反滲透海水淡化水的市政應用研究

王曉楠,潘獻輝,郝軍,劉昱

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192)

反滲透海水淡化水的市政應用研究

王曉楠,潘獻輝,郝軍,劉昱

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192)

反滲透海水淡化水具有潔凈、純度高和供給穩定的特點，可緩解淡水資源匱乏的問題。文章介紹海灣國家、美國和中國反滲透海水淡化水市政應用現狀以及一些典型案例，在此基礎上，提出政策扶持和企業協調并重、推進裝備核心部件和關鍵技術國產化以及建立健全相關標準和加強監管等建議，以期促進我國反滲透海水淡化水的大規模市政應用。

海水淡化；海水利用；反滲透淡化；市政供水；淡水資源

1 引言

水資源危機已是世界性問題。隨著人口的增長、經濟的發展，對淡水的需求將繼續增加。預計到2025年，世界上將會有30億人面臨缺水，40個國家和地區淡水嚴重不足[1-3]。我國淡水資源嚴重匱乏，不僅總量不夠，而且時空分布不均衡，經濟發達、人口密集的沿海地區尤為短缺。

世界市政淡水來源除河流外，主要有地下水、遠程調水以及海水或苦咸水淡化3種。《2013年海水淡化年報》數據顯示，在全球8 090萬m3/d的脫鹽總產能中，對脫鹽有效總量貢獻最大的是海水淡化，占59%，產能約為4 773萬m3/d；其次是苦咸水淡化，占22%，產能約為1 780萬m3/d。

此外，具有“不淹地、不移民、不爭水、不受氣候影響”特點的海水淡化，作為淡水資源供給的重要途徑已經得到全球范圍內缺水國家的廣泛認可和接受。反滲透海水淡化能夠在低能耗的條件下將海水脫鹽生產高品質的淡水，憑借設備模塊化、工藝流程簡單及綜合成本低等優勢，已成為解決淡水資源短缺的重要海水淡化技術[4-6]。在全球海水淡化技術分布中，反滲透海水淡化占比為62%，已成為海水淡化市政應用的主流技術。其他技術包括多級閃蒸海水淡化和多效蒸餾海水淡化等。反滲透海水淡化技術的應用，不僅有助于緩解淡水資源供水緊張的局勢，而且對于開源增量優化用水結構具有十分重要的意義。

2 全球反滲透海水淡化水市政供水應用現狀

反滲透海水淡化水具有潔凈、高純度以及供給穩定的特點，是安全可靠的高品位水源。目前，在全球范圍內，反滲透海水淡化水作為淡水資源的替代水源，已廣泛應用于市政供水、工業、電廠、灌溉、旅游等領域[7-11]。在市政供水應用上，反滲透海水淡化水進入自來水管網，作為城鎮居民生產、生活的重要水源，也作為海島、船舶、海上平臺等主要水源；可作為企業生產和生活用水，以及作為以發電等鍋爐補水為代表的工業用高純水和工藝用水。

全球海水淡化規模近年來不斷攀升。截至2015年年底，全世界海水淡化日產水規模大約8 655萬t。在應用分布中，自2006年以來全球海水淡化水每年的市政應用均遠高于其在工業中的應用，市政供水占比已達62%、工業用水占比26%、電廠用水占比6%，其他的應用占比較小且較分散。從開發及應用反滲透海水淡化技術最廣泛的國家來看，反滲透海水淡化水在中東地區用于市政供水的比例為86%，在美國南部3個地區為89.5%，在中國為30%，解決了全球近2億人的生活用淡水問題。全球海水淡化合同容量在不斷增大，預計到2018年，全球淡化工程總裝機容量將達到1.38億t/d。

3 反滲透海水淡化水市政供水應用

3.1 海灣國家

在全球海水淡化最大的市場海灣國家，集中了大型淡化工程，海水淡化產能排名居前。其海水淡化水的86%用于市政供水，許多居民飲用淡化水已經長達25年之久。科威特、卡塔爾、沙特、阿曼、阿聯酋、巴林、伊朗、伊拉克、以色列都制定了用海水淡化水作為市政供水的政策。其中，科威特和卡塔爾幾乎全部都用淡化水作為飲用水。沙特阿拉伯是世界淡化水產量最大的國家，其淡化水產量占世界淡化水產量的30%；沙特屬干旱沙漠氣候，全年降水稀少，境內又無淡水河流，其生產和生活70%的用水為淡化海水；目前沙特擁有淡化水輸送管道4 157 km、泵站29座，沙特Shuaiba海水淡化廠的設計規模為88萬m3/d。阿聯酋通過加快發展大型淡化裝置以滿足不斷增長的城市用水需要，已成為世界上人均淡化水擁有量最多的國家。

