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    海水淡化發展利用狀況分析與啟示

    更新時間:2022-05-10 10:49 來源:工業水處理 作者: 孫珊等 閱讀:874 網友評論0

    【谷騰環保網訊】由于當今社會經濟的迅速發展,淡水資源短缺已是一個全球性的問題。我國是海洋強國,對海水進行有效地開發利用,可成為淡水重要的補充來源。海水淡化作為沿海地區非常規的新型水資源,其開發利用已逐漸受到中央和地方政府的重視。

    海水資源綜合利用的研究有3個重要領域:

    (1)海水淡化,即運用海水淡化的方法生產淡水,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,應用于工業冷卻水及生活用水;

    (3)綜合利用化學資源,提取海水中的化學元素,進行深加工處理。

    全球淡水只占總水資源的2.5%,而海水占97.5%,海水是水資源的重要寶庫。開發海水綜合利用及淡化技術已經是沿海人口稠密地區淡水資源供給的主要途徑之一。

    目前,海水淡化應用廣泛,2010—2019年,全球海水淡化裝機容量每年增長7%左右,為滿足全球日益增長的淡水需求提供了技術支持。

    我國在《海水淡化利用發展行動計劃(2021—2025年)》中提出,“十四五”時期要著力推進居民供水、工業園區、海島、船舶用水方面的海水淡化規?;?。

    筆者對海水淡化的應用情況及相關政策進行了匯總,通過綜合分析海水淡化發展存在的問題,提出了依托我國經略海洋和海洋強國戰略的海水淡化利用的相關對策,希望為基于海水資源綜合利用領域的研究提供一定的參考。

    1 海水淡化技術

    目前,海水淡化常用的技術分成2大類:膜法海水淡化(主要是反滲透RO技術)和熱法海水淡化(多效蒸餾MED技術、多級閃蒸MSF技術)。

    熱法和膜法各有利弊。熱法具有設備工藝簡單、化學試劑用量很少、對環境污染小的優點,但其設備噪音大、投資高、無廢熱時單位制水成本也高。

    膜法(RO技術)雖設備投資少、運行費用及單位制水成本低,但設備工藝及運行維護復雜,尤其是膜元件的廢棄還會給環境帶來二次污染。反滲透法因在成本上比熱法具有優勢,應用更為廣泛,平均淡化成本約為熱法的23%。

    全球主要海水淡化技術的應用情況見圖1。

    RO、MSF、MED 3種技術占全球海水淡化總產能的94%,其中RO技術占69%,應用最為普遍。

    近些年,各國學者研發出一些新興海水淡化技術。

    正滲透(FO)技術因其膜污染小和能耗低等特點成為主要的淡化技術;

    組合型技術,如RO-MSF、MED-AD(AD,吸附式海水淡化)和MSF-MED組合型技術,將各技術的優勢融合,彌補了單一技術的缺陷,提升了海水淡化能力,在減少腐蝕的同時,可降低建設成本、提高產水水質;

    利用可再生能源進行海水淡化的太陽能海水淡化技術在成本和技術上具有競爭優勢;

    新材料(如納米顆粒、石墨烯基分離膜)、新裝置(如流體切換能量回收裝置)的研發可有效提升海水淡化能力。這些新興海水淡化技術具有重要的基礎性影響,發展潛力巨大。

    2 海水淡化發展及利用現狀

    2.1 國外海水淡化發展及利用

    2.1.1 海水淡化工程應用情況

    D. IHSANULLAH等指出,到2050年,60個國家中大約70億人將面臨嚴重的水資源短缺,這也是21世紀全球應對的重要挑戰之一。

    2019年國際海水淡化協會(IDA)報道,全球有19 744家海水淡化廠,海水淡化能力約9 970萬m3/d,這些工廠位于150個國家,服務3億人。

    海水淡化尤其可作為一些中東國家安全可靠的淡水資源,沙特阿拉伯是世界上最大的海水淡化用戶,其產能約占全球總產能的25.9%,擁有世界上最大的MSF/RO“Ras Al Khair”淡化廠、MED“Marafiq Jubail IWPP”工程、單套MED海水淡化裝置的“Shoaiba Ⅱ”工程、MSF“Shoaiba Ⅲ”工廠,以及太陽能海水淡化廠。

