苦咸水淡化的三種技術(shù)方法

1 蒸餾法苦咸水淡化技術(shù)

蒸餾法是最早采用的淡化方法，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡單，操作容易，淡化水的水質(zhì)好。多效蒸餾（ME）就是將前一個(gè)蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的二次蒸汽引入下一蒸發(fā)器作為加熱蒸汽并在下一蒸發(fā)器中凝為蒸餾水。其優(yōu)點(diǎn)是傳熱系數(shù)高，動(dòng)力消耗少，可提高濃縮比。但它的設(shè)備易結(jié)垢和腐蝕。閃蒸原理是當(dāng)原料海水加熱到一定溫度后通過節(jié)流孔進(jìn)入一個(gè)蒸發(fā)室，因該蒸發(fā)室壓力控制在低于熱海水溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓的條件下，所以熱海水急速部分氣化，同時(shí)溫度下降，產(chǎn)生的蒸汽冷凝后即為所需的淡水。以此原理為基礎(chǔ)，多級閃蒸（MSF）是將熱海水依次流經(jīng)若干個(gè)壓力逐漸降低的閃蒸室，逐級蒸發(fā)降溫，海水濃度逐級增濃直到其溫度接近（但高于）天然海水溫度。該法造水比高，一般為8左右。但動(dòng)力消耗大，運(yùn)行費(fèi)用高。壓汽蒸餾（VC）是利用機(jī)械壓縮機(jī)把蒸汽壓縮，使之升壓和升溫（溫度升高10 ℃左右），以作為加熱和使海水蒸發(fā)的熱源。

該法不需外部提供加熱蒸汽，熱效高，能耗低，結(jié)構(gòu)緊湊。但這種方法造價(jià)較高，易腐蝕結(jié)垢，難大型化。一般來說，蒸餾法處理苦咸水的成本高于膜法，但它在處理高濃度苦咸水方面有一定優(yōu)勢。例如：采用多級閃蒸方法處理塔里木沙漠油氣田的地下苦咸水，該原水濃度為12 ×104 ppm，處理裝置為八級臥室結(jié)構(gòu)，所有設(shè)備均置于一個(gè)活動(dòng)房中，處理后的淡水濃度保持為20 ppm。累計(jì)產(chǎn)淡水600 t后，設(shè)備拆卸檢查發(fā)現(xiàn)，加熱器和冷凝器管束內(nèi)外無結(jié)垢和結(jié)晶，但閃發(fā)室內(nèi)壁結(jié)垢較重，其中最大的厚度為15 nm。因閃發(fā)室內(nèi)無換熱面，結(jié)晶又可及時(shí)清除，所以對裝置運(yùn)行無多大影響。到目前為止，多級閃蒸是處理高濃度苦咸水一種有效的方法。若該法與發(fā)電廠聯(lián)建，既能獲得大量淡水，又可回收電廠余熱，效益就更明顯了。

2 苦咸水電滲析淡化技術(shù)

我國從1958年就開始從事用電滲析（ED）進(jìn)行苦咸水淡化方面的研究。電滲析工作原理：在直流電場的作用下，水中離子透過具有選擇性的離子交換膜而定向遷移，使電解質(zhì)離子自水溶液中部分分離，以制取淡水。淡化水的成本,與電解質(zhì)濃度成正比，電解質(zhì)濃度高時(shí)，電流密度大，淡化噸水的成本也就高。

電滲析器的主要部件為陰、陽離子交換膜、隔板與電極。隔板構(gòu)成的隔室為液流經(jīng)過的通道，淡水經(jīng)過的隔室為脫鹽室，濃水經(jīng)過的隔室為濃縮室。把陰、陽離子交換膜與濃、淡水隔板交替排列，重復(fù)疊加，再加上一對端電極，就成了電滲析器。電滲析器有三種組裝方式，為一級一段（產(chǎn)水量大，用于大中型）、一級多段（脫鹽率較高，產(chǎn)水量小，用于中小型），和多級多段。有立式和臥式兩種安裝方式。

