各海域海水淡化專項方案及水質參數

為應對全球淡水資源短缺問題，很多沿海國家及地域主動開展海水淡化和綜合利用技術研發(fā)工作。以色列70%飲用水來自海水淡化水；澳大利亞海水利用關鍵用于市政，占總裝機規(guī)模96%；美國海水利用關鍵用于市政，占89.5%；沙特阿拉伯是現(xiàn)在全球最大海水淡化生產國，其產量達成11億m3。中國淡水資源缺乏，人均淡水資源量僅為世界人均占有量1/4，沿海地域人口稠密，淡水供需矛盾尤為突出。海水淡化技術能夠增加水資源總量，有效緩解中國沿海地域淡水短缺矛盾。在海水資源方面，中國擁有渤海、黃海、東海、南海四大海域，海岸線超出1.8萬km，水資源相當豐富。但海水淡化發(fā)展速度相對其它國家緩慢，直至“十一五”期間海水淡化產業(yè)才開始較為快速地增加。據統(tǒng)計，至底中國海水淡化能力為66萬m3/d?，F(xiàn)在，影響海水淡化原因有政策、技術和價格等。其中海水水質是影響淡化技術正常應用及成本關鍵原因。有研究發(fā)覺，海水中有機物污染、SDI（淤泥密度指數）、溫度、濁度和鹽度是影響反滲透膜運行關鍵指標，進而影響淡化水品質。所以對中國海域海水理化性質、海水利用現(xiàn)實狀況、研究進展進行探討，對于優(yōu)化沿海水資源結構、保障國家用水安全和促進沿海經濟社會可連續(xù)發(fā)展含有戰(zhàn)略意義。基于此，筆者首次將海水水質和海水利用情況相結合，介紹中國渤海、黃海、東海、南海4個海域海水淡化相關水質情況，歸納各地域海水利用工藝技術條件和發(fā)展現(xiàn)實狀況，分析形成原因和經驗教訓，旨對海水利用發(fā)展落后沿岸地帶提供幫助，對海水淡化利用很好地域發(fā)展和轉型方向提供參考，并為中國海水利用發(fā)展提供新思索路徑。1渤海海域1.1渤海水質特征渤海是一個近封閉內海，水溫受北方大陸性氣候影響顯著，2月份平均水溫在0℃左右，8月份達21℃。受大陸淡水注入影響，鹽度僅為30‰，是中國近海中最低。1978—歷年8月觀察資料結果表明渤海夏季海水pH年際改變范圍為7.86~8.30，渤海水溫年際改變、降水量（酸雨）和月均黃河口徑流量年際改變是影響海水pH改變關鍵原因。吳琳琳等研究發(fā)覺4—7月渤海灣海水溫度為12.7~30.8℃、pH為7.30~8.55、海水CODMn為0.98~3.36mg/L、溶解性總固體（TDS）為30.7~32.1g/L、濁度為2.96~136NTU、Cl-為16.9~17.8g/L、電導率為44800~49800μS/cm。整體而言渤海水質濁度改變范圍較寬，關鍵受渤海灣海水泥沙含量影響，尤其在有潮汐和風浪時會大幅升高。另外還發(fā)覺海水溫度升高會使操作壓力和脫鹽率下降，關鍵是因為水溫上升造成水黏度降低，膜材料滲透性能提升，從而透過鹽分增加。郭興芳等發(fā)覺天津渤海灣海水溶解性有機物所占百分比較大，m（SCOD）∶m（COD）為57.3%~97.1%，絕大多數＞65%，反滲透海水淡化預處理宜選擇能有效去除相對分子質量低溶解性有機物工藝技術。整體而言，渤海灣水質在溫度、濁度方面改變較大，有機物、SDI較高，鹽度較低。1.2渤海海水淡化現(xiàn)實狀況針對渤海水質特點，張大群等采取強化混凝—O3/UV消毒作為海水淡化蒸餾法預處理工藝，使得原水濁度、CODMn、UV254、細菌去除率分別達成96%、40%、19%、99.9%。