    2021年阿聯酋建成了規模為68.2萬m3/d位于阿布扎比Mirfa的大型反滲透海水淡化項目。

    近年來以色列在地中海沿線先后建設大型海水淡化廠5個,可提供淡化水約6億m3/a,截至2017年,以色列80%的飲用水是通過海水淡化生產的。位于福岡的如來中心擁有日本最大的海水淡化能力,產能占總供水的1/12左右。此外,所有的澳大利亞省會城市都有海水淡化廠。

    馬爾代夫等一些海島國家基本全部要通過海水淡化的方式獲得淡水。世界海水淡化市場的成交規模以年均20%的速度遞增,海水淡化技術在歐洲、北非的應用也較為成熟。

    2.1.2 海水淡化產業相關政策

    美國、日本、澳大利亞、以色列等海水利用產業較發達的國家均制定了相關政策及執行措施,在海水利用產業上給予支持引導,確保其健康發展。表1為國外部分國家海水淡化相關政策,對我國海水淡化發展也有重要啟示。

    2.2 我國海水淡化應用及發展

    2.2.1 海水淡化應用狀況

    2019年和2020年沿海9個省市的海水淡化產水能力如圖2所示。

    對比發現,2019—2020年內各省市海水淡化規?;咎幱诜€步發展狀態,2020年新建成的海水淡化工程大多數都在山東省,其規模相對2019年有一定幅度的增長。

    2019年,全國建成115個總規模達157.38萬m3/d的海水淡化工程,其中,新建成的17個總規模為39.91萬m3/d的工程分布于沿海一帶。

    浙江省的海水淡化工程規模40.78萬m3/d,較2018年的23.23萬m3/d漲幅75.5%,2019年發展尤為突出。同年,天津海水淡化工程規模為30.60萬m3/d,河北海水淡化工程規模為30.35萬m3/d,京津冀地區不僅是我國海水淡化技術應用與發展的先進區域之一,也是該領域創新驅動發展最集中的地區之一。

    2020年底,全國有135個海水淡化工程,總規模165.11萬m3/d,新建成的14個總規模為6.485萬m3/d的海水淡化工程均采用RO技術,其中規模最大的是煙臺南山鋁業海水淡化工程,達3.3萬m3/d。到“十四五”時期末,我國將新增超125萬m3/d的海水淡化項目,總規模達290萬m3/d。

    國內現有海水淡化項目產水用途分布見圖3。

    海水淡化水主要用作工業用水及生活用水,集中用于沿海地區電力、石化和鋼鐵等高耗水行業,市政供水僅占29%,由于各種條件的限制基本不能有效進入管網系統。

    2.2.2 我國海水淡化相關政策文件

    2020年以來,我國制定發布了一系列海水淡化相關政策和標準(表2),為海水淡化工程提供了有力支撐,使其設計更安全,運行更穩定,海水利用的標準體系更健全。

    3 海水淡化存在的問題

    我國的海水淡化不僅有規模開發、技術應用方面的問題,還有一些制約海水淡化發展及利用的因素存在。

    (1)海水淡化廠供水范圍較小,技術自主創新能力較低。由于關鍵技術和設備國產化率較低,我國淡化海水民用供給較少,多數僅限企業自用。

    (2)相比自來水,淡化水水價運作機制不科學,結構體系不完整。造成海水淡化成本高的原因往往還有運輸距離遠、工程規模小、國產化率低等。

    (3)海水淡化水消納問題及產水過程對環境產生負面影響。產品水消納、長距離輸水管道建設等問題,導致一些項目進展較為緩慢。排海濃鹽水比海水的含鹽量高大約1倍,且溫度較高,導致局部海水鹽度增大,水溫升高,溶解氧減少,進而影響海洋生態環境。