電滲析技術(shù)適用于低濃度苦咸水脫鹽，例如：1987年投產(chǎn)的山東長島縣大欽島電滲析地下苦咸水（含鹽量3 000～5 000 mg/L）淡化試驗(yàn)站，工程造價(jià)12.5萬元。該工程采用兩臺(tái)電滲器，隔板尺寸為400 mm ×1 600 mm ×85 mm每臺(tái)240對膜，一級兩段組裝，共兩級四段串聯(lián)運(yùn)行。到2001年，運(yùn)行12年來，每天產(chǎn)水20 m3（每小時(shí)2.5 m3）,脫鹽率80%，水回收率60%～80%，每立方淡水平均耗電5 kW·h，維修費(fèi)占造水成本5%，生產(chǎn)一噸淡水成本為2.135元左右。2001年7月，黃驊市水務(wù)局在北京、上�？蒲袡C(jī)構(gòu)的幫助下，采用電滲析法和多層過濾技術(shù)，建成了苦咸水淡化站，每小時(shí)可供淡水2 t，工程投資一般為13～14 萬元，其中設(shè)備費(fèi)為5～6 萬元，土建工程為7～8 萬元，制水成本為4.1 元/t�？偣步ǖ�化站72個(gè)，結(jié)束了8．5萬農(nóng)民飲用苦咸水的歷史。截至目前，已有127個(gè)村建起了苦咸水淡化站，11.7萬人喝上了達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)的水。滄州市迅速將其經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推廣，計(jì)劃到2005年，再解決659個(gè)飲水特困村，惠及67．5萬人。該市決心協(xié)助大城、青縣、衡水等地完成苦咸水淡化任務(wù)后，再向甘肅、青海挺進(jìn)。河北省內(nèi)的唐山、衡水、廊坊等市和黑龍江、甘肅等省都紛紛來滄州取經(jīng)。

電滲析技術(shù)在低濃度苦咸水淡化方面最先占據(jù)了較大的市場，至今，產(chǎn)水量約60×104m3/d,年產(chǎn)離子交換膜40多萬m2以上。目前，有140余套日產(chǎn)量在1 000～5 000 m3的苦咸水ED裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)，將含量在1 500～3 000 mg/L的苦咸水淡化成生活用水。僅山西省大同礦物局10多個(gè)礦區(qū)日處理量就達(dá)2萬多噸，作為冷卻用水和生活用水使用。低濃度苦咸水脫鹽的最大ED裝置建于河南鞏縣電廠，日產(chǎn)水量7 200 m3。工藝用水的最大ED裝置建于金山石化公司，日產(chǎn)水6 600 m3�，F(xiàn)在中、小型（ED）苦咸水脫鹽裝置分布在華北、西北等地約3000余套。

3 苦咸水反滲透淡化技術(shù)

反滲透（RO）是以壓力為驅(qū)動(dòng)力的膜分離過程。反滲透技術(shù)研究始于1953年,最先在美國,1960年從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化。1970年推出芳香聚酰胺中空纖維制成的反滲透器，主要用于苦咸水脫鹽，1970年末，又成功推出了卷式反滲透組件；1980年推出用于海水淡化的復(fù)合反滲透膜；20世紀(jì)90年代，開發(fā)出超低壓高脫鹽率全芳香族聚酰胺復(fù)合膜。目前，反滲透膜已成為一種成熟的膜分離技術(shù)。世界上最大的反滲透苦咸水淡化廠在美國Yuma市，生產(chǎn)能力為37× 104 m3/d淡水，用的是卷式反滲透膜組件。

我國反滲透膜技術(shù)研究始于1965年，但直到1997年才在浙江舟山市嵊山島建成第一個(gè) 500 m3/d反滲透示范工程。近年來，我國反滲透海水和苦咸水淡化進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。隨著RO膜和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，RO在苦咸水淡化中的競爭地位越來越強(qiáng)， 2000年在河北滄州建18 000 m3/d苦咸水淡化廠時(shí)，由于該廠原水含鹽量為12 402.25 mg/L，屬于較高濃度苦咸水，采用何種技術(shù)淡化？為此進(jìn)行了多種經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，如果用電滲析法脫鹽，其耗電指標(biāo)介于7.0～18.5 kW·h之間，能耗大；如用多級閃蒸淡化，動(dòng)力消耗大、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高；用技術(shù)成熟的壓汽蒸餾，但它的最大產(chǎn)量為3 000 m3/d，需6臺(tái)并聯(lián)才能達(dá)到產(chǎn)水要求，缺乏規(guī)模效益；低溫多效蒸餾淡化法雖適用該項(xiàng)目，但設(shè)備投資高達(dá)19 000萬元，單位造水成本67元/m3。而同樣規(guī)模的反滲透淡化裝置投資為2 200萬元左右，單位造水成本2.5元/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比低溫多效蒸餾淡化方法便宜，故選用了反滲透法。該水源水的濁度較高，放置4～24 h后濁度仍為40 NTU，因此，原水進(jìn)入淡化之前設(shè)置了預(yù)處理（集水、澄清沉淀池）。預(yù)處理前，還需加次氯酸鈉(2 mg/L)滅菌，殺菌后，再加絮凝劑(聚合氯化鐵5 mg/L) ,經(jīng)兩級過濾（多介質(zhì)過濾器和細(xì)砂過濾器）。為使系統(tǒng)具有較高的回收率，預(yù)處理反沖洗水采用經(jīng)多級過濾和防結(jié)垢處理的反滲透濃水，以使自用原水量降至最低。由于反滲透復(fù)合膜，對氯的耐受程度只有1 000 mg/(L·h)，而過濾器出水通常含余氯0.1～1.0 mg/L，所以要在過濾器出水中加入亞硫酸氫鈉(3 mg/L)，來還原水中余氯，使游離氯含量＜0.1mg/L，達(dá)到反滲透裝置的進(jìn)水要求。另外，還采用添加阻垢分散劑（Flocon260(27 mg/L)）和鹽酸(30%濃度)，以防止膜內(nèi)碳酸鈣、硫酸鈣、鋇的結(jié)垢和鐵鋁氧化物及其他污染物的沉積。綜合考慮了各方面因素，最后選用了一級二段反滲透處理方式(一段為苦咸水反滲透膜，二段為海水反滲透膜)，同時(shí)在一、二段膜中間增設(shè)能量回收裝置，以減少系統(tǒng)能耗�；厥章识�為＞65%，既保證水源的充分利用，又防止了回收率過高對膜的損害�，F(xiàn)在，該廠已建成，反滲透裝置主體電力消耗2.0 (kW·h)/m3(產(chǎn)水)，加入引水及其他附屬設(shè)備用電共計(jì)2.5( kW·h)/m3，單位造水成本則為2.48元/m3。