以色列自20世紀60年代起就積極致力于海水淡化技術的研究。自1999年起，在政府的大力鼓勵與扶持下，以色列相關企業開始通過海水淡化徹底改變國家缺水的狀態。目前已擁有先進的海水淡化技術和設備，海水淡化水在供水結構中所占份額不斷增大。以色列建立集中水輸送系統，由北方的水源地集中輸送至南部及半干旱水資源短缺地區。目前以色列70%的市政供水來自海水淡化，2020年計劃整個以色列的海水淡化水源將完全替代水庫水源，海水淡化將100%覆蓋全國用水要求。

3.2 美國

美國部分地區淡水資源短缺，尤其是加利福尼亞州、德克薩斯州及佛羅里達州的淡水資源短缺尤為嚴重，用水問題已成為制約當地社會及經濟發展的“瓶頸”。反滲透海水淡化成為解決當地淡水資源短缺的重要技術，得到了大范圍的應用。反滲透海水淡化工程占所有已建海水淡化工程總裝機規模的97%，應用于市政、電力、旅游、軍事等領域。其中市政供水應用占比達到89.5%，電力占比6.9%，旅游占比2.5%，示范占比0.5%，軍事占比0.4%，灌溉占比0.2%。同時美國是膜生產大國，聚集了反滲透膜陶氏、海德能、GE、Koch等國際著名品牌。

盡管當前美國的海水淡化工程發展緩慢，但根據全球水智的數據預測，美國將成為世界第二大海水淡化市場，有向大型及超大型工程發展的趨勢，用于市政的海水淡化水比例將逐年增加。

3.3 中國

中國在“建設海洋強國”“東部率先發展”“海上絲綢之路”“京津冀協同發展”等戰略的推動下，海水淡化技術進入快速發展期。《關于加快發展海水淡化產業的意見》已經提出，在確保人體健康的前提下，允許海水淡化水依法進入市政供水系統。加快推廣反滲透海水淡化水在居民生活用水中的應用，擴大其市政應用規模，發揮反滲透海水淡化水的保障作用，是我國海水淡化產業的重點發展方向。

我國反滲透海水淡化發展迅猛，截至2015年年底，全國已建成海水淡化工程121個，應用反滲透技術工程106個，產水規模為100.88萬t/d，最大海水淡化工程規模為20萬t/d。其中，萬噸級以上海水淡化工程31個，萬噸級以下、千噸級以上海水淡化工程36個，千噸級以下海水淡化工程54個。

應用分布上，我國海水淡化工程產水的終端用戶主要分為工業用水和生活用水。截至2015年年底，我國海水淡化水用于工業用水的工程規模為67.726萬t/d，占總工程規模的67.14%(集中在電力、石化、鋼鐵領域)；用于居民生活用水的工程規模為33.132 5萬t/d，占總工程規模的32.84%。

區域分布上，主要集中在水資源嚴重短缺的沿海地區和海島，其中北方的天津、河北、山東等地以電力、鋼鐵等大規模高耗水工業用海水淡化工程為主；南方的浙江(寧波)、福建(廈門)、海南等地以民用海水淡化工程居多，以百噸級和千噸級工程為主。

除工程規模數量上的不斷增加外，與地表水及地下水提取、跨流域取水、南水北調等綜合成本相比，隨國內區域性淡水資源的日益短缺導致整體水價不斷上升，以及反滲透海水淡化市政用水綜合成本的逐漸降低，反滲透海水淡化水大規模市政應用初步具備了經濟效益。目前我國反滲透海水淡化產水成本集中在5～8元/t，已接近甚至低于地下水提取和跨流域取水等其他取水成本。以青島為例，水資源主要來自地表水及地下水、引黃水和南水北調水。地表水及地下水制水成本約為4元/t，引黃濟青成本約為5.05元/t，南水北調制水成本約為5.5元/t，反滲透海水淡化成本為4～6元/t。隨著海水淡化設備國產化進程的加快、技術提高進一步降低能耗，反滲透海水淡化水成本可進一步降低，其市政應用的優勢將更加顯著。

4 反滲透法海水淡化水應用典型案例

4.1 以色列索萊克海水淡化廠

以色列索萊克海水淡化水廠是目前世界上規模最大、技術最先進的反滲透海水淡化廠，其產水量為62.4萬m3/d。采用16英寸膜垂直布置、地下盾構技術，以穩定的水量、高質量水質、高利用率為當地超過150萬居民提供淡水，相當于以色列20%的城市用水，并且不會對海岸環境有任何影響。

4.2 新加坡新泉海水淡化工程

新加坡的新泉海水淡化廠是新加坡乃至亞洲目前最大的淡化項目，可供應13.6萬m3/d淡化海水，能夠滿足國內10%的用水需求。所生產的淡化水由輸水管引入最近的公用事業局儲水池，按1∶2的比例與普通淡水混合，直接進入城市供水，供西部居民飲用。

