關于青島市拓展海水淡化系統建設的探究

李赫

（山東省青島第五十八中學，山東 青島 266000）

1 全球水資源背景

“水是萬物生命之源”，水對于生命來說是不可或缺的，然而全球有近1/3（26 億）的人生活在缺水的國家和地區，近1/2（36億）人每年至少有一個月處于缺水狀態。從水資源的數量來看，全球水資源有限且時空分布不均；從水資源的質量來看，絕大部分的水資源難以直接被利用。相關數據表明，地球上現有的130 億t 水中，97.5%都是無法利用的咸水，剩余的2.5%才是淡水，且大部分存在于極地和冰雪地帶，僅有0.3%左右能真正為人類所用。

伴隨著各國經濟的發展，人們消費結構的變化，水的消耗量也在不斷增加。根據聯合國水機制發布的《2020 年世界水發展報告（WWDR）》[1]，過去一百年來，全球年用水量增長了六倍，且每年按1%的速度穩定增長，預測未來二十年將大幅增長。參照這一增長速度，到2030 年全球可能面臨40%的水資源短缺。

根據聯合國《2019 年世界人口展望》報告[2]，到2030 年全球人口預計將達85 億，2050 年可能增至97 億，2100 年則將突破109 億。要順應這一人口增長趨勢，維持人們的正常生活，首要問題就是解決水資源短缺，滿足飲用水需求。

根據不同的缺水類型，主要的應對措施如下。

（1）水源性缺水：對由于地域性分布差異導致的水源性缺水，可以通過大規模跨流域調水工程進行調節。

（2）水質性缺水：對由于水資源受到污染造成的水質性缺水，除建設水庫蓄水、開渠引水、合理開采地下水等措施以外，必須重視水的價值，愛護水源、節約用水。

（3）工程性缺水：對由于氣候原因和地理環境產生的水資源季節性分布不均勻（如時枯時澇），則需要通過興建水庫等水利設施，留存水源，平衡豐欠。

但上述這些解決方案都只能在一定程度上解決水資源短缺問題，且因為針對不同的缺水類型，應用范圍有限。人類要從根本上擺脫水荒，最直接也最持續的方法則是將海水、苦咸水、冰川水等不可用水變為可用水。

地球總水量的97%都是海水，過去人類只能對著咸得發苦的海水望洋興嘆，夢想著有朝一日海水變淡。16 世紀人類進入大航海時代，歐洲的航海家們開始嘗試在船上用火爐煮沸海水，待水蒸氣冷卻凝結得到淡水，開創了人工淡化海水的先河。經過數百年的探索，人類的夢想終于變為現實——通過脫鹽將海水變淡水的海水淡化技術，自20 世紀50 年代以來在全球70 多個國家獲得大規模運用，為人類獲取淡水資源開辟了持續可靠的新途徑。

2 國內水資源環境

我國作為世界上缺水嚴重的國家之一，近年來隨著經濟的發展、城市的增容和人口的增加，淡水資源缺乏問題日益嚴峻。據“第七屆中國西部科技進步與經濟社會發展專家論壇”的專家預測，在我國600 多個城市中，水資源狀況存在以下3 個特點。

（1）400 多個城市缺乏淡水。

（2）100 多個城市嚴重缺乏淡水。

（3）年缺水總量60 億m3。

我國解決水資源不足的主要措施包括跨流域調水、興修水庫、海水淡化、節約用水、防治水污染等。大規模跨流域調水工程如南水北調、引黃濟青、引灤入津等，在很大程度上調節了水資源空間分布不均衡，但也存在土地占用、管道和泵房建設、輸送過程中的污染風險等帶來的成本高昂問題。據有關資料，跨流域調水工程的建設成本和營運成本，在超過40km 時將大于海水淡化工程。

而海水淡化技術不僅可以使淡水總量增加，且不引入其他雜質，也不受氣候等外部因素影響，因此，如何在充分利用現有海洋資源的基礎上，利用海水淡化技術進行可持續水管理，提高飲用水的供給量，使飲用水來源更經濟、使用更合理，成為解決關系國計民生的缺水問題的關鍵。

根據國家自然資源部《2020 年全國海水利用報告》[3]，至2020年底全國共有135 個海水淡化工程，海水淡化水主要用于工業和生活兩個方面，其中工業用水主要集中于沿海城市的電力、冶金、鋼鐵等高耗水行業，生活用水僅限于海島地區和天津、青島兩地。圖1 為2020 年底我國現有165 萬t/d 海水淡化工程在沿海九個省市的分布。

圖1 2020 年全國沿海省市海水淡化工程規模分布

為進一步推進海水淡化技術規模化運用和海水淡化產業高質量發展，實現可持續的水資源管理，保障沿海地區水資源供應安全，2021 年6 月，國家發展和改革委員會、自然資源部聯合印發《海水淡化利用發展行動計劃》[4]，提出“十四五”時期我國要著力于實現以下4 項目標。

