海水淡化NT管式微濾膜技術(shù)？

    為應(yīng)對全球淡水資源短缺的問題，許多沿海國家及地區(qū)積極開展海水淡化和綜合利用的技術(shù)研發(fā)工作。以色列70%的飲用水來自海水NT管式微濾膜；澳大利亞的海水利用主要用于市政，占總裝機(jī)規(guī)模的96%；美國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產(chǎn)國，2010年其產(chǎn)量達(dá)到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的1/4，沿海地區(qū)人口稠密，淡水供需矛盾尤為突出。海水淡化技術(shù)可以增加水資源總量，有效緩解我國沿海地區(qū)淡水短缺的矛盾。在海水資源方面，我國擁有渤海、黃海、東海、南海四大海域，海岸線超過1.8萬km，水資源相當(dāng)豐富。但海水淡化發(fā)展速度相對其他國家緩慢，直至“十一五”期間海水淡化產(chǎn)業(yè)才開始較為迅速地增長。據(jù)統(tǒng)計，至2011年底我國海水淡化能力為66萬m3/d。目前，影響海水淡化的因素有政策、技術(shù)和價格等。其中海水水質(zhì)是影響淡化技術(shù)正常應(yīng)用及成本的重要因素。有研究發(fā)現(xiàn)，海水中的有機(jī)物污染、SDI（淤泥密度指數(shù)）、溫度、濁度和鹽度是影響反滲透膜運(yùn)行的重要指標(biāo)，進(jìn)而影響淡化水品質(zhì)。因此對中國海域的海水理化性質(zhì)、海水利用現(xiàn)狀、研究進(jìn)展進(jìn)行探討，對于優(yōu)化沿海水資源結(jié)構(gòu)、保障國家用水安全和促進(jìn)沿海經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。基于此，筆者首次將海水水質(zhì)和海水利用狀況相結(jié)合，介紹中國渤海、黃海、東海、南海4個海域海水淡化的相關(guān)水質(zhì)情況，歸納各地區(qū)海水利用的工藝技術(shù)條件和發(fā)展現(xiàn)狀，分析形成原因和經(jīng)驗教訓(xùn)，旨對海水利用發(fā)展落后的沿岸地帶提供幫助，對海水淡化利用較好地區(qū)的發(fā)展和轉(zhuǎn)型方向提供參考，并為中國海水利用NT管式微濾膜的發(fā)展提供新的思考途徑。

1 渤海海域

1.1 渤海的水質(zhì)特征

    渤海是一個近封閉的內(nèi)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(dá)21 ℃。受大陸淡水注入的影響，鹽度僅為30‰，是中國近海中最低的。1978—2010年歷年8月的觀測資料結(jié)果表明渤海夏季海水pH年際變化范圍為7.86~8.30，渤海水溫年際變化、降水量（酸雨）和月均黃河口徑流量年際變化是影響海水pH變化的主要因素。

    吳琳琳等研究發(fā)現(xiàn)2012年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0.98~3.36 mg/L、溶解性總固體（TDS）為 30.7~32.1 g/L、濁度為2.96~136 NTU、Cl-為16.9~17.8 g/L、電導(dǎo)率為44 800~49 800 μS/cm。整體而言渤海水質(zhì)的濁度變化范圍較寬，主要受渤海灣海水泥沙含量的影響，特別在有潮汐和風(fēng)浪時會大幅升高。此外還發(fā)現(xiàn)海水溫度升高會使操作壓力和脫鹽率下降，主要是因為水溫上升導(dǎo)致水的黏度降低，膜材料的滲透性能提高，從而透過的鹽分增加。郭興芳等發(fā)現(xiàn)天津渤海灣海水溶解性有機(jī)物所占比例較大，m（SCOD）∶m（COD）為57.3%~97.1%，絕大多數(shù)＞65%，反滲透海水淡化預(yù)處理宜選擇能有效去除相對分子質(zhì)量低的溶解性有機(jī)物的工藝技術(shù)。整體而言，渤海灣水質(zhì)在溫度、濁度方面變化較大，有機(jī)物、SDI較高，鹽度較低。