2001年末，塔河油田苦咸水處理工程（兩套處理量為12 m3/h的反滲透（RO）脫鹽裝置）的運(yùn)行，解決了該油田生活和生產(chǎn)用水（電站用軟化水）。該工程投產(chǎn)后，100天就可收回286.94萬元的投資，當(dāng)年就獲益300萬元，實(shí)際全年獲利600萬元。

2002 年，國家計(jì)委批準(zhǔn)的甘肅定西10 000 m3苦咸水脫鹽RO示范項(xiàng)目，原水濃度為3 500 mg/L，制取淡水的濃度為150 mg/L，水回收率大于70%，估算成本為0.77元/m3。據(jù)資料介紹，大慶油田RO苦咸水處理量產(chǎn)已近1.2×104 m3/d，主要是作為生活飲用。

目前，反滲透和電滲析已成為苦咸水淡化的主要方法，已成為解決廣大苦咸水地區(qū)用水緊張的重要技術(shù)手段。而反滲透技術(shù)因其成本和效果更好，開始被越來越多的地方和部門選用。

納濾技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用比反滲透膜大約晚20年。納濾膜介于反滲透和超濾膜之間，其膜表面具有納米微孔結(jié)構(gòu)。反滲透膜對NaCL的脫除率在95%以上，而納濾膜一般將NaCL脫除率在90%以下，反滲透膜幾乎對所在溶質(zhì)都有很高的脫除率，而納濾膜只對特定的溶質(zhì)具有脫除率。納濾膜主要去除一個(gè)納米左右的溶質(zhì)粒子，截留分子量一般為100～2 000。納濾膜主要用于脫除三鹵甲烷中間體(THM)，異味、色度、農(nóng)藥、合成洗滌劑、可溶有機(jī)物等致病因子，以及脫除苦咸水中Ca2+、Mg2+等離子成分。我國在山東長島縣海島建成的南隍城水廠(144 m3/ d)，就采用了NF苦咸水淡化裝置。該裝置操作壓力0.75 Mpa，淡水回收率56%，噸水耗電1.43 kW·h，產(chǎn)水符合飲用要求。目前國外城市飲用水已有日產(chǎn)水5萬m3級的大型納濾裝置。納濾技術(shù)在21世紀(jì)將成為水凈化的首選技術(shù)。

反滲透常規(guī)預(yù)處理技術(shù)主要是消毒、凝聚、絮凝、過濾工藝，由于其占地較大，運(yùn)行維護(hù)較復(fù)雜，近年來，隨著膜技術(shù)的發(fā)展，已開發(fā)出膜法預(yù)處理，主要包括微濾（MF）、超濾(UF)、納濾(NF)。納濾作為預(yù)處理，主要脫除苦咸水中的大部分的結(jié)垢離子和一部分NaCL。采用MF—RO系統(tǒng)，納濾(NF)作預(yù)處理，NF脫除部分硬度和TDS，既不用添加防垢劑，又提高RO的水回收率，降低了25%能耗，可降低造水成本30%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。據(jù)資料介紹，目前各種淡化方法在能耗方面都無法與RO競爭。一般來說，RO為4～5( kW·h)/m3、ED為14～16 (kW·h)/m3、MED為9～10( kW·h)/m3、MFS為12～14( kW·h)/m3。反滲透和納濾技術(shù)在苦咸水淡化方面顯示出相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，因此，還需對它下大力進(jìn)一步氣深入研究，力爭走在世界前列。

