綠色能源驅動的膜法海水淡化技術發展現狀及其在平潭大嶼島上的應用

陳 琦，王婷婷

(山東四海水處理設備有限公司， 山東 青州，262500)

綠色能源驅動的膜法海水淡化技術發展現狀及其在平潭大嶼島上的應用

陳 琦，王婷婷

(山東四海水處理設備有限公司， 山東 青州，262500)

本文概述了綠色能源驅動的膜過濾海水淡化技術在過去10～20年的發展；其中綠色能源主要包括風能和太陽能，而膜過濾技術主要為反滲透(RO)技術。目前，綠色能源開發的成本(0.05～0.09 $/kWh)已經與傳統石化能源(0.05～0.09 $/kWh)接近，因此綠色能源驅動的海水淡化技術已具備解決傳統海水淡化技術所面臨的能源困境的潛力。此外，本文還介紹了一套綠色能源(風能、太陽能)驅動的膜法海水淡化工藝在福建省平潭大嶼島開發中的成功應用。該項目：1)成功地開發出風能/太陽能聯合驅動的小型海水淡化系統，通過蓄電池的使用，優化了不穩定能源提供與穩定海水淡化出水之間的相互適應性，實現穩定產水量10 m3/d；2)確定系統臨界產水率25%，在無化學藥品添加的情況下，減少反滲透膜污染現象。

風能；太陽能；反滲透；海水淡化；平潭大嶼島

1 全球性淡水危機

淡水資源一直是人類社會賴以生存與發展的必要資源[1]。然而，由于人類生活標準的提高、人口的增長、工業的發展，人們對淡水的需求日益提高，因此淡水資源缺乏已成為全球性的危機。據預測，至2025年，全球約有2/3的人口將面臨清潔淡水供應不足的困難(unwater.org)。傳統的淡水資源包括江河、湖泊、地下水，其含量僅占全球水資源的0.65%，且在全球的分布不均勻，與人口的分布不成比例。因此，從其他水資源中提取淡化水，日益成為淡水資源缺乏地區的一個迫切需求。

苦咸水和海水的鹽濃度分別為10 g/L、35～40 g/L。目前，世界上膜脫鹽應用67%主要用于海水淡化，19%用于苦咸水淡化，8%用于江河水，6%用于污水[2]。熱能驅動的脫鹽淡化水技術是傳統的淡化水工藝，主要包括多級閃蒸(MSF)、低溫多效蒸餾(MED)、熱蒸氣壓縮(TVC)等。近年來，由于低能耗的優點，電能驅動的膜過濾技術逐漸在全球范圍內取代熱力脫鹽淡化技術[3]。除了低能耗的優點外，膜過濾脫鹽管件結構緊湊、占地面積小、重量輕、產水量高，十分符合海水淡化廠的高度密集型發展策略[4-7]。為了體現膜過濾技術的優點，Drioli和Criscuoli[4]計算了3項量化指標以比較(MSF)、膜蒸餾(MD)、反滲透(RO)3項工藝的優劣，3項指標分別為：質量強度(MI，生產投入原料質量與產品質量的比率)、單位質量產水量(PW)、單位體積產水量(PS)。圖1顯示的是淡化水產量為1 250 m3/d不同淡化工藝的3項指標對比。相比傳統熱法脫鹽技術，膜過濾技術(RO和MD)擁有更低的MI指數，而PW、PS指數則比熱法脫鹽技術高，表明了膜過濾技術在占地空間方面的優勢。