1.2 渤海海水淡化現(xiàn)狀

    針對渤海的水質(zhì)特點，張大群等采用強(qiáng)化混凝—O3/UV消毒作為海水淡化蒸餾法的預(yù)處理工藝，使得原水濁度、CODMn、UV254、細(xì)菌的去除率分別達(dá)到96%、40%、19%、99.9%。馬敬環(huán)等通過混凝—斜板沉淀池—砂濾新工藝處理渤海海水，可使出水濁度降至1 NTU以下，鐵降至0.1 mg/L，該工藝適合處理水質(zhì)變化范圍廣的渤海海水。

    渤海灣中，天津是我國較早開展海水淡化研究的地區(qū)之一，目前該區(qū)域的海水淡化技術(shù)在國內(nèi)居領(lǐng)先水平。至2011年，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有限公司、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國內(nèi)首個海水淡化水大規(guī)模進(jìn)入市政管網(wǎng)的項目，它的海水淡化水日均供水量為6 000 m3左右，90%以上向社會供應(yīng)。技術(shù)上，該項目采用低溫多效海水淡化技術(shù)，針對渤海灣水質(zhì)較差的特點，其預(yù)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有限公司總處理規(guī)模為15萬m3/d，采用反滲透NT管式微濾膜海水淡化技術(shù)。

    山東是全國海水淡化應(yīng)用最廣泛的省份之一，其淡化技術(shù)主要以反滲透和低溫多效蒸餾為主。截至2006年底山東省海水直接利用量超過20億m3，建成海水淡化工程17處，日淡化海水3.5萬m3，占全國淡化水量的25%。目前，該省大型海水淡化項目主要分布在青島、煙臺和威海3個城市。華能威海電廠是威海市主要的海水淡化企業(yè)，年淡化海水237萬m3，針對渤海海水特點，該電廠采取的預(yù)處理工藝如下：海水取水→加NaClO系統(tǒng)→加PAC、PAM系統(tǒng)→多介質(zhì)過濾器→活性炭過濾器，此外為了克服冬季水源低溫的影響，水源主要來自循環(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(chǎn)水量達(dá)到1 850 m3，直接受益人口達(dá)3.6萬人。此外，煙臺核能海水淡化示范工程已獲批準(zhǔn)，進(jìn)入可行性研究階段，工程建成后可日產(chǎn)淡化海水14.5萬m3，將大大緩解煙臺的水資源緊張狀況。

    遼寧省內(nèi)海域遼闊，海水資源利用具有極大的優(yōu)越條件。目前該省已建成并能有效運(yùn)行的海水淡化設(shè)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(chǎn)水量達(dá)10 000 m3/d，針對渤海水質(zhì)濁度高、溫度低等特點，以海水直流冷卻水作為原水，其具體工藝流程如下：海水冷卻水—反應(yīng)沉降池—雙室介質(zhì)過濾器—雙室細(xì)砂過濾器。2010年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自來水公司的海水淡化項目產(chǎn)水量為1 200 m3/d，主要用于島上居民飲用；大連莊河電廠采用海水反滲透技術(shù)，產(chǎn)水量達(dá)29 000 m3/d，主要用作冷卻水或鍋爐補(bǔ)給水。

2 黃海海域

2.1 黃海水質(zhì)理化特征

    黃海海水的溫度和鹽度隨地區(qū)差異顯著，季節(jié)和日變化較大，具有明顯的陸緣海特性。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 ℃，鹽度一般＜28.0‰。整體而言黃海的水溫年變化小于渤海，平均為15~ 24 ℃，海水鹽度為32‰，呈現(xiàn)由南向北、由海區(qū)中央向近岸，溫度和鹽度都幾乎均勻降低的特征。黃海的水溫主要受冬季氣溫、黑潮現(xiàn)象等影響；鹽度主要受黃海暖流、渤海熱通量、海域冬季大風(fēng)以及黃河徑流量變化的影響。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(cè)偏低；秋冬季黃海表層pH相當(dāng)均勻，僅朝鮮半島近岸有低值區(qū)。黃海海域的濁度分布具有明顯的區(qū)域差異，在北部成山頭的近海域出現(xiàn)高值，中部與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種典型的低分子質(zhì)量有機(jī)酸：乳酸、乙酸、甲酸，并發(fā)現(xiàn)4月份膠州灣表層海水中三者總量的平均值比較大，為24.06 μmol/L。周斌等發(fā)現(xiàn)膠州灣灣口部分站點 pH、DO、COD、Cu、Zn、油類、PO43--P 等指標(biāo)均符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，SS、TDS 含量較低，該區(qū)海水可作為淡化取水水源，但預(yù)處理工藝中應(yīng)關(guān)注鈣、鎂、鐵和錳的影響。整體而言黃海海水具有鹽度、溫度年變化小，近岸有機(jī)物高的特點。

