺简单、化学试剂用量很少、对环境污染小的优点,但其设备噪音大、投资高、无废热时单位制水成本也高。

  膜法(RO技术)虽设备投资少、运行费用及单位制水成本低,但设备工艺及运行维护复杂,尤其是膜元件的废弃还会给环境带来二次污染。反渗透法因在成本上比热法具有优势,应用更为广泛,平均淡化成本约为热法的23%。

  全球主要海水淡化技术的应用情况见图1。

  RO、MSF、MED 3种技术占全球海水淡化总产能的94%,其中RO技术占69%,应用最为普遍。

  

  图1全球主要海水淡化技术的应用情况

  近些年,各国学者研发出一些新兴海水淡化技术。

  正渗透(FO)技术因其膜污染小和能耗低等特点成为主要的淡化技术;

  组合型技术,如RO-MSF、MED-AD(AD,吸附式海水淡化)和MSF-MED组合型技术,将各技术的优势融合,弥补了单一技术的缺陷,提升了海水淡化能力,在减少腐蚀的同时,可降低建设成本、提高产水水质;

  利用可再生能源进行海水淡化的太阳能海水淡化技术在成本和技术上具有竞争优势;

  新材料(如纳米颗粒、石墨烯基分离膜)、新装置(如流体切换能量回收装置)的研发可有效提升海水淡化能力。这些新兴海水淡化技术具有重要的基础性影响,发展潜力巨大。

  2

  海水淡化发展及利用现状

  2.1

  国外海水淡化发展及利用

  2.1.1海水淡化工程应用情况

  D.IHSANULLAH等指出,到2050年,60个国家中大约70亿人将面临严重的水资源短缺,这也是21世纪全球应对的重要挑战之一。

  2019年国际海水淡化协会(IDA)报道,全球有19 744家海水淡化厂,海水淡化能力约9 970万m3/d,这些工厂位于150个国家,服务3亿人。

  海水淡化尤其可作为一些中东国家安全可靠的淡水资源,沙特阿拉伯是世界上最大的海水淡化用户,其产能约占全球总产能的25.9%,拥有世界上最大的MSF/RO“Ras Al Khair”淡化厂、MED“Marafiq Jubail IWPP”工程、单套MED海水淡化装置的“ShoaibaⅡ”工程、MSF“ShoaibaⅢ”工厂,以及太阳能海水淡化厂。

  2021年阿联酋建成了规模为68.2万m3/d位于阿布扎比Mirfa的大型反渗透海水淡化项目。

  近年来以色列在地中海沿线先后建设大型海水淡化厂5个,可提供淡化水约6亿m3/a,截至2017年,以色列80%的饮用水是通过海水淡化生产的。位于福冈的如来中心拥有日本最大的海水淡化能力,产能占总供水的1/12左右。此外,所有的澳大利亚省会城市都有海水淡化厂。

  马尔代夫等一些海岛国家基本全部要通过海水淡化的方式获得淡水。世界海水淡化市场的成交规模以年均20%的速度递增,海水淡化技术在欧洲、北非的应用也较为成熟。

  2.1.2海水淡化产业相关政策

  美国、日本、澳大利亚、以色列等海水利用产业较发达的国家均制定了相关政策及执行措施,在海水利用产业上给予支持引导,确保其健康发展。表1为国外部分国家海水淡化相关政策,对我国海水淡化发展也有重要启示。

  表1国外部分国家海水淡化相关政策

  

  2.2

  我国海水淡化应用及发展

  2019年和2020年沿海9个省市的海水淡化产水能力如图2所示。

  

  图2全国沿海各省市海水淡化工程产能

  对比发现,2019—2020年内各省市海水淡化规模基本处于稳步发展状态,2020年新建成的海水淡化工程大多数都在山东省,其规模相对2019年有一定幅度的增长。

  2019年,全国建成115个总规模达157.38万m3/d的海水淡化工程,其中,新建成的17个总规模为39.91万m3/d的工程分布于沿海一带。

  浙江省的海水淡化工程规模40.78万m3/d,较2018年的23.23万m3/d涨幅75.5%,2019年发展尤为突出。同年,天津海水淡化工程规模为30.60万m3/d,河北海水淡化工程规模为30.35万m3/d,京津冀地区不仅是我国海水淡化技术应用与发展的先进区域之一,也是该领域创新驱动发展最集中的地区之一。

  2020年底,全国有135个海水淡化工程,总规模165.11万m3/d,新建成的14个总规模为6.485万m3/d的海水淡化工程均采用RO技术,其中规模最大的是烟台南山铝业海水淡化工程,达3.3万m3/d。到“十四五”时期末,我国将新增超125万m3/d的海水淡化项目,总规模达290万m3/d。

  国内现有海水淡化项目产水用途分布见图3。

  