馬敬環(huán)等經過混凝—斜板沉淀池—砂濾新工藝處理渤海海水，可使出水濁度降至1NTU以下，鐵降至0.1mg/L，該工藝適合處理水質改變范圍廣渤海海水。渤海灣中，天津是中國較早開展海水淡化研究地域之一，現(xiàn)在該區(qū)域海水淡化技術在中國居領先水平。至，天津市已建成海水淡化工程4個，分別是天津北疆電廠、天津大港新泉海水淡化、天津開發(fā)區(qū)萬噸級海水淡化示范工程和天津大港電廠，海水淡化總處理能力為21.6萬m3/d，海水淡化水利用量10萬m3/d。其中天津北疆電廠是中國首個海水淡化水大規(guī)模進入市政管網項目，它海水淡化水日均供水量為6000m3左右，90%以上向社會供給。技術上，該項目采取低溫多效海水淡化技術，針對渤海灣水質較差特點，其預處理工藝為高潮位取水—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總處理規(guī)模為15萬m3/d，采取反滲透海水淡化技術。山東是全國海水淡化應用最廣泛省份之一，其淡化技術關鍵以反滲透和低溫多效蒸餾為主。截至底山東省海水直接利用量超出20億m3，建成海水淡化工程17處，日淡化海水3.5萬m3，占全國淡化水量25%?，F(xiàn)在，該省大型海水淡化項目關鍵分布在青島、煙臺和威海3個城市。華能威海電廠是威海市關鍵海水淡化企業(yè)，年淡化海水237萬m3，針對渤海海水特點，該電廠采取預處理工藝以下：海水取水→加NaClO系統(tǒng)→加PAC、PAM系統(tǒng)→多介質過濾器→活性炭過濾器，另外為了克服冬季水源低溫影響，水源關鍵來自循環(huán)水和凝汽器排水。煙臺市在長島縣建立了5座海水淡化站，每日產水量達成1850m3，直接收益人口達3.6萬人。另外，煙臺核能海水淡化示范工程已獲同意，進入可行性研究階段，工程建成后可日產淡化海水14.5萬m3，將大大緩解煙臺水資源擔心情況。遼寧省內海域廣闊，海水資源利用含有極大優(yōu)越條件?，F(xiàn)在該省已建成并能有效運行海水淡化設施有華能營口電廠、紅沿河核電廠、葫蘆島海水淡化工程等。其中華能營口電廠產水量達10000m3/d，針對渤海水質濁度高、溫度低等特點，以海水直流冷卻水作為原水，其具體工藝步驟以下：海水冷卻水—反應沉降池—雙室介質過濾器—雙室細砂過濾器。大連市海水淡化量為339萬m3，海水直接利用量為11.2億m3。其中大連長?？h自來水企業(yè)海水淡化項目產水量為1200m3/d，關鍵用于島上居民飲用；大連莊河電廠采取海水反滲透技術，產水量達29000m3/d，關鍵用作冷卻水或鍋爐補給水。2黃海海域2.1黃海水質理化特征黃海海水溫度和鹽度隨地域差異顯著，季節(jié)和日改變較大，含有顯著陸緣海特征。海區(qū)東南部表層年平均溫度為17℃，鹽度通常＞32.0‰；北部鴨綠江口表層年平均溫度＜12℃，鹽度通常＜28.0‰。整體而言黃海水溫年改變小于渤海，平均為15~24℃，海水鹽度為32‰，展現(xiàn)由南向北、由海區(qū)中央向近岸，溫度和鹽度全部幾乎均勻降低特征。黃海水溫關鍵受冬季氣溫、黑潮現(xiàn)象等影響；鹽度關鍵受黃海暖流、渤海熱通量、海域冬季大風和黃河徑流量改變影響。春季南、北黃海中部表層pH稍高，沿岸較低；夏季表層pH東西兩側偏低；秋冬季黃海表層pH相當均勻，僅朝鮮半島近岸有低值區(qū)。黃海海域濁度分布含有顯著區(qū)域差異，在北部成山頭近海域出現(xiàn)高值，中部和南部離岸水域為低值區(qū)。