張維潤
國家海洋局杭州水處理技術開發(fā)中心

　　海水淡化是指將3500mg/L的海水淡化至500mg/L以下的飲用水。目前，世界上裝機應用的海水淡化方法主要有反滲透法(RO)和多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(fā)(MED)。苦咸水脫鹽是將高含鹽量的地表、地下苦咸水脫鹽至生活用水或工業(yè)用初級純水，主要采用反滲透法(RO)、納濾法(NF)和電滲析法(ED)。
　　據(jù)國際脫鹽協(xié)會統(tǒng)計，截至1995年底，全球日產(chǎn)水量在100m³以上的裝置有11066臺，每天生產(chǎn)淡水2030萬m³。截至1997年底，裝置總數(shù)12451臺，日產(chǎn)水2273萬m³，其中海水淡化為日產(chǎn)1337萬m³，苦咸水淡化為日產(chǎn)5840萬m³，且以年10～30%的速度增長。就海水淡化而言，裝機容量以MSF為主，但近年來RO發(fā)展很快。MSF除極大型裝置外，1995年以來合同額極少。MSF從1989年的84.4%降為1997年的76.04%。而RO從1989年的5.6%上升為1997年的14%。MED1989年占6.7%，至1997年僅占5.47%。
　　對苦咸水脫鹽RO占絕對優(yōu)勢，占76.23%，投資和造水成本更低。對廢水和水凈化RO也分別占到約65%和94%。1995年后，新增海水淡化和苦咸水淡化容量RO為90%。最大RO海水淡化廠建在沙特阿拉伯，日產(chǎn)淡水12.8萬m³。最大地表水RO苦咸水淡化裝置建在美國，日產(chǎn)水38萬m³。
　　目前海水淡化裝置的年銷售額達到100億美元，且以20%左右的年增長速度持續(xù)發(fā)展，供應商主要是美國和日本，應用地區(qū)主要是中東地區(qū)、地中海地區(qū)和加勒比海地區(qū)，其次是東南亞和北非地區(qū)。
　　我國海水淡化技術應用從上世紀七十年代初推廣用水型ED海水淡化器開始，“九五”期間相繼建成了RO淡化裝置，多為小型或示范工程。

部分海水、苦咸水淡化裝置 項 目 日產(chǎn)量(m³) 承擔單位 使用單位 完成時間 ED 海水淡化裝置 200 杭州水處理中心 西沙部隊 1981年 NF 海島苦咸水淡化裝置 120 杭州水處理中心 山東長島縣 1996年 RO 海水淡化裝置 500 杭州水處理中心 浙江嵊泗縣 1997年 RO 海水淡化裝置 200 廣東新世紀水處理公司 大亞灣核電廠 1990年 RO 海水淡化裝置 1000 北京綠色源泉公司 大連長海縣 1999年 RO 海水淡化裝置 200 上海寶鋼 1999年 RO 海水淡化裝置 1000 杭州水處理中心 山東長島縣 2000年 RO 海水淡化裝置 1000 杭州水處理中心 浙江嵊泗縣 2000年 RO 海水淡化裝置 18000 廣西玉柴綠源環(huán)境公司 滄化集團 2001年 * 苦咸水淡化裝置 10000 藍星水處理公司 甘肅定西縣 2002年 *RO 海水淡化裝置 10000 杭州水處理中心 山東石島 2002年 注：國家計委十五示范工程， 自產(chǎn)膜組件占 50%

　　電滲析是我國開發(fā)研究最早的膜技術，起始于1958年。十多年來，離子交換膜的年產(chǎn)量在40萬m²以上，占世界水脫鹽用膜的30%。我國是世界上使用電滲析裝置進行苦咸水脫最多的國家。工藝技術精湛、裝置價格低廉，外商無法與我國競爭。目前有140余套日產(chǎn)量在1000～5000m³的苦咸水ED脫鹽裝置在運轉(zhuǎn)，多將含量在1500～3000mg/L的苦咸水脫鹽至生活用水。低濃度苦咸水脫鹽的最大裝置建于河南鞏縣電廠，日產(chǎn)水量7200m³。工藝用水的最大ED裝置建于金山石化公司，日產(chǎn)水6600m³。中、小型苦咸水脫鹽裝置分布在華北、東化、西北各地，約3000余套。

