專家解讀苦咸水利用技術
1 苦咸水利用的意義
由于人口的增長、經濟的持續發展和人民生活水平的提高，對水的需求量越來越大，對水質的要求越來越高，而水資源的嚴重污染，使本來緊張的水資源的供需矛盾更加尖銳化。沿海地區14個開放城市，有9個淡水供應不足，年缺水量60多億m3，城市人均水平大部分少于500 m3，尤其是天津、青島、連云港、上海，竟少于200 m3，遠遠低于國際公認人均1 000 m3的嚴重缺水標準。我國城市的水資源短缺問題嚴重制約了地區經濟和社會的發展。一些島嶼，如舟山和長島等的進一步開發，也受到水資源短缺的限制。據報道，世界現有人口中，水質和水量都能獲得保障供水的為40%，無優質供水的25%，供水嚴重不足和無安全供水的人口高達35%。
因此，設計開發新型給水技術，利用苦咸水，緩解水危機，為社會和城鄉人民提供安全、可靠、衛生的生產、生活用水，是當前國內外給水領域的一個重大課題之一。
2 苦咸水淡化技術和應用的現狀與前景
苦咸水是在漫長的地質歷史時期里和復雜的地理環境中由多種因素綜合作用下形成與演變的，其中古地理環境、古氣候條件、海侵活動、地質構造和水文地質條件等起了重要作用。淺層地下苦咸水，主要是在大陸鹽化過程中地下水中鹽分的蒸發濃縮形成的。人類不適當的經濟活動，造成沿海地區海水入侵，不合理的灌溉、排水、改良鹽堿地等活動也會使地下水變咸。
一般來講，含鹽量1～5 g/L的水叫低鹽度苦咸水，微咸水（礦化度1～3 g/L）和半咸水（礦化度3～5 g/L）)；5～10 g/L叫中鹽度苦咸水，10 g/L以上為高鹽度苦咸水；含鹽量50～500 g/L稱之為鹵水。本文的苦咸水淡化主要是對含鹽量為1～5 g/L以下的低鹽度苦咸水淡化。
我國北方和沿海地區廣泛分布有微咸水和半咸水，如黃淮海平原和西北內陸盆地等。2004年，國家發布了新一輪的全國地下水資源評價。
苦咸水淡化方法主要有蒸餾法、膜法、電滲析法。蒸餾法主要有多效蒸餾（ME）、多級閃蒸（MSF）、壓氣蒸餾（VC）。膜法主要有反滲透（RO）、納濾（NF）；電滲析法主要有電滲析（ED）、頻繁倒極電滲析（EDR）等。
自20 世紀30年代,世界上許多國家就開始了苦咸水利用與淡化方面的研究。如：突尼斯、阿爾及利亞、美國、以色列、印度等，有的把咸水直接灌溉于農作物，有的將苦咸水淡化后用以解決工業和市政等用水問題。目前，世界上苦咸水淡化產量達7.0×106 m3/d左右。苦咸水淡化技術中，反滲透（RO）占76%，電滲析（ED）占15.6%，多級閃蒸（MSF）占2%，其他占5%。很明顯，膜技術占絕對優勢。最大的苦咸水淡化工程是美國尤馬河水的處理工程，產水量37×104 m3/d。截至目前，有15個國家的100多個科研機關從事苦咸水利用與淡化方面的研究工作。
2.1 蒸餾法苦咸水淡化技術
蒸餾法是最早采用的淡化方法，它的優點是結構較簡單，操作容易，淡化水的水質好。多效蒸餾（ME）就是將前一個蒸發器蒸發出來的二次蒸汽引入下一蒸發器作為加熱蒸汽并在下一蒸發器中凝為蒸餾水。其優點是傳熱系數高，動力消耗少，可提高濃縮比。但它的設備易結垢和腐蝕。閃蒸原理是當原料海水加熱到一定溫度后通過節流孔進入一個蒸發室，因該蒸發室壓力控制在低于熱海水溫度所對應的飽和蒸汽壓的條件下，所以熱海水急速部分氣化，同時溫度下降，產生的蒸汽冷凝后即為所需的淡水。以此原理為基礎，多級閃蒸（MSF）是將熱海水依次流經若干個壓力逐漸降低的閃蒸室，逐級蒸發降溫，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。但動力消耗大，運行費用高。壓汽蒸餾（VC）是利用機械壓縮機把蒸汽壓縮，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的熱源。該法不需外部提供加熱蒸汽，熱效高，能耗低，結構緊湊。但這種方法造價較高，易腐蝕結垢，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構，所有設備均置于一個活動房中，處理后的淡水濃度保持為20 ppm。累計產淡水600 t后，設備拆卸檢查發現，加熱器和冷凝器管束內外無結垢和結晶，但閃發室內壁結垢較重，其中最大的厚度為15 nm。因閃發室內無換熱面，結晶又可及時清除，所以對裝置運行無多大影響。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。若該法與發電廠聯建，既能獲得大量淡水，又可回收電廠余熱，效益就更明顯了。