劉宗麗在膠州灣表層海水中監(jiān)測到3種經典低分子質量有機酸：乳酸、乙酸、甲酸，并發(fā)覺4月份膠州灣表層海水中三者總量平均值比較大，為24.06μmol/L。周斌等發(fā)覺膠州灣灣口部分站點pH、DO、COD、Cu、Zn、油類、PO43--P等指標均符合二類海水水質標準，SS、TDS含量較低，該區(qū)海水可作為淡化取水水源，但預處理工藝中應關注鈣、鎂、鐵和錳影響。整體而言黃海海水含有鹽度、溫度年改變小，近岸有機物高特點。2.2黃海海水淡化現(xiàn)實狀況徐佳采取膠州灣海水直接進入系統(tǒng)和海水添加絮凝劑后再進入系統(tǒng)兩種工藝，初步驗證了50nm管式陶瓷膜作為海水淡化預處理工藝可行性。蘇保衛(wèi)等發(fā)覺采取砂濾—超濾—納濾等預處理工藝能夠有效軟化膠州灣原水，提升RO水回收率。青島市淡水資源貧乏，現(xiàn)在引黃濟青工程、南水北調工程、海水淡化相關企業(yè)等全部是利用海水淡化技術來供給飲用水。其中大唐黃島電廠海水淡化日均量為16000m3，采取預處理步驟為：黃海原水—調整池—斜管沉淀池—盤濾—SVF超濾工藝，為處理冬季進水溫度過低問題，將凝汽器冷卻海水引入海水淡化系統(tǒng)。山東青島電廠海水淡化量為20000m3/d，采取海水反滲透淡化技術，其預處理工藝為海水—平流式反應沉淀池—海水清水池—自清洗過濾器—超濾膜組件—超濾產水箱。江蘇省海岸線長，但多為淤泥質海岸，利用難度大。來有多個項目建成投產，鹽城射陽港電廠二、三期擴建工程采取海水冷卻，年利用海水3.5億m3。連云港田灣核電站正式投入運行，一期工程海水冷卻利用量為25億m3/a。這為江蘇省海水利用深入發(fā)展積累了經驗，并為全方面進行海水直接利用起到工程示范作用。3東海海域3.1東海水質理化特征東海是中國島嶼最多海域，瀕臨中國滬、浙、閩、臺4省市。東海海域水體平均鹽度為31‰~32‰，東部較高為34‰，水溫度平均9.2℃，冬季南部水溫在20℃以上。邵和賓研究了東海北部冬、夏季懸浮物濃度分布特征和運輸規(guī)律，發(fā)覺東海北部懸浮物運輸季節(jié)改變特征顯著，冬季陸架上懸浮物濃度顯著高于夏季。邊昌偉發(fā)覺東海水體懸浮物濃度自近岸向外海降低，等值線走向基礎和岸線平行，濃度最大區(qū)域在長江口及閩浙沿岸，濃度最低區(qū)域在100m等深線以深外海。東海沿岸海水溫度SST關鍵取決于太陽輻射，呈南高北低分布，但也不一樣程度地受地理環(huán)境、氣候環(huán)境、水文環(huán)境影響，同時東海沿岸表層海水溫度（SST）總體呈上升趨勢，暖冬是SST總體呈上升趨勢關鍵原因。整體而言，東海海水水質含有鹽度高、溫度高、近岸懸浮物和SDI高特點。3.2東海海水淡化現(xiàn)實狀況海水淡化產業(yè)在上海剛剛起步，發(fā)展相對滯后，但上海卻擁有較為優(yōu)異海水淡化技術，如上海電氣低溫多效海水蒸發(fā)技術，該技術日產淡水量達12000m3。上海704所和711所擁有較優(yōu)異多級閃蒸技術，華東理工大學擁有海水淡化濃鹽水處理技術、低溫多效蒸發(fā)器生產關鍵設備——燒結型表面多孔管高通量換熱器生產技術?，F(xiàn)在，上海決定經過政策來推進海水淡化產業(yè)，這是快速提升海水淡化產業(yè)發(fā)展關鍵路徑。浙江是中國最早開展海水淡化應用省份。截至底，浙江已建成海水淡化裝置設計產能達11萬m3/d，占全國總產能1/6，以市政供水為目標和和電廠配套各占產能50%，淡化水已成為浙江關鍵海島和沿海部分缺水地域淡水資源關鍵補充?