4  苦咸水淡化的其他技術(shù)及發(fā)展

最近，中科院長春應(yīng)化所與葫蘆島玉柴北方膜工業(yè)有限公司研制的“界面控制制備耐氯芳香聚酰亞胺反滲透復(fù)合膜的方法”獲得了國家發(fā)明專利。他們研制的膜其分離功能（脫鹽與透水性）和氧化穩(wěn)定性（耐氯性≥5 000～20 000 ppm(cl).h,）均達(dá)到國際先進(jìn)水平。為我國創(chuàng)立擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的膜材料、膜工藝、膜過程研究，開發(fā)高效膜法海水、苦咸水淡化綜合技術(shù)，規(guī)模制造耐氯反滲透膜打下了基礎(chǔ)。

1997年寧夏農(nóng)科院科研人員和日本地膜專家合作完成了“太陽能蒸餾凈化集水技術(shù)”，通過塑料大棚利用太陽能將苦咸水蒸餾凈化為淡水。一個(gè)30 m2的塑料大棚夏秋兩季日均可凈化淡水75 kg。寧夏科技人員成功研究出一項(xiàng)利用太陽能把苦咸水淡化成純凈水的技術(shù)，現(xiàn)已獲得國家專利。目前該項(xiàng)技術(shù)正在西海固苦咸水地區(qū)進(jìn)行推廣。

國家城建、水利、地礦許多部門歷經(jīng)數(shù)十年在苦咸水的研究、開發(fā)、利用和淡化等方面做了相當(dāng)?shù)拇罅抗ぷ�。他們查明了苦咸水在我國的分布、�?chǔ)量和水文地質(zhì)條件以及淺層微咸水存在的利害關(guān)系，總結(jié)了在農(nóng)業(yè)試驗(yàn)區(qū)開采利用淺層微咸水的研究成果，為今后開發(fā)利用苦咸水資源奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)�？傊�我國科技工作者經(jīng)過幾十年的艱苦奮斗，在這方面取得了不少的成果。

據(jù)《21世紀(jì)中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究》報(bào)告，到2010年，我國需水量7 300億m3，而可供的水量為6 200～6 500 m3，缺水量約1 000億m3。缺水最嚴(yán)重的為東部沿海地區(qū)、西部苦咸水地區(qū)和內(nèi)陸大中型城市。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，預(yù)計(jì)2030年我國人口達(dá)到高峰時(shí)，淡水資源緊缺的形勢將更加嚴(yán)峻。因此，研究開發(fā)利用非傳統(tǒng)水資源（海水、苦咸水、中水）實(shí)用技術(shù)，適度開發(fā)苦咸水已是當(dāng)務(wù)之急。

黨中央、國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)同志對水資源問題極為重視，多次要求以水資源的可持續(xù)利用支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)綜合利用海水、微咸水等非傳統(tǒng)水資源的政策，發(fā)布了《當(dāng)前國家鼓勵(lì)發(fā)展的節(jié)水技術(shù)、設(shè)備（產(chǎn)品）目錄》（第一批），該目錄包括了海水、苦咸水利用設(shè)備在內(nèi)的6類產(chǎn)品，凡是開發(fā)、研制、生產(chǎn)和使用列入目錄的設(shè)備，將按有關(guān)規(guī)定給予稅收優(yōu)惠支持。我國計(jì)劃到2005年，新增海水及苦咸水利用量達(dá)到50億m3。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至20世紀(jì)末，國產(chǎn)和進(jìn)口膜產(chǎn)品及膜法水處理工程年銷售額已達(dá)20億人民幣。預(yù)計(jì)2005年，我國膜市場需求將在50億元以上，年均增速繼續(xù)保持在15％左右，2015年，膜市場需求可望超過200億元，將占到世界總量的10％～15％左右。

當(dāng)前我國膜技術(shù)與世界先進(jìn)國家相比尚有較大差距，主要是膜的品種少、性能差，現(xiàn)在首要的是盡快研制出達(dá)到國際水平的各種高性能膜，并使之盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；同時(shí)與國際同行加強(qiáng)合作，力爭早日突破世界上尚未解決的某些關(guān)鍵技術(shù)，如：新的廉價(jià)能源技術(shù)、傳熱技術(shù)、材料技術(shù)以及新過程等，使我國盡快趕上或超過世界水平。形勢的要求，領(lǐng)導(dǎo)的重視，有力的政策，廣闊的市場，展示出我國苦咸水的開發(fā)利用的前景。