2.2 黃海海水淡化現(xiàn)狀

    徐佳采用膠州灣海水直接進(jìn)入系統(tǒng)和海水添加絮凝劑后再進(jìn)入系統(tǒng)兩種工藝，初步驗證了50 nm管式陶瓷膜作為海水淡化預(yù)處理工藝的可行性。蘇保衛(wèi)等發(fā)現(xiàn)采用砂濾—超濾—納濾等預(yù)處理工藝可以有效軟化膠州灣原水，提高RO的水回收率。

    青島市淡水資源貧乏，目前引黃濟(jì)青工程、南水北調(diào)工程、海水淡化相關(guān)企業(yè)等都是利用海水淡化技術(shù)來供應(yīng)飲用水。其中大唐黃島電廠海水淡化日均量為16 000 m3，采用的預(yù)處理流程為：黃海原水—調(diào)節(jié)池—斜管沉淀池—盤濾—SVF超濾工藝，為解決冬季進(jìn)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20 000 m3/d，采用海水反滲透淡化技術(shù)，其預(yù)處理工藝為海水—平流式反應(yīng)沉淀池—海水清水池—自清洗過濾器—超濾膜組件—超濾產(chǎn)水箱。江蘇省海岸線長，但多為淤泥質(zhì)海岸，利用難度大。2006年來有多個項目建成投產(chǎn)，鹽城射陽港電廠二、三期擴(kuò)建工程采用海水冷卻，年利用海水3.5億m3。2007年連云港田灣核電站正式投入運(yùn)營，一期工程的海水冷卻利用量為25億m3/a。這為江蘇省海水利用的進(jìn)一步發(fā)展積累了經(jīng)驗，并為全面進(jìn)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(zhì)理化特征

    東海是中國島嶼最多的海域，瀕臨中國的滬、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、夏季懸浮物濃度的分布特征和運(yùn)輸規(guī)律，發(fā)現(xiàn)東海北部懸浮物運(yùn)輸季節(jié)變化特征明顯，冬季陸架上懸浮物濃度明顯高于夏季。邊昌偉發(fā)現(xiàn)東海水體的懸浮物濃度自近岸向外海降低，等值線走向基本與岸線平行，濃度最大區(qū)域位于長江口及閩浙沿岸，濃度最低區(qū)域位于100 m等深線以深的外海。東海沿岸海水溫度SST主要取決于太陽輻射，呈南高北低分布，但也不同程度地受地理環(huán)境、氣候環(huán)境、水文環(huán)境的影響，同時東海沿岸表層海水溫度（SST）總體呈上升趨勢，暖冬是SST總體呈上升趨勢的重要因素。整體而言，東海海水水質(zhì)具有鹽度高、溫度高、近岸懸浮物和SDI高的特點。