  图3国内现有海水淡化项目淡化水用途分布

  海水淡化水主要用作工业用水及生活用水,集中用于沿海地区电力、石化和钢铁等高耗水行业,市政供水仅占29%,由于各种条件的限制基本不能有效进入管网系统。

  2.2.2我国海水淡化相关政策文件

  2020年以来,我国制定发布了一系列海水淡化相关政策和标准(表2),为海水淡化工程提供了有力支撑,使其设计更安全,运行更稳定,海水利用的标准体系更健全。

  表2 2020年以来我国海水淡化相关政策和标准

  

  3

  海水淡化存在的问题

  (1)海水淡化厂供水范围较小,技术自主创新能力较低。由于关键技术和设备国产化率较低,我国淡化海水民用供给较少,多数仅限企业自用。

  (2)相比自来水,淡化水水价运作机制不科学,结构体系不完整。造成海水淡化成本高的原因往往还有运输距离远、工程规模小、国产化率低等。

  (3)海水淡化水消纳问题及产水过程对环境产生负面影响。产品水消纳、长距离输水管道建设等问题,导致一些项目进展较为缓慢。排海浓盐水比海水的含盐量高大约1倍,且温度较高,导致局部海水盐度增大,水温升高,溶解氧减少,进而影响海洋生态环境。

  (4)竞争力不足,配套政策不完善。现如今,整体有效的海水淡化组织协调体系还未形成,相应的价格、金融、财税等一系列引导措施和配套政策也未健全,相关管理对策还需进一步优化。

  4

  海水淡化发展的应对措施

  (1)激发技术自主创新意识,为海水淡化发展提供支撑。针对目前的发展情况,在工艺优化、降低成本、关键设备和技术研发等方面进行自主创新。在强化技术研发,完善产业链条、提升服务能力的同时,建设示范工程。

  鼓励科研单位及企业将蒸发器、反渗透膜、能量回收装置等重要设备最新研究成果纳入示范项目,通过进一步试验与改进,逐步实现海水淡化设备的国产化。破除技术单一性,多种技术相结合,开发可再生能源,深化传统海水淡化技术节能降耗等方面的研究。

  在海水淡化新兴材料(如石墨烯等纳米材料)方面积极探索,在新兴技术工艺(如正渗透、太阳能)方面集成创新。根据世界海水淡化的研究趋势,推动海水淡化技术的进一步发展。

  (2)科学制定淡化水价,作为政府补贴淡化厂和用水企业的基本依据。鼓励生产型企业和用水量大的企业优先使用淡化海水,提供优惠政策,弥补水费损失。鉴于现在的海水淡化成本水平,闲置产能得以解决不可或缺的是政府的直接补贴。

  对沿海城市继续实行分类水价和阶梯水价的自来水价格改革,这些改革使过度用水者被征收的水资源税增加,也间接提升了对非常规水资源的需求。

  对于供应给市政管网的淡化海水,供水企业应与海水淡化厂签订长期采购合同,并按各市政管网实际淡化海水用量向海水淡化厂付费。为了降低能源消耗和预处理成本,将核电与海水淡化相结合,可满足核能发电对冷却水的需要。

  (3)解决海水淡化消纳问题,推动绿色清洁生产。建立省级水资源调配体系,统筹规划部署各地海水淡化项目,省市区(县)三级联动,打造综合供水体系。完善海水淡化水的储备和调节机制,探索产品水消纳途径,推动海水淡化水跨地市调蓄水库、供水管网的建设,提升海水淡化水供应规模和能力,从根本上解决海水淡化水的消纳问题。

  针对环境问题,排海仍是当前处理浓盐水的主要形式,然而海水消耗浓缩盐水的能力是有限的,有必要将海水淡化产生的浓盐水作为化工资源进行综合利用。

  保护海洋生态环境,首先要注意合理选择海水淡化厂地址,从源头杜绝污染;其次,可与各企业相互结合,开启废热循环的经济模式;最后,综合利用淡化后的浓海水,从中提取钾、溴、镁等元素,既获得了化工原料,也实现了浓盐水的零排放。

  (4)加强对海水淡化的政策扶持,完善政策标准体系。在海水淡化项目管理制度建设中,应在法律上明确海水淡化的战略定位,促进海水淡化的规范化发展。

  此外,国务院、环境保护部、国家海洋局、水利部和其他当地部门以及协会参与海洋管理,需要确认各自的功能、责任、权利和利益分配等。积极推进扶持海水淡化发展相关经济政策的出台,建立确定新建项目适宜规模的体系。

  引导和规范海水淡化产业发展可从安全生产、资源开发、环境保护、产业发展等方面入手。明确浓盐水处置要求,完善其入海相关标准规范,修订饮水安全标准,优化海水淡化相关指标。

  开展海水淡化技术、项目设计、给排水、运行管理与实践、质量与设备标准设计、监管标准设计等多种形式的课题研究。


海水淡化发展利用状况分析与启示
由于当今社会经济的迅速发展,淡水资源短缺已是一个全球性的问题。我国是海洋强国,对海水进行有效地开发利用,可成为淡水重要的补充来源。海水淡化作为沿海地区非常规的新型水资源,其开发利用已逐渐受到中央和地方政府的重视。
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