（1）提升海水淡化供水保障水平。

（2）擴大海水淡化在工業園區的利用規模。

（3）提高海島及船舶用水保障能力。

（4）拓展淡化利用技術應用領域。

3 海水淡化基本原理和主要方法

海水淡化又稱脫鹽，是利用物理、化學、生物等方法去除海水中多余的鹽分和礦物質，使水質滿足工農業生產和居民生活用水的要求。

自16 世紀末開始嘗試蒸餾法制淡水以來，人類在幾百年的探索中開發出二十多種脫鹽方法，究其基本原理主要分為兩大類，分別為從海水中分離出淡水（如蒸餾法、反滲透法）和除去海水中的鹽分（如電滲析法、壓滲析法）。

20 世紀50 年代以來，隨著二戰結束后的經濟發展和人口增加，水資源危機加劇，以蒸餾法和反滲透法為主流的海水淡化技術開始獲得大規模應用。

3.1 蒸餾法

（1）基本原理：蒸餾法又稱蒸發法，將海水加熱沸騰，逸出水蒸氣，再將蒸汽冷凝得到淡水。根據能源、設備及流程的不同，蒸餾法細分為多效蒸餾、多級閃急蒸餾、蒸汽壓縮蒸餾和太陽能蒸餾。圖2 為“蒸餾法”海水制淡水的實驗原理。

圖2 “蒸餾法”海水制淡水的實驗原理

（2）主要特點：蒸餾法對海水水質要求不高，即使污染嚴重的海水環境也能適用；產出的蒸餾水水質較高；裝置生產能力大；但同時能源消耗量也大。

（3）實際運用：蒸餾法由于使用時間最早，技術較為成熟，應用范圍頗為廣泛。現代工業中多用于發電廠和大型工業鍋爐的供水，淡化的海水量約占世界海水總淡化量的70%。

3.2 反滲透法

（1）基本原理：反滲透法又稱超過濾法，將僅滲透水而不滲透鹽的半透膜隔離在淡水與海水之間，此時淡水自然地滲透至海水，待海水一側液位升高至兩側壓力平衡，再通過高壓泵對海水一側施壓，使海水中的純水反滲透至淡水。圖3 為“反滲透法”海水制淡水的分步實驗原理。

圖3 “反滲透法”海水制淡水的實驗原理

（2）主要特點：由于反滲透法利用的是膜的物理滲透特性，分離淡水的推動力僅為壓力，因此耗能較少；反滲透膜不但可以除去海水中90%以上的溶解性鹽類，且可以脫除99%以上的有機物、微生物等。

（3）實際運用：反滲透淡化法所需能耗較低，可以風能、太陽能作為動力，不但經濟效益高，而且適應范圍廣，尤其適用電力等常規能源缺乏的地區。且常溫操作、設備簡單，所以近年來逐步得到廣泛運用，成為海水淡化技術的“主角”。

4 海水淡化“反滲透法”工藝流程

目前得到應用的十幾種海水淡化技術，雖然工藝流程各異、復雜程度不同，但遵循的基本分離原理一致。下面以全國首個日產10 萬m3飲用水的青島海水淡化項目的“反滲透法”為例，闡述海水淡化工程的主要工藝流程，如圖4 所示。

圖4 青島海水淡化工程主要工藝流程

4.1 取海水

海水淡化廠的取水口始于一個海水湖。取水泵站加壓取水，進水廊道設有攔污裝置，去除直徑大于5mm 的懸浮物。

4.2 預處理

海水沿輸水管道送至廠區，進入預處理工藝，經前過濾及超濾兩個系統，殺除海生物、去除懸浮物、添加必要的藥劑等。經微孔過濾器和超濾系統，可以去除91%以上的懸浮物。

4.3 反滲透

反滲透系統是海水淡化的最核心裝置。經預處理的海水通過一級反滲透系統，脫除海水中鹽分；經二級反滲透系統，進一步脫除硼元素。

4.4 后處理

后處理工藝中，通過投加二氧化碳、石灰、次氯酸鈉等化學試劑，調節產品水的pH，提高堿度和硬度，增強穩定性和飲用舒適度，同時殺菌滅藻消毒。

4.5 送水系統（淡化水）

淡化水過濾后進入產水管道，管道上安裝在線監測儀表，實時檢測水質。經取樣檢測，符合國家“生活飲用水衛生標準（GB 5749—2006）”[5]的產品水輸送至清水池，經輸水泵站增壓后輸送至市政管網。主要的水質指標包括以下6 項。