2.2 苦咸水電滲析淡化技術
我國從1958年就開始從事用電滲析（ED）進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,與電解質濃度成正比，電解質濃度高時，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。隔板構成的隔室為液流經過的通道，淡水經過的隔室為脫鹽室，濃水經過的隔室為濃縮室。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（產水量大，用于大中型）、一級多段（脫鹽率較高，產水量小，用于中小型），和多級多段。有立式和臥式兩種安裝方式。電滲析技術適用于低濃度苦咸水脫鹽，例如：1987年投產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）淡化試驗站，工程造價12.5萬元。該工程采用兩臺電滲器，隔板尺寸為400 mm ×1 600 mm ×85 mm每臺240對膜，一級兩段組裝，共兩級四段串聯運行。到2001年，運行12年來，每天產水20 m3（每小時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，維修費占造水成本5%，生產一噸淡水成本為2.135元左右。2001年7月，黃驊市水務局在北京、上海科研機構的幫助下，采用電滲析法和多層過濾技術，建成了苦咸水淡化站，每小時可供淡水2 t，工程投資一般為13～14 萬元，其中設備費為5～6 萬元，土建工程為7～8 萬元，制水成本為4.1 元/t。總共建淡化站72個，結束了8．5萬農民飲用苦咸水的歷史。截至目前，已有127個村建起了苦咸水淡化站，11.7萬人喝上了達到國家飲用水標準的水。滄州市迅速將其經驗進行推廣，計劃到2005年，再解決659個飲水特困村，惠及67．5萬人。該市決心協助大城、青縣、衡水等地完成苦咸水淡化任務后，再向甘肅、青海挺進。河北省內的唐山、衡水、廊坊等市和黑龍江、甘肅等省都紛紛來滄州取經。
電滲析技術在低濃度苦咸水淡化方面最先占據了較大的市場，至今，產水量約60×104m3/d,年產離子交換膜40多萬m2以上。目前，有140余套日產量在1 000～5 000 m3的苦咸水ED裝置在運轉，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多個礦區日處理量就達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，日產水6 600 m3。現在中、小型（ED）苦咸水脫鹽裝置分布在華北、西北等地約3000余套。
2.3 苦咸水反滲透淡化技術
反滲透（RO）是以壓力為驅動力的膜分離過程。反滲透技術研究始于1953年,最先在美國,1960年從實驗室走向工業化。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合反滲透膜；20世紀90年代，開發出超低壓高脫鹽率全芳香族聚酰胺復合膜。目前，反滲透膜已成為一種成熟的膜分離技術。世界上最大的反滲透苦咸水淡化廠在美國Yuma市，生產能力為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 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入快速發展時期。隨著RO膜和相關技術的進步，RO在苦咸水淡化中的競爭地位越來越強， 2000年在河北滄州建18 000 m3/d苦咸水淡化廠時，由于該廠原水含鹽量為12 402.25 mg/L，屬于較高濃度苦咸水，采用何種技術淡化？為此進行了多種經濟技術比較，如果用電滲析法脫鹽，其耗電指標介于7.0～18.5 kW·h之間，能耗大；如用多級閃蒸淡化，動力消耗大、運轉費用高；用技術成熟的壓汽蒸餾，但它的最大產量為3 000 m3/d，需6臺并聯才能達到產水要求，缺乏規模效益；低溫多效蒸餾淡化法雖適用該項目，但設備投資高達19 000萬元，單位造水成本67元/m3。