水处理

缺水的中国与海水淡化历程

2020-03-06 17:23:16 海洋档案

小伙伴们在地理课上可能都学到过,地球上71%的面积被海洋覆盖,水总体积约有13亿8600万立方千米,海洋约占地球总水量的96.53%,湖泊咸水和地下咸水占0.94%,而淡水资源只占总水量的2.53%,再除去无法取用的冰川和高山冰冠中的水,陆地上可利用的淡水湖、地下水和河流的水量不到地球总水量的1%。

根据联合国的数据,到2025年,全球约有18亿人可能面临“绝对缺水”的局面,全球三分之二的人口可能面临淡水供应紧张或限制。

我国水资源总量为2.8万亿立方米,可以说是很丰富了,但人均水资源量只是世界平均水平的四分之一,每亩耕地水量也只有世界平均值的三分之二,是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。

对资源丰富的海水加以开发和利用,使之变成淡水,一直是多国探索的方向,海水淡化则成为沙特阿拉伯、以色列等内陆国家淡水的重要来源,伴随着全球气候变化、人口增长、材料科学的进步等因素,海水淡化利用将在人类发展中扮演更加重要的角色。

1 水资源缺乏——中国的难题

根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的说法,大量证据表明气候系统变暖是毫无疑问的。目前全球平均温度比一个世纪前高了0.74℃。而这个微小的变化足以改变世界的许多地区降雨强度和持续时间,引发更多的干旱。

随着全球气温升高,饮用水和灌溉用水的需求量都将增加。在20世纪,人类对淡水的消耗增加了9倍,而以前由雨水自然灌溉的农作物则需要采用人工灌溉。

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据世界卫生组织估计,目前有超过20亿人得不到生活所需的干净淡水,这也是导致每年200万人死亡的间接原因,而这些人很多却都生活在具有漫长海岸线的国家。

中国水资源的时空分布很不均匀,就空间分布来说,长江流域及其以南地区,水资源约占全国水资源总量的80%,但耕地面积仅为全国的36%左右,黄河、淮河、海河流域,水资源只有全国的8%,而耕地则占全国的40%。

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中国用全球7%的水资源养活了占全球21%的人口,据有关部门预测,中国缺水的高峰将在2030年出现,那时人口将达到16亿,全国实际可利用水资源量接近合理利用水量上限,水资源开发难度极大,若不采取有效措施,届时因缺水造成的损失将更加巨大。

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2 中国海水淡化的发展历程

1920年前后,中国在山东省威海市刘公岛上已有了一座海水淡化蒸馏塔。蒸馏塔占地612平方米,与1560年突尼斯陆基海水淡化厂和1872年智利出现的世界上第一台太阳能海水淡化装置隶属同原理基础蒸馏海水淡化项目。

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1958年,国家海洋局第二海洋研究所首先在我国开展离子交换膜电渗析海水淡化的研究。

1965年,山东海洋学院在国内最先进行反渗透CA不对称膜的研究。

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1970年,海水淡化会战主力汇集杭州,组织了全国第一个海水淡化研究室。

1981年,第一个日产200吨的电渗析海水淡化站在西沙群岛建成。

1982年,中国海水淡化与水再利用学会经中科协学会部批准在杭州水处理技术研究开发中心成立。

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1984年,国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所成立,开始蒸馏法海水淡化装置研究。

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1985年1月16日,我国第一座海水淡化工厂在西沙群岛永兴岛建成投产。

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1987年,大港电厂从美国引进2套3000m³/dMSF海水淡化装置,与离子交换法结合,解决锅炉补给水的供应。

1997年,我国第一套500m³/d反渗透海水淡化装置在浙江舟山嵊山县投产建成,开创了国内海水淡化规模化应用的历史先河。

2000年,河北沧州建设18000m3/d反渗透苦咸水淡化厂。

2003年,山东荣成建成万吨级反渗透海水淡化示范工程;同年,河北黄烨发电厂引进20000m³/d多效蒸馏海水淡化装置。

2004年,我国首台我国自主知识产权的3000m³/d低温多效蒸馏海水淡化工程在山东黄岛。

2005年,《海水利用专项规划》作为第一个指导性纲领文件正式发布。

2016年12月28日国家发展改革委、国家海洋局共同出台《全国海水利用“十三五”规划》,规划中明确提出:“以水定产、以水定城”和“推动海水淡化规模化应用”,推动海水利用技术应用于西部苦咸水地区,促进海水利用走进“一带一路”沿线国家。到2020年,全国海水淡化总规模达到220万吨/日以上,沿海城市新增海水淡化规模105万吨/日以上,海岛地区新增海水淡化规模14万吨/日以上。