，F(xiàn)在已經有大型海水淡化工程有華能玉環(huán)電廠、大唐烏沙山電廠、舟山六橫電廠、嵊山島海水淡化工程等。華能玉環(huán)電廠海水淡化工程于調試至今，一直運行穩(wěn)定、安全，現(xiàn)在日產淡水量3.5萬m3，預處理工藝步驟為海水—微渦旋板折式反應沉淀池—浸沒式超濾膜池—反滲透，為確保進水溫度維持在25℃左右，淡化系統(tǒng)采取兩路進水，夏天采取未經交換海水，冬天采取循環(huán)水。海島地域舟山市是中國最早建設海水淡化工程地域，截至9月底，舟山總共建成海水淡化裝置近20套，規(guī)模達54000m3/d，海水直接利用量7×108m3/a。其中六橫電廠10萬m3/d海水淡化工程是中國最大海水淡化項目之一，其預處理工藝步驟為海水—絮凝反應池—斜板沉淀池—多介質機械過濾器—保安過濾器—反滲透系統(tǒng)。針對東海水域受風浪和長江入海水影響、濁度改變大等情況，舟山各淡化企業(yè)采取濁度改變環(huán)境下調整藥劑投加量及配比方法，穩(wěn)定前處理海水水質，降低制水成本。4南海海域4.1南海水質理化特征南海被中國大陸、臺灣島、菲律賓群島、大巽她群島及中南半島所圍繞。南海海域面積為356萬平方公里，其中有超出200個無人居住島嶼和巖礁，通稱為南海諸島。溫度上，因為靠近赤道，南海表層水溫較高，年平均水溫為25~28℃，年溫差改變小。鹽度上，受沿岸淡水注入影響，近岸海域鹽度較低，中、南部海域鹽度分布較均勻，為32.0‰~33.6‰，最高鹽度值出現(xiàn)在次表層，可達35‰。郭敬等發(fā)覺南海混合層鹽度年際變異和ENSO現(xiàn)象之間存在較強關系，厄爾尼諾期間南海北部鹽度上升，南海中部和南部鹽度下降，展現(xiàn)“北強南弱”空間形態(tài)，其中南海北部冬季最高鹽度可達33.8‰~34.4‰，南海南部秋季最低鹽度為32.8‰~33.0‰。楊海麗等發(fā)覺海南西部近海海域表層水體濁度和懸浮顆粒物濃度由近岸向外海方向逐步降低，底部水體濁度和懸浮顆粒物體積濃度高值區(qū)呈斑狀分布，水體濁度和懸浮顆粒物體積濃度伴隨水深增加而增大。整體而言，南海海域含有溫度高、鹽度高、近岸SDI高特點。4.2南海海水淡化現(xiàn)實狀況南海區(qū)中，香港海水利用技術在世界前列，其海水沖廁規(guī)模居世界之最。截至年底，香港擁有海水抽水站29個，裝機容量173萬m3/d，在港總人口694萬中獲取海水供給人數為555萬人，占總人口80%。據統(tǒng)計，沖廁用水約70L/（人·d），沖廁用海水最高能降低40%住宅用水，全港平均耗用海水量80萬m3/d。在海水淡化研究方面，現(xiàn)在香港已建立鴨脷洲和屯門小型海水淡化試驗工程，正在興建軍澳海水淡化廠，建成后估計供水量為5000萬m3/a。在廣東省，火電廠和核電廠直接利用海水作為工業(yè)冷卻水已經有一定規(guī)模，淡化技術應用工程企業(yè)有80多家，從事反滲透、電滲析淡化設備配套生產單位有23家，已初步形成以反滲透技術為主體海水淡化技術產業(yè)群。至底，廣東省日產淡化水量為3.08萬m3，居全國第6位，已經有海水淡化工程有平海電廠、國華臺山電廠、惠來電廠、惠州平海電廠等。其中惠州平海電廠于開始運行，現(xiàn)在海水淡化量為16704m3/d，其預處理工藝為海水—斜板沉淀池—清水池—AMIAD濾網式自清洗過濾器—超濾裝置。