　　膜技術為脫鹽、凈化的主流技術

　　RO、NF、ED等具脫鹽功能的膜技術將成為新世紀海水淡化、苦咸水脫鹽的主流技術，工程穩(wěn)定可靠與造水成本低廉是吸引用戶的主要原因。
　　脫鹽膜組件已十分成熟，世界各生產(chǎn)膜組件的公司仍十分重視RO膜與組件的技術創(chuàng)新，目的在于開發(fā)抗氧化、耐細菌侵蝕的新膜，提高膜與組件的產(chǎn)水量、脫鹽率等。如美國DOW公司推出FILMTECBW30—440膜元件，在約1.05MPa壓力下，產(chǎn)水量43.5m³/d，脫鹽率大于99%。FluidSystems公司推出PremiumTFC新元件，其苦咸水和海水膜元件的脫鹽率分別高達99.7%和99.8%。日本的東麗公司和日東電工公司已開發(fā)出可耐的9.0Mpa的海水淡化膜，已在西班牙建造了水回收率高達60%的兩段RO海水淡化裝置。
　　1990年反滲透膜組件價格，按消費價格指數(shù)折算僅為1973年的40%。1990年之后又有明顯的下降。按從標準海水生產(chǎn)淡水計，目前工程投資為MSF在1800～2000＄/m³.d，低溫MED在1100～1600＄/m³.d，RO在700～900＄/m³.d。
　　采用功能交換器(WorkExchangeEnergyRecovtry)，將從RO組件排出的高壓濃水的壓力回收并傳遞給組件進水，其轉(zhuǎn)換效率可高達89%～96%。ScottAShumway報導，一種新型的能量回收裝置已成功應用到13600m³/d和5000m³/d的反滲透海水淡化裝置上，過程能耗為2.6kwh/m³，GoodF.Leitner指出加上預處理能耗，總能耗為2.83kwh/m³。這是近幾年在工藝方面的突出進展。
　　StevenJ.Duranceau等報道，1996年佛里達水服務公司在Marco島對現(xiàn)有15000m³/d苦咸水淡化進行改造，通過使用段之間的能量回收透平，使系統(tǒng)的產(chǎn)水量增加3780m³/d，增幅達25%。段之間能量回收透平適用于苦咸水反滲透淡化，含鹽量7500～10500mg/L，淡化能耗降到0.82kwh/m³。
　　在反滲透每水淡化流程中，采用納濾(NF)作為預處理，即MF—RO系統(tǒng)，NF脫除部分硬度和TDS，從而提高RO的水回收率，可進一步降低能耗在25%，造水成本可降低30%。
　　目前各種淡化方法在能耗方面都無法與RO競爭。RO為4～5kwh/m³、ED為14～16kwh/m³、MED為9～10kwh/m³、MFS為12～14kwh/m³。
　　我國已建成的RO脫鹽裝置經(jīng)濟技術指標達到國際先進水平。山東長島日產(chǎn)1000m³RO海水淡化裝置，耗電為4.5kwh/m³。滄州集團日產(chǎn)18000m³RO裝置，地下水含鹽量約13000mg/L，淡水低于500mg/L，耗電為3.1kwh/m³。國家計委“十一”甘肅定西10000m³苦咸水脫鹽RO示范項目，原水3500mg/L，淡水150mg/L，水回收率大于70%，估算成本為0.77元/m³。
　　納濾技術的開發(fā)與應用比反滲透膜大約晚二十年。目前，國內(nèi)外都很活躍。納濾膜介于反滲透和超濾膜之間，其膜表面分離皮層具有納米納微孔結(jié)構。相對于反滲透膜對NaCL的脫除率均在95%以上，一般將NaCL脫除率在90%以下的膜稱之為納濾膜。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納米左右的溶質(zhì)粒子，截留分子量一般為100～2000。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、可溶有機物等致病因子，以及苦咸水脫除Ca、Mg等硬度成分。目前國外城市飲用水已有日產(chǎn)水5萬m³級的大型裝置。納濾將是新世紀飲水市場的優(yōu)選技術。