（1）pH：6.5÷8.5。

（2）氯化物（mg/L）：≤250。

（3）硫酸鹽（mg/L）：≤250。

（4）總溶解固體（mg/L）：≤1000。

（5）總硬度（CaCO3）：≤450mg/L。

（6）硼（mg/L）：≤0.5ppm。

4.6 排放系統（濃鹽水）

經反滲透裝置排放的濃鹽水，根據國家海洋行業標準《海水淡化濃鹽水排放要求》（HY/T 0289—2020）[6]，與污水處理廠的污水混合排放。

5 青島海水淡化體系建設現狀

青島位于山東半島東南部，瀕臨渤海與黃海。作為山東半島藍色經濟區的核心城市，青島本地水資源嚴重貧乏，人均淡水資源僅為全國平均水平的11%和世界平均水平的3%。

為改變青島市民排長龍打水和工廠缺水停工的面貌，1989年11 月引黃濟青工程建成通水，日供水30 萬m3，一定程度上緩解了青島的水荒。

為從根本上破解缺水困局，早在20 世紀50 年代起青島的水務專家和工程人員就開始研究海水淡化技術，近年來，青島市更是充分發揮科研優勢，全面推進海水淡化產業規模化發展，主要時間節點如下。

（1）2013 年1 月全國首個設計規模10 萬t/d 的海水淡化工程正式投產運營，供青島50 萬市民飲用。

（2）2021 年底青島建成海水淡化裝置5 套，設計海水淡化能力達22.4 萬t/d，約占全國已建成規模的1/7。

與此同時，青島積極參與全球海水淡化行業的合作交流，共同推動世界海水淡化產業的蓬勃發展，主要時間節點如下。

（1）2008 年5 月亞太脫鹽組織（APDA）在青島正式宣布成立，標志著以海水淡化為代表，以苦咸水淡化、飲用水凈化和工業純水制造為核心的亞太地區脫鹽事業的發展和壯大。至今，青島已連續承辦多屆“亞太脫鹽組織大會”。

（2）2005 年7 月青島首次舉辦“青島國際水大會”（2017 年前稱“青島國際脫鹽大會”），至今已成功舉辦十六屆，議題涵蓋海水淡化與水再利用各領域，成為亞太地區極富影響力的海水淡化產業交流平臺。

6 青島海水淡化體系拓展運用

青島擁有豐富的海洋資源，兼具強大的經濟實力、科研水平和技術條件，不僅肩負著保障青島本地水資源安全的歷史使命，同時以攜手其他沿海缺水地區，共同促進社會經濟可持續發展為己任。

結合《青島市海水淡化產業發展規劃》制定的中長期發展目標，本次探究對青島市海水淡化體系的拓展運用提出如下實施建議。

（1）加強青島本地海水淡化基礎設施建設，提高海水淡化水在飲用水資源中的配置比例，擴大海水淡化水在工農業和高耗水產業的利用。

（2）推廣青島作為海水淡化示范城市的積極影響，協助其他沿海缺水地區制定飲用水解決方案，開展海水淡化項目建設，提升海水淡化供給保障。

（3）借鑒海水淡化工廠建設，開發海水淡化船運營新模式，實現“向更浩瀚的海洋要水”。

海水淡化船的實質是一個小型的移動的“海水淡化廠”，在具備海水淡化廠的基本功能的同時，還具有以下優點：①取水：從深海域取水的水質優于近海取水，可簡化各級雜質處理系統，降低裝置維護成本。②排水：經反滲透裝置排放的濃鹽水，可在更加遠離人們生活區域的深海排放，降低環境污染的可能性，同時也減少了排水管道的建設成本。③供水：海水淡化船生產的成品水，可隨時運輸至其他缺水的沿海城市，成為這些地區名副其實的公共備用水源。

（4）將海水淡化項目建設拓展為海洋戰略性新興產業鏈，拓寬海水淡化技術的應用領域，如濃鹽水（苦咸水）綜合利用、污水資源化利用、水安全與保障創新技術、水環境治理與水生態修復等。

7 研究展望

水是可持續發展的核心。本次研究圍繞全球水資源緊缺這一關鍵問題，從海水淡化的主要方法和工藝流程等角度，論證了兼顧保護環境和科學發展的海水淡化產業的可持續發展，并基于青島海水淡化產業的發展現狀，探討了海水淡化體系進一步拓展運用的新思路。

邁入“十四五”以來，伴隨著“美麗中國目標基本實現”和“生態文明建設實現新進步”的遠景目標，國家對水處理領域提出了綠色發展和產業創新的要求。作為海水淡化與水再利用行業領頭羊的青島，將依托“青島國際水大會”的交流平臺及蓬勃發展的海水淡化產業，攜手各國共同探討新技術，發掘新機遇，分享新成果，共同推動世界海水淡化技術創新與產業發展。