深圳市毗鄰南海，全市電廠使用冷卻水海水用量達73億m3，海水經淡化后關鍵用作居民生活飲用水和沖廁用水，海水淡化技術大大緩解了深圳市淡水資源短缺局面。5中國海水淡化發(fā)展前景和提議整體而言，中國海水淡化技術日趨成熟，海水淡化設備自我研發(fā)、設計和制造已含有一定基礎，海水淡化工程設計、建設和運行管理已含有一定能力和經驗。另外在國家層面上，中央政府和各級地方政府開始重視海水淡化，經過計劃、政策主動引導規(guī)范海水淡化市場，沿海各地及社會各界主動推進海水淡化工作開展，至底全國已建成海水淡化工程95個，日產淡化水總規(guī)模77.4萬m3。其中，天津、河北、浙江、遼寧、山東省日均淡水產量居全國領先。所以作為新興產業(yè)，海水淡化產業(yè)前景寬廣，不過從近10a發(fā)展力度來看，中國海水淡化仍存在一定問題，依據中國《海水利用專題計劃》：海水淡化裝置產水量為80~110萬m3/d，所以現(xiàn)在全國海水淡化裝置產水值（77.4萬m3/d，）和計劃值仍存在一定距離，另外海水淡化工程技術方面也存在部分顯著問題，如海水淡化裝置關鍵設備和技術依舊掌握在美國、德國等國家；海水源水和淡化水衛(wèi)生標準未規(guī)范化；濃縮海水排放問題等。針對這些問題，筆者提出以下提議和意見。5.1海水源水和淡化水水質標準制訂海水源水水質不僅對海水淡化預處理工藝、后步脫鹽淡化工藝及運行成本影響巨大，對于飲用主體心理接收度也產生重大影響?，F(xiàn)在，淡水源水水質評價關鍵依據CJ3020—1993《生活飲用水水源水質標準》，該標準適適用于城鎮(zhèn)集中式生活飲用水水源水質，對于淡化水海水源水則沒有對應標準。中國國家海洋局公布《中國海洋環(huán)境情況公報》顯示：中國海洋環(huán)境質量情況總體很好，但近岸海域水體污染、生態(tài)受損等環(huán)境問題仍然突出，其中未達成第一類海水水質標準海域面積為17萬km2，水質為劣四類近岸海域面積約為6.8萬km2。所以，為推進海水淡化工作開展，海水水源水質標準制訂已迫在眉睫。另外，目前飲用水衛(wèi)生評價關鍵是依據GB5749—《生活飲用水衛(wèi)生標準》進行，該標準以飲水安全為基點，以水源水是地表水和地下水為前提，以有害、有毒污染物最大限量值指標為主。對于淡化水，產水呈弱酸性且缺乏有益礦物鹽，所以通常需要對淡化海水進行后續(xù)礦化處理，以提升礦物質含量和堿度。但現(xiàn)在生活飲用水標準中缺乏有益于人體健康指標最低限量值，難以全方面地評定海水淡化水水質。所以提議針對海水淡化水水質特征制訂對應海水淡化水水質衛(wèi)生標準。5.2能耗和成本方面在海水淡化成本中，能耗是決定性原因。現(xiàn)在，海水淡化主流技術有低溫多效蒸餾、多級閃蒸和反滲透法，3種技術能耗在2.5~5kW·h/m3，從成本考慮日產淡水20000m3設備中低溫多效蒸餾法運行成本最低，約為0.56美元/m3，反滲透工藝成本居中，為0.63美元/m3，而多級閃蒸成本最高，為0.89美元/m3。這些價格相對中國淡水價格而言仍然偏高，所以在大型海水淡化企業(yè)中，開發(fā)自主創(chuàng)新技術以降低淡化能耗和成本仍是首要任務。而對于淡水實際需求緊迫、日產淡水量需求為幾十到上千噸海島而言，反滲透法因為適用范圍廣、維護簡易等優(yōu)點，推廣率更高。但其缺點在于伴隨日產淡水量降低，能耗和成本也顯著增加。所以，開發(fā)低成本國產小型高壓泵和能量回收裝置等技術，降低小型海島海水淡化規(guī)模小