雖然脫鹽淡化水技術已經取得了長足的進步，但還存在很大的提升空間。在現行的脫鹽淡化技術中，特別是熱法脫鹽技術，需要大量的能源投入來實現鹽分與海水的分離。以目前全球的海水淡化體量估算，每年需要大量能源進行海水淡化[8]。作為最低能耗的產業化膜法海水淡化技術，目前RO膜過濾技術可以做到每產出1噸淡化水消耗3～4 kWh的電能，而理論上的最低能耗可低至1.06 kWh[9]。由于海水淡化的高能耗，導致淡化海水的成本增加，使很多面臨淡水危機的發展中國家無法承受淡化海水的高昂水價。世界上采用海水淡化作為淡水來源的國家主要集中在中東地區、西班牙、澳大利亞、新加坡，以及北美部分地區的發達國家[10]。RO是海水淡化技術中近20年來發展最快的技術。除了海灣國家，美洲、亞洲和歐洲，大、中生產規模的淡化裝置都以反滲透技術為首選。然而，RO膜技術在進一步降低能耗以及抗膜污染堵塞兩方面仍面臨挑戰。反滲透海水淡化目前主要在以下幾方面開展研究工作：1)進一步提高反滲透膜的產水率、脫鹽率；2)增加反滲透膜的抗氧化性能，新型能量回收裝置的研究；3)工藝最佳化研究等。我國在海水淡化領域相關工業技術相對落后，與國外海水淡化技術存在一定的差距，主要表現在反滲透膜污染的控制方面及由此產生的能耗升高等問題，最終導致單位處理出水價格偏高。

為進一步在全球淡水資源缺乏地區推廣海水淡化技術，海水淡化技術的成本必須要進一步下降[11]。海水淡化行業可持續發展的另一個挑戰是石化能源的使用對環境造成的可持續性負擔。目前，全球海水淡化產量約為9 000×104m3/y(idadesal.org)，相當于每年全球總淡水供應量的0.6%，卻每年消耗超過8.5億m3的原油。隨著海水淡化規模的擴大，原油的消耗量也將逐年上升，另一方面，地球上已探明的石化能源將在50年內耗盡。因此，以后任何原油價格的上漲都會對海水淡化的成本產生影響。

綜上所述，發展綠色能源驅動的海水淡化工藝技術已是迫在眉睫。經過多年的發展，綠色能源開發的成本(0.05～0.09 $/kWh)已經與傳統石化能源(0.05～0.09 $/kWh)接近，為綠色能源的應用打下了堅實的基礎[3]，因此綠色能源驅動的海水淡化技術已具備解決傳統海水淡化技術所面臨困境的潛力。

2 用于海水淡化的綠色能源

地球存在多種綠色能源，而用于海水淡化領域的綠色能源主要包括風能、太陽能及潮汐能等。本綜述重點關注海水淡化市場中常用的風能及太陽能。

2.1 風能

風能在世界各地都有豐富蘊藏的資源，無論是沿海地區、山區，還是離岸島嶼都有豐富的風能資源可供利用。全球大多數國家都有風能資源豐富的地區，每個擁有上述地貌的國家在綠色能源的使用上都有豐富的經驗。由于石化能源價格的不穩定，以及溫室氣體(CO2)的排放等環境問題，使過去5年來綠色能源驅動的海水淡化行業有了較大的發展。如風能發電在過去10年中新增的機組數量是原來的9倍(圖2)。然而，風能的使用也面臨著眾多的挑戰，包括公眾接受程度、占地面積大等[12]。大部分的風能應用問題可通過建設沿海風車園來解決，風車園的選址是風力驅動海水淡化裝置成功的關鍵。就目前風力驅動海水淡化技術的發展現狀，要求選址具備充足的風力、充沛的海水資源，同時當地缺乏可供使用的淡水供給等。

2.2 太陽能

太陽能是地球上最豐富的綠色能源。中東及北非部分地區已有數據表明每天可接收到高達7 kWh的能源，而這些地區富含苦咸水、海水，同時又承受著嚴重的淡水缺口，使這些地區非常適合使用太陽能驅動的海水淡化技術。太陽能既可以直接用于蒸發海水、分離鹽分和水分子，也可以用于發電，然后通過電能驅動海水淡化裝置實現海水淡化的目的。從太陽能到電能的轉化通常是經過光伏元件實現，從而促進太陽能的濃縮存儲，提高光伏元件的效率。然而，光伏元件的價格、使用壽命、能量存儲能力都制約了光伏板的實際應用。鑒于太陽能既可轉化為電能，也可轉換為熱能，因而其一直是綠色海水淡化技術研究的主要焦點。如圖2所示，近年發展最快的綠色能源驅動的海水淡化技術以太陽能的使用為主。然而，真正應用于海水淡化的太陽能比例小于0.02%。