3 中国海水淡化的现状

自然资源部2019年12月30日发布《2018年全国海水利用报告》。

截至2018 年底,全国已建成海水淡化工程142个,工程规模 1201741 吨/日(图 1)。其中,2018年,全国新建成海水淡化工程5个,新增海水淡化工程规模 12536吨/日,分布在浙江和广东(图 2),主要用于海岛生活用水和沿海城市工业用水。

全国已建成万吨级及以上海水淡化工程36个,工程规模 1059600吨/日;千吨级及以上、万吨级以下海水淡化工程41个,工程规模 129500 吨/日;千吨级以下海水淡化工程65个,工程规模 12641吨/日(图 3)。全国已建成的海水淡化工程最大单体规模为 200000吨/日。

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截至2018年底,全国海水淡化工程分布在沿海9个省市(图 4)水资源严重短缺的城市和海岛。北部海洋经济圈以大规模的工业用海水淡化工程为主,主要集中在天津、山东、河北等地的电力、钢铁等高耗水行业;东部、南部海洋经济圈以民用海岛海水淡化工程居多,主要分布在浙江、广东等地,以百吨级和千吨级工程为主。

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截至2018年底,全国应用反渗透(RO)技术的工程121个,工程规模 825641 吨/日,占总工程规模的68.70%;应用低温多效(MED)技术的工程16个,工程规模 369150 吨/ 日,占总工程规模的30.72%;应用多级闪蒸(MSF)技术的工程1个,占总工程规模的0.50%;应用正渗透(FO)技术的工程1个,占总工程规模的0.04%;应用电渗析(ED)技术的工程3个,占总工程规模的0.04%(图5)。

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2018年,沿海地区不断提高海水淡化产能利用率,重点监测的6个5万吨/日以上规模的海水淡化工程总产水量约9000万吨,为保障沿海缺水地区水资源供给发挥了重要作用。

此外,我国企业积极承揽海外海水淡化工程,服务“一带一路” 建设。上海电气电站集团、杭州水处理技术研究开发中心有限公司、自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所助力文莱、越南、委内瑞拉、巴基斯坦、吉布提的海水淡化建设。

4 世界海水淡化漫谈

对海水做脱盐的处理可以追溯到公元前1400 年,一些海边居民通过简单蒸馏获取淡水;至公元 200 年,简易的海水蒸馏装置开始出现,主要用于远航船上为船员提供淡水;1560 年,世界上第一个陆基海水脱盐厂在突尼斯的一个海岛上建成。

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19世纪,伴随着蒸汽机的发明,出现了浸没式蒸馏器;1872年,智利研发出了世界首台太阳能海水淡化装置,日产2万立方米淡水;1884年,英国建成第一台船用海水淡化器;1898年,俄罗斯投产了本国第一家基于多效蒸发原理的海水淡化工厂,日产淡水达到1230立方米。

20世纪早期,仅有少数几个国家,英国、美国、法国和德国掌握海水淡化设备制造技术,也只有在蒸汽轮船上和中东少数几个港口使用到海水淡化装备。

现代意义上的海水淡化技术则是在第二次世界大战以后才发展起来的。1954年,电渗析海水淡化装置问世。同年,世界上第一座海水淡化工厂建于美国,现在仍在得克萨斯的弗里波特运转着。1957年,多级闪急蒸馏法海水淡化技术(MSF)揭开了海水淡化发展历史上的新一页。

1960年,反渗透法海水淡化装置问世。1975年,低温多效海水淡化技术在原有多效蒸馏基础上进行改进后,得到一定规模的推广。20世纪80年代以来,反渗透技术不断取得突破,使其成为耗能最低、投资运行最快的海水淡化技术,得到迅速的发展。

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目前,海水淡化产业及装置已覆盖沙特阿拉伯、以色列、意大利、希腊等中东和地中海沿岸国家、以及美国、英国、中国、日本和澳大利亚等世界150多个国家和地区。

其中,中东地区因水资源严重匮乏,同时又是石油资源富集地区,经济实力雄厚,对海水淡化技术和装置的迫切需求及海水淡化发展的经济基础使得该地区成为目前世界海水淡化装置的主要分布地区,仅这一地区的沙特、阿联酋、科威特、卡塔尔和巴林五国的海水淡化装置总产水量,就占到全球总量的44.3%。

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在有些波斯湾沿岸国家,海水淡化量已占本国淡水使用量的80%~90%。与之形成对比的是,全球第一个现代海水淡化工厂的诞生地美国的海水淡化总量仅占到全球的15%,而技术相对发达的欧洲,占比也仅为12%。

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目前的数据显示,沙特仍然是全球第一大淡化海水生产国,其产量约占全球总产量的18%。2015年,以色列70%的水来自海水淡化,还产生了全球知名的海水淡化公司IDE。

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