    (4)競爭力不足,配套政策不完善?,F如今,整體有效的海水淡化組織協調體系還未形成,相應的價格、金融、財稅等一系列引導措施和配套政策也未健全,相關管理對策還需進一步優化。

    4 海水淡化發展的應對措施

    (1)激發技術自主創新意識,為海水淡化發展提供支撐。針對目前的發展情況,在工藝優化、降低成本、關鍵設備和技術研發等方面進行自主創新。在強化技術研發,完善產業鏈條、提升服務能力的同時,建設示范工程。

    鼓勵科研單位及企業將蒸發器、反滲透膜、能量回收裝置等重要設備最新研究成果納入示范項目,通過進一步試驗與改進,逐步實現海水淡化設備的國產化。破除技術單一性,多種技術相結合,開發可再生能源,深化傳統海水淡化技術節能降耗等方面的研究。

    在海水淡化新興材料(如石墨烯等納米材料)方面積極探索,在新興技術工藝(如正滲透、太陽能)方面集成創新。根據世界海水淡化的研究趨勢,推動海水淡化技術的進一步發展。

    (2)科學制定淡化水價,作為政府補貼淡化廠和用水企業的基本依據。鼓勵生產型企業和用水量大的企業優先使用淡化海水,提供優惠政策,彌補水費損失。鑒于現在的海水淡化成本水平,閑置產能得以解決不可或缺的是政府的直接補貼。

    對沿海城市繼續實行分類水價和階梯水價的自來水價格改革,這些改革使過度用水者被征收的水資源稅增加,也間接提升了對非常規水資源的需求。

    對于供應給市政管網的淡化海水,供水企業應與海水淡化廠簽訂長期采購合同,并按各市政管網實際淡化海水用量向海水淡化廠付費。為了降低能源消耗和預處理成本,將核電與海水淡化相結合,可滿足核能發電對冷卻水的需要。

    (3)解決海水淡化消納問題,推動綠色清潔生產。建立省級水資源調配體系,統籌規劃部署各地海水淡化項目,省市區(縣)三級聯動,打造綜合供水體系。完善海水淡化水的儲備和調節機制,探索產品水消納途徑,推動海水淡化水跨地市調蓄水庫、供水管網的建設,提升海水淡化水供應規模和能力,從根本上解決海水淡化水的消納問題。

    針對環境問題,排海仍是當前處理濃鹽水的主要形式,然而海水消耗濃縮鹽水的能力是有限的,有必要將海水淡化產生的濃鹽水作為化工資源進行綜合利用。

    保護海洋生態環境,首先要注意合理選擇海水淡化廠地址,從源頭杜絕污染;其次,可與各企業相互結合,開啟廢熱循環的經濟模式;最后,綜合利用淡化后的濃海水,從中提取鉀、溴、鎂等元素,既獲得了化工原料,也實現了濃鹽水的零排放。

    (4)加強對海水淡化的政策扶持,完善政策標準體系。在海水淡化項目管理制度建設中,應在法律上明確海水淡化的戰略定位,促進海水淡化的規范化發展。

    此外,國務院、環境保護部、國家海洋局、水利部和其他當地部門以及協會參與海洋管理,需要確認各自的功能、責任、權利和利益分配等。積極推進扶持海水淡化發展相關經濟政策的出臺,建立確定新建項目適宜規模的體系。

    引導和規范海水淡化產業發展可從安全生產、資源開發、環境保護、產業發展等方面入手。明確濃鹽水處置要求,完善其入海相關標準規范,修訂飲水安全標準,優化海水淡化相關指標。

    開展海水淡化技術、項目設計、給排水、運行管理與實踐、質量與設備標準設計、監管標準設計等多種形式的課題研究。

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