4.3 摩洛哥Laayoune海水淡化工程

Laayoune為7 000 m3/d反滲透海水淡化工程，將產品水與地下水(含鹽量為1 600 mg/L，規模為5 616 m3/d)混合后輸送到供水管網，同時采用NaOH調節pH值以減小對輸送管路的腐蝕，最后用氯進行消毒，達到12 600 m3/d的飲用水供應量。

4.4 西班牙巴塞羅那海水淡化工程

巴塞羅那產水量為20萬m3/d的膜法海水淡化工程在歐洲規模最大，其反滲透淡化水經過礦化和氯化處理后，利用泵壓輸至11 km外弗恩桑塔的各大主要儲水池，同時直接進入飲用水管網，為巴塞羅那地區約450萬居民提供飲用水，滿足15%～20%的飲用水需求。

4.5 澳大利亞黃金海岸海水淡化工程

澳大利亞黃金海岸的12.5萬m3/d海水淡化工程為澳大利亞昆士蘭州東南地區供水，其供水量達到了該地區總供水量的20%。為提高淡化水的品質，首先在二級反滲透前將pH值提至10.2左右以提高硼的脫除率，然后通過添加熟石灰和二氧化碳進行礦化實現水質的穩定，最后采用次氯酸鈉進行消毒并進入城市供水系統。

5 反滲透海水淡化水市政應用建議

從全球淡水形勢來看，反滲透海水淡化水已成為缺水國家生活、生產用水的重要組成部分，并且應用的范圍和比例呈逐年遞增的趨勢。我國反滲透海水淡化項目的大規模建成投產，使得淡化水逐漸進入市政供水系統。但是要得到終端消費者的普遍認可和保障國家用水安全，仍亟須重點解決3個方面的問題。

(1)政府政策扶持與企業協調并重。政府層面引導，對全國的水資源進行規劃調配；將反滲透海水淡化水納入市政供水體系管理，合理安排區域反滲透海水淡化工程的布局，給予優惠的財稅政策和適當補貼；發揮國家質檢機構對反滲透海水淡化水質的監督檢驗職能；與企業共同解決管網鋪設、電費、水價、取水、排水等問題，改造現有供水管網、布局及建設輸送反滲透海水淡化水的專業、優質管網。此外，高校開設反滲透海水淡化相關學科，增加公眾獲取反滲透海水淡化知識的途徑和渠道。

(2)加快推進反滲透海水淡化裝備核心關鍵部件及工藝技術的國產化。不斷提升具有自主知識產權的反滲透海水淡化工程建設的實力，穩定反滲透海水淡化工程運行，保證產水水質。不斷提高高端膜市場產品的占有率，如通過采取開發性能更好的膜等技術手段，以降低海水淡化的處理成本，開發特種性能的膜和工藝以應對不同的處理需求。通過引進、消化吸收、重點扶持有自主知識產權的反滲透海水淡化技術，形成具有核心競爭力的反滲透海水淡化產業。

(3)逐步建立健全標準、加強監管，確保我國已建成的反滲透海水淡化工程產水水質的安全可靠。世界上有數百種不同結構、不同工藝、不同容量的反滲透海水淡化裝置，導致產品水的水質千差萬別。應加快制定反滲透海水淡化產水相關的行業法規、工程規范、標準體系以及設計合理的預處理、后處理工藝等。同時，強化第三方對產品水質量的監管，進而穩定和規范反滲透海水淡化市場，保證市政用水的質量，確保用水和飲水安全。

6 結語

反滲透海水淡化水生產工藝越來越成熟，已成為全世界范圍內解決淡水資源匱乏的重要手段之一，是市政用水的重要組成。在我國，反滲透海水淡化尚處在海洋新興產業階段，發展的空間和廣度非常大。隨著海水淡化項目不斷發展、淡化廠規模的大型化以及淡水供求矛盾的有效解決，反滲透海水淡化水的大規模市政應用是必然趨勢。

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DevelopmentofWaterforDrinkingbyReverseOsmosisSeawaterDesalinationPlants

WANG Xiaonan，PAN Xianhui，HAO Jun，LIU Yu

(The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization,SOA,Tianjin 300192,China)

Reverse osmosis desalinated water has the characteristics of clean,high purity and stable,which can alleviate the problem of fresh water shortages.This paper summarized the municipal application of reverse osmosis desalinated water,including the Gulf countries,the United States and China.Meanwhile,recommendations contains policy support,enterprises coordination,equipment and key technologies promoted,related standards have been put forward,with a view to promoting China’s large-scale municipal applications of reverse osmosis desalinated water.

Seawater desalination,Seawater utilization,Reverse osmosis seawater desalination,Municipal water supply,Fresh water resources

2017-08-21；

2017-11-22

2016年中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(K-JBYWF-2016-T15).

王曉楠，工程師，碩士，研究方向為海水淡化和水質分析

P747

A

1005-9857(2017)12-0077-04