3 與綠色能源相結合的RO膜過濾技術

RO膜過濾是基于水力壓力的條件下，克服膜兩側由于鹽濃度不同而形成的滲透壓差，迫使水分子通過半透膜，實現脫鹽淡化的目標。近年來，很多研究報告對不同綠色能源與反滲透海水淡化技術的結合進行了有益的嘗試，太陽能是其中被嘗試最多的綠色能源。如圖3的風能、太陽能聯合驅動海水淡化裝置，太陽能首先轉換成電能以驅動海水淡化設備的高、低壓泵，而風車葉輪產生的動能則直接用于高壓水泵。光伏電池板驅動的反滲透海水淡化設備已在世界多個地區有所建造，其產水量介于1至幾百m3/d之間，而這些裝置在處理苦咸水及海水的噸水能耗分別在0.9～29.1 kWh/m3、2.4～17.9 kWh/m3之間[13]，如最近在阿聯酋迪拜，一個太陽能驅動的海水淡化廠啟動，這個海水淡化廠每天可產淡水30 t，而它的能耗僅為2.8 kWh/m3。傳統上，RO膜與光伏元件聯合應用與太陽能驅動的海水淡化，因為相對昂貴的可再生能源以及較短的運行時間，RO膜與光伏元件聯合應用相比傳統的RO膜過濾在成本上更加昂貴[14-16]。為了維持一個持續穩定的電力系統，設備多采用鉛酸蓄電池進行電能存儲。然而，蓄電池的壽命相對較短，特別是在熱帶地區，蓄電池需要頻繁更換。這些蓄電池也同時要承受：1)電池充電、放電過程中產生的能源損耗，2)隨著使用時間的延長，電極效率降低。此外，鉛酸蓄電池的丟棄也會造成環境保護方面的問題等。

4 風光驅動反滲透海水淡化技術在平潭大嶼島的開發應用

福建省眾多的離岸島嶼，多數同時存在能源和淡水雙重緊缺的問題。鑒于離岸島嶼對淡水及能源的雙重需求，開展風能、太陽能海水淡化項目的研究與推廣，非常貼合福建海洋發展戰略，可以切實解決海洋戰略實施過程中的用水問題。

作為“平潭大嶼海島生態保護建設示范基地”基礎設施建設的一個重要組成部分， 2015年在福建省海洋與漁業廳海洋高新產業專項資金的資助下，福建省海洋預報臺在平潭大嶼島率先開展了綠色能源驅動的海水淡化研究，重點解決綠色能源驅動海水淡化裝置仍面臨的持續穩定運行問題(抗膜污染能力)。

本項目結合風能/太陽能技術，基于純物理反滲透過濾工藝，在平潭大嶼島成功建立了一套小型日產淡水水量10 m3/d的海水淡化處理系統，是對風能、太陽能聯合驅動的反滲透技術在海水淡化應用中的一個有益嘗試，系統通過引入臨界產水率有效控制反滲透膜污染，使反滲透系統可持續穩定運行。

4.1 系統組成

4.1.1 系統總體設計架構

本項目整體系統主要由風能/太陽能驅動系統、海水淡化系統、淡水供水系統等組成，具體如圖4所示：

4.1.2 風能/太陽能驅動系統

風能/太陽能驅動系統(風光互補系統，圖5)，可以相互彌補風電和太陽能單獨發電使用的缺陷，確保整個發電系統安全、穩定、經濟運行，系統主要由以下幾部分組成：

1)風力發電系統：包括風輪、電機尾舵架、塔架等。利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電，將實現風能轉換成電能，有效地解決陰雨天氣下無法啟動太陽能供電的缺陷。

2)太陽光伏發電系統：包括光伏支架、光伏板、光伏組件等。利用光伏電池的光生伏特效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，有效地解決風力條件的不穩定性。

3)風光互補發電儲能系統：風光互補發電機組產生的電能通過蓄電池進行存儲，再通過風機控制器和光伏控制器對蓄電池進行安全高效的充電，最終存儲穩定電能以滿足海水淡化裝置的能量需求。