　　脫鹽、濃縮在廢水資源化中的應用

　　海水淡化為高含鹽水的脫鹽技術，以淡水為成品水則為脫鹽，以濃水為成品水則為濃縮。海水淡化與高濃度廢水處理，特別是無機系廢水處理具有同類裝置與較多共性工藝技術。
　　反滲透處理電鍍廢水、放射性廢水已很成熟，上世紀七十年代開始用于鍍鎳漂洗廢水處理，爾后又用于鍍鉻、鍍銅、鍍鋅、鍍鎘等廢水處理。美國芝加哥API工藝公司采用B—9芳香族聚酰胺中空纖維膜組件處理WattNi漂洗水，廢水含Ni2-650mg/L，經(jīng)RO濃縮20倍達到13000mg/L、Ni2-的分離率為92%。北京廣播器材廠用醋酸纖維素膜處理亮鎳和暗鎳的漂洗廢水，廢水中Ni2-為1510～2400mg/L，系統(tǒng)Ni2-的回收率＞99%。
　　由于ED海水淡化的耗電為RO的3倍。在海水淡化中的應用愈來愈少，其在苦咸水脫鹽中仍有較大競爭優(yōu)勢。日本全部應用ED濃縮海水制鹽。離子交換膜具有很強的耐酸、堿性，耐氧化性，在含酸、堿、鹽高的廢水處理中應用十分廣泛。如Al2O3生產(chǎn)零排放工程。將Al2O3生產(chǎn)廢渣赤泥上的結(jié)合堿和附液堿，通過加石灰乳和通入蒸氣，從固相轉(zhuǎn)移到液相，形成約含8g/LNaOH的復雜溶液，微孔過濾后進入電滲析，制取含堿＜500mg/L的生產(chǎn)用水和工藝用2NNaOH。
　　我國ED、RO用于廢水處理，以膜集成技術發(fā)展零排放工程為開發(fā)方向，不僅回收有效成分，其回收的淡水可做工藝或生活用水。
　　我國西部石油天然氣開支中，從深井涌出的含鹽量在10000～30000mg/L的鹵水，用ED——蒸發(fā)法制鹽工藝已經(jīng)開發(fā)，電滲析將鹵水脫鹽至2000mg/L以下，供灌溉，濃縮至140g/L，提取Br、I后，濃縮制鹽。另外，用RO——ED——三效蒸發(fā)(浸沒燃燒)的工藝正計劃開發(fā)。RO將鹵水脫鹽后400mg/L以下，成為優(yōu)質(zhì)飲用水，濃縮到50～60g/L，可回灌井中，或再用ED濃縮到120g/L，蒸發(fā)——噴霧干燥，制成固體鹽。

　　大力發(fā)展膜水處理技術產(chǎn)業(yè)

　　就水處理行業(yè)來說，至上世紀末，國產(chǎn)和進口膜產(chǎn)品及膜法水處理工程年銷售額達20億人民幣。預計20065年，可達到40億人民幣左右。據(jù)統(tǒng)計，進口膜元件和裝置約5.5億人民幣、成套進口裝置承擔工程約5億人民幣，外商占中國膜技術市場的50%。中國大小近200個企業(yè)，產(chǎn)值約11億人民幣。中國膜技術市場多年來一直呈現(xiàn)為國際競爭市場。國內(nèi)企業(yè)比較小，市場競爭能力較差。
　　我國膜技術與世界先進國家相比差距約10年左右，主要是膜的品種少、性能差。我國膜法水處理工程技術接近世界先進水平，因市場急需，招致大量膜元件進口。增加投入，引進國外先進技術、設備、人才，高起點的發(fā)展膜產(chǎn)品制造業(yè)，生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權的高性能膜組器是提高市場競爭能力的關鍵。這需要膜技術產(chǎn)業(yè)進行資源整合，形成資金、技術、人才優(yōu)勢，組建現(xiàn)代企業(yè)，使具有強有力的市場開拓能力和持續(xù)創(chuàng)新能力。海水淡化工程的配套設置如耐腐蝕高壓泵、能量回收裝置等也靠進口，還需要發(fā)展配套產(chǎn)業(yè)。
　　海水、苦咸水資源的開發(fā)利用需要國家政策支持。國家、省、市都應引導海水、苦咸水的開發(fā)利用，對多種開發(fā)淡水資源方案進行科驗論證。美國海水淡化專家Gordon指出，從250公里調(diào)用可飲用水，其能耗與海水淡化相當。我國沿海工業(yè)發(fā)達城市可供鑒國外經(jīng)驗發(fā)展海水淡化。世界干旱地區(qū)地下水利用率一般達60～70%。我國西北地區(qū)地下水開發(fā)利用程度低。目前地下水開采僅104億m³，為地下水可開采量370億m³的28%。西北僅局部地區(qū)和城市地下水超采，可利用該地區(qū)的苦咸水為經(jīng)濟和社會發(fā)展提供一定的水源保證。
　　為促進膜技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展，可在沿海或內(nèi)陸地區(qū)建立海水、苦咸水資源開發(fā)示范工程，使工程規(guī)模和經(jīng)濟技術都達到國際水平。可建立不同技術發(fā)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(qū)和海島可建立小型太陽能、風能海水或苦咸水脫鹽裝置。積極開展技術培訓和技術交流活動。