而同樣規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，遠遠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，原水進入淡化之前設置了預處理（集水、澄清沉淀池）。預處理前，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) ,經兩級過濾（多介質過濾器和細砂過濾器）。為使系統具有較高的回收率，預處理反沖洗水采用經多級過濾和防結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，達到反滲透裝置的進水要求。另外，還采用添加阻垢分散劑（Flocon260(27 mg/L)）和鹽酸(30%濃度)，以防止膜內碳酸鈣、硫酸鈣、鋇的結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)，同時在一、二段膜中間增設能量回收裝置，以減少系統能耗；厥章识椋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在，該廠已建成，反滲透裝置主體電力消耗2.0 (kW·h)/m3(產水)，加入引水及其他附屬設備用電共計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）的運行，解決了該油田生活和生產用水（電站用軟化水）。該工程投產后，100天就可收回286.94萬元的投資，當年就獲益300萬元，實際全年獲利600萬元。
2002 年，國家計委批準的甘肅定西10 000 m3苦咸水脫鹽RO示范項目，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。據資料介紹，大慶油田RO苦咸水處理量產已近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用水緊張的重要技術手段。而反滲透技術因其成本和效果更好，開始被越來越多的地方和部門選用。
納濾技術的開發和應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構。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都有很高的脫除率，而納濾膜只對特定的溶質具有脫除率。納濾膜主要去除一個納米左右的溶質粒子，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、農藥、合成洗滌劑、可溶有機物等致病因子，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，產水符合飲用要求。目前國外城市飲用水已有日產水5萬m3級的大型納濾裝置。納濾技術在21世紀將成為水凈化的首選技術。
反滲透常規預處理技術主要是消毒、凝聚、絮凝、過濾工藝，由于其占地較大，運行維護較復雜，近年來，隨著膜技術的發展，已開發出膜法預處理，主要包括微濾（MF）、超濾(UF)、納濾(NF)。納濾作為預處理，主要脫除苦咸水中的大部分的結垢離子和一部分NaCL。采用MF—RO系統，納濾(NF)作預處理，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%，經濟效益明顯。據資料介紹，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。反滲透和納濾技術在苦咸水淡化方面顯示出相當的優勢，因此，還需對它下大力進一步氣深入研究，力爭走在世界前列。
最近，中科院長春應化所與葫蘆島玉柴北方膜工業有限公司研制的“界面控制制備耐氯芳香聚酰亞胺反滲透復合膜的方法”獲得了國家發明專利。他們研制的膜其分離功能（脫鹽與透水性）和氧化穩定性（耐氯性≥5 000～20 000 ppm(cl).h,）均達到國際先進水平。為我國創立擁有自主知識產權的膜材料、膜工藝、膜過程研究，開發高效膜法海水、苦咸水淡化綜合技術，規模制造耐氯反滲透膜打下了基礎。