4)變流裝置：存儲電能通過逆變器的作用將直流電轉化為穩定的交流電；

5)供電系統：穩定的交流電通過供電系統及供電電線給海水淡化裝置提供相應的動力能源，保證正常出水。

本項目通過對當地的風力及陽光強度進行測試，深入準確地了解當地可利用的綠色能源，并根據得到的各類測試結果，選擇合適的風機、太陽能板及相應的蓄電存儲裝置，為反滲透海水淡化裝置設計、建設完成了一套可持續的綠色能源供電系統(圖6)。

4.1.3 海水淡化系統

針對當地海水水質特點確定海水的預處理方案，整套海水淡化系統流程如圖7所示。

為進一步減少膜污染現象的發生，項目通過實驗優化確定了臨界產水率，實驗結果如圖8a所示，系統在40%產水率、無阻垢劑的條件下，試運行一個月。結果表明，系統產水率下降至9 t/d，而且系統所需的壓力無法保持在600 m水頭(增加至660 m水頭)，增加的水頭壓力，必然導致能耗的增加，長期以往將超出風光互補發電系統的承受范圍。因此，在無阻垢劑的條件下，40%的產水率無法滿足平潭大嶼島的用水量需求。當然，除了產水量和能耗增大的問題外，出水水質并未出現重大惡化。最后，系統經多次實驗優化，在25%產水率、無阻垢劑的條件下，實現穩定運行一個月(圖8b)，基本可以保證風光互補海水淡化系統在平潭大嶼島的長期穩定運行。在此產水率下，可確保反滲透裝置不會或較少發生膜污染的情況。

4.2 系統運行結果

通過系統的設計、建設以及試運行，系統取得了如下成果：

1)風能/太陽能驅動系統

開發出風能/太陽能聯合驅動的小型海水淡化系統，優化不穩定能源提供與穩定海水淡化出水之間的相互適應性，使風能/太陽能發電系統與反滲透海水淡化裝置形成一個有機的結合體。

2)海水淡化系統

針對系統臨界產水率及持續穩定運行方面：確定系統臨界產水率為25%，在無化學藥品添加的情況下，可有效地減少反滲透膜污染現象的發生。

3)項目總體成果

開發出一款實用的設備優化模型，使其有助于以后針對不同地理條件的風能/太陽能聯合驅動海水淡化裝置的設計。本項目總體形成了以綠色能源驅動的模塊化反滲透海水淡化技術為核心，有助于風能/太陽能聯合驅動海水淡化裝置未來的推廣應用。

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DevelopmentofdesalinationdrivenbygreenenergyandacaseofapplicationinPingtanDayuIslandofFujianProvince

CHEN Qi，WANG Tingting

(Shandong Sihai Water Treatment Equipment Co.，Ltd.，Qingzhou 262500，China)

This paper reviewed the development of desalination driven by green energy including wind energy and solar energy in the past 10～20 years while the desalination technology was dominated by the reverse osmosis(RO).Nowadays，the cost of green energy(0.05～0.09$/kWh)has been close to the cost of traditional fossil energy(0.05～0.09$/kWh)，so the green energy driving desalination has the potential to solve the problems of traditional desalination technologies.Besides，this paper introduced a case study of wind/solar power driving RO desalination application in Pingtan Dayu Island of Fujian Province.The results of the project include：1)successfully developing a wind/solar driving desalination system with a capacity of 10 m3/d，and optimizing the unstable energy generation and stable energy requirement via the energy storage using batteries；2)determining the critical water production rate of 25% and maintained a low RO fouling level under no chemical usage conditions.

wind energy；solar energy；reverse osmosis；desalination；Pingtan Dayu Island

2017-09-13

課題項目：2015年度福建省海洋高新產業發展專項：平潭大嶼島海水淡化研究及示范應用[閩海洋高新(2015)31號].

陳 琦(1983-)，女，工程師，從事綠色能源驅動的海水淡化技術研究.E-mail：nancy@lxyun water.com

陳 琦，王婷婷.綠色能源驅動的膜法海水淡化技術發展現狀及其在平潭大嶼島上的應用[J].漁業研究，2017，39(6)：485-492.

TU991.2

A

1006-5601(2017)06-0485-08