3.2 東海海水淡化現(xiàn)狀

    海水淡化產(chǎn)業(yè)在上海剛剛起步，發(fā)展相對滯后，但上海卻擁有較為先進(jìn)的海水淡化技術(shù)，如上海電氣的低溫多效海水蒸發(fā)技術(shù)，該技術(shù)日產(chǎn)淡水量達(dá)12 000 m3。上海704所與711所擁有較先進(jìn)的多級閃蒸技術(shù)，華東理工大學(xué)擁有海水淡化濃鹽水處理技術(shù)、低溫多效蒸發(fā)器生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備——燒結(jié)型表面多孔管高通量換熱器的生產(chǎn)技術(shù)。目前，上海決定通過政策來推動海水淡化產(chǎn)業(yè)，這是快速提升海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要途徑。浙江是國內(nèi)最早開展海水淡化應(yīng)用的省份。截至2011年底，浙江已建成海水淡化裝置設(shè)計產(chǎn)能達(dá)11萬m3/d，占全國總產(chǎn)能的1/6，以市政供水為目的和與電廠配套的各占產(chǎn)能50%，淡化水已成為浙江主要海島和沿海部分缺水地區(qū)淡水資源的重要補(bǔ)充。目前已有的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2006年調(diào)試至今，一直運(yùn)行穩(wěn)定、安全，目前日產(chǎn)淡水量3.5萬m3，預(yù)處理工藝流程為海水—微渦旋板折式反應(yīng)沉淀池—浸沒式超濾膜池—反滲透，為保證進(jìn)水溫度維持在25 ℃左右，淡化系統(tǒng)采用兩路進(jìn)水，夏天采用未經(jīng)交換的海水，冬天采用循環(huán)水。海島地區(qū)舟山市是我國最早建設(shè)海水淡化工程的地區(qū)，截至2011年9月底，舟山總共建成海水淡化裝置近20套，規(guī)模達(dá)54 000 m3/d，海水直接利用量7×108 m3/a。其中六橫電廠10萬m3/d海水淡化工程是我國最大的海水淡化項目之一，其預(yù)處理工藝流程為海水—絮凝反應(yīng)池—斜板沉淀池—多介質(zhì)機(jī)械過濾器—保安過濾器—反滲透系統(tǒng)。針對東海水域受風(fēng)浪和長江入海水影響、濁度變化大等情況，舟山各淡化企業(yè)采用濁度變化環(huán)境下調(diào)節(jié)藥劑投加量及配比的方法，穩(wěn)定前處理海水水質(zhì)，降低制水成本。

4 南海海域

4.1 南海水質(zhì)理化特征

    南海被中國大陸、臺灣島、菲律賓群島、大巽他群島及中南半島所環(huán)繞。南海海域面積為356萬平方公里，其中有超過200個無人居住的島嶼和巖礁，通稱為南海諸島。溫度上，由于接近赤道，南海表層水溫較高，年平均水溫為25~28 ℃，年溫差變化小。鹽度上，受沿岸淡水注入的影響，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(dá)35‰。郭敬等發(fā)現(xiàn)南海混合層鹽度的年際變異與ENSO現(xiàn)象之間存在較強(qiáng)的關(guān)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，呈現(xiàn) “北強(qiáng)南弱”的空間形態(tài)，其中南海北部冬季最高鹽度可達(dá)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)現(xiàn)海南西部近海海域表層水體濁度與懸浮顆粒物濃度由近岸向外海方向逐漸降低，底部水體濁度與懸浮顆粒物的體積濃度高值區(qū)呈斑狀分布，水體濁度和懸浮顆粒物體積濃度隨著水深增加而增大。整體而言，南海海域具有溫度高、鹽度高、近岸SDI高的特點。

4.2 南海海水淡化現(xiàn)狀

    南海區(qū)中，香港的海水利用技術(shù)位于世界前列，其海水沖廁規(guī)模居世界之最。截至 2006 年底，香港擁有海水抽水站 29 個，裝機(jī)容量 173 萬m3/d，在港總?cè)丝?694 萬中獲取海水供應(yīng)的人數(shù)為 555萬人，占總?cè)丝诘?0%。據(jù)統(tǒng)計，沖廁用水約 70 L/（人·d），沖廁用海水最高能減少40%的住宅用水，全港平均耗用海水量 80 萬 m3/d。在海水淡化研究方面，目前香港已建立鴨脷洲和屯門的小型海水淡化試驗工程，正在興建軍澳海水淡化廠，建成后預(yù)計供水量為5 000萬m3/a。在廣東省，火電廠和核電廠直接利用海水作為工業(yè)冷卻水已有一定規(guī)模，2009年淡化技術(shù)應(yīng)用工程公司有80多家，從事反滲透、電滲析淡化設(shè)備配套生產(chǎn)的單位有23 家，已初步形成以反滲透技術(shù)為主體的海水淡化技術(shù)產(chǎn)業(yè)群。至2012年底，廣東省日產(chǎn)淡化水量為3.08萬m3，居全國第 6位，已有的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2009年開始運(yùn)行，目前海水淡化量為16 704 m3/d，其預(yù)處理工藝為海水—斜板沉淀池—清水池—AMIAD濾網(wǎng)式自清洗過濾器—NT管式微濾膜超濾裝置。深圳市毗鄰南海，2005年全市電廠使用冷卻水的海水用量達(dá)73億m3，海水經(jīng)淡化后主要用作居民的生活飲用水和沖廁用水，海水淡化技術(shù)大大緩解了深圳市淡水資源短缺的局面。