1997年寧夏農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”，通過塑料大棚利用太陽能將苦咸水蒸餾凈化為淡水。一個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利用太陽能把苦咸水淡化成純凈水的技術，現已獲得國家專利。目前該項技術正在西海固苦咸水地區進行推廣。
國家城建、水利、地礦許多部門歷經數十年在苦咸水的研究、開發、利用和淡化等方面做了相當的大量工作。他們查明了苦咸水在我國的分布、儲量和水文地質條件以及淺層微咸水存在的利害關系，總結了在農業試驗區開采利用淺層微咸水的研究成果，為今后開發利用苦咸水資源奠定了堅實的基礎。總之我國科技工作者經過幾十年的艱苦奮斗，在這方面取得了不少的成果。
據《21世紀中國可持續發展水資源戰略研究》報告，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。缺水最嚴重的為東部沿海地區、西部苦咸水地區和內陸大中型城市。隨著我國經濟社會的發展，預計2030年我國人口達到高峰時，淡水資源緊缺的形勢將更加嚴峻。因此，研究開發利用非傳統水資源（海水、苦咸水、中水）實用技術，適度開發苦咸水已是當務之急。
黨中央、國務院領導同志對水資源問題極為重視，多次要求以水資源的可持續利用支持經濟社會的可持續發展,為實現綜合利用海水、微咸水等非傳統水資源的政策，發布了《當前國家鼓勵發展的節水技術、設備（產品）目錄》（第一批），該目錄包括了海水、苦咸水利用設備在內的6類產品，凡是開發、研制、生產和使用列入目錄的設備，將按有關規定給予稅收優惠支持。我國計劃到2005年，新增海水及苦咸水利用量達到50億m3。
據統計，截至20世紀末，國產和進口膜產品及膜法水處理工程年銷售額已達20億人民幣。預計2005年，我國膜市場需求將在50億元以上，年均增速繼續保持在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。
當前我國膜技術與世界先進國家相比尚有較大差距，主要是膜的品種少、性能差，現在首要的是盡快研制出達到國際水平的各種高性能膜，并使之盡快實現產業化；同時與國際同行加強合作，力爭早日突破世界上尚未解決的某些關鍵技術，如：新的廉價能源技術、傳熱技術、材料技術以及新過程等，使我國盡快趕上或超過世界水平。形勢的要求，領導的重視，有力的政策，廣闊的市場，展示出我國苦咸水的開發利用的前景。
3 規劃與目標
2010年，在我國西部建設一個城市微咸水淡化示范廠，完善技術標準規范體系、政策法規和產業化成套技術2020年，苦咸水利用量達到75億m3/年。
2020年，苦咸水利用量達到100億m3/年。
4 開展苦咸水淡化工作的建議
(1)為了順利地開展苦咸水資源的開發利用工作，需要國家和地方政府加大投入，給于政策和財政支持，建設投資應采取以受益戶為主，國家扶持的方式。
(2)國家科技部立項招標研制適合用于處理苦咸水、微咸水、半微咸水的膜（反滲透復合膜納濾膜、微孔濾膜、離子交換膜、平板膜、中孔纖維膜、均相離子交換膜等的材料和輔料及處理裝置，進一步提升國產化水平。
(3)積極開展國際交流與合作，引進先進技術和設備，學習各國在規劃、設計、施工等的好經驗，也可考慮資本運作，購買國際先進技術公司。
(4) 為促進膜技術產業發展，可在沿；騼汝懙貐^建立苦咸水資源開發利用不同技術發展模式的示范工程，如：RO、NF、ED等，也可建立不同管理和運營模式的示范工程，在廣大牧區和海島可建立小型太陽能、風能苦咸水脫鹽裝置，發展配套產業，使其規模和經濟技術都達到國際水平。
(5)多渠道籌集資金，適時建改水設備廠，實行生產、安裝、調試、售后服務、操作人員培訓一條龍服務；加強管理持證上崗（有一定文化水平、懂技術、身體健康）。
(6)制定嚴禁超采地下水法令，凡是將苦咸水作為飲用水源的地區必須上淡化裝置。
(7)研制開發苦咸水濃縮排水處理和綜合利用（如：養魚）及無害化的實用技術。
(8)進一步開展咸水農業的利用實用技術研究。
(9)盡快籌建城市微咸水淡化示范廠，為了保護生態環境和降低淡化成本，同時開展濃水的大規模利用（如：養魚等）。
(10)加大堅持用科學的發展觀，必須合理地開發和利用苦咸水的宣傳力度，要求一定要把握好地下水資源開發利用中的量和度，確保我國的經濟和社會可持續發展。
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