濃海水淡化技術及集成探討

馮天水

(天津渤化工程有限公司,天津300193)

1 濃海水危害

傳統的濃海水處理方式主要有排海、蒸發池排放、地表水排放、深井排放等[1]。國際上海水淡化廠濃海水的排放主要是直接排海或稀釋后排海，濃海水排海有很多危害[2]：①高鹽度：海水局部鹽度的升高對耐鹽性較差的海洋生物有致命影響，同時水體分層擾亂了生物鏈系統，造成深海物種和幼小個體的滅亡；②熱污染：濃鹽水的排放溫度一般比環境溫度高3～15℃，水溫升高導致水體溶氧量下降，改變了水體生物的生理機能，影響其生存繁殖；③腐蝕產物：濃海水淡化系統排出的濃鹽水含有銅、鐵、鎳、鉻等多種重金屬，排海對海洋生物的生長造成毒害作用，最終通過食物鏈的富集及傳遞進入人體，影響健康；④化學藥劑危害：濃海水淡化過程需加入阻垢劑、消泡劑、緩蝕劑、殺菌劑等多種藥劑，直接威脅水體生態環境。

2 濃海水淡化集成技術

基于單一海水淡化技術的應用局限，提出了單一技術之間的集成，充分發揮各技術的優勢，充分利用能量，降低能耗及成本。按集成深度分類，海水淡化集成形式主要有三類：①海水淡化技術與技術之間的集成：這類集成技術又可分為四種，一是熱法+熱法集成、二是熱法+膜法集成、三是膜法+熱法集成、四是預處理+海水淡化工藝集成[3]；②能源與海水淡化技術的集成：這類集成主要利用可再生新能源和裝置余熱驅動海水淡化工藝，提高了傳統熱能的利用效率，避免能源的浪費和污染；③發電-海水淡化-綜合利用的集成：這類集成是將海水淡化與上游電廠濃海水及下游鹽化工生產聯合，達到設計、生產和資源配置優化。

2.1 海水淡化技術與技術集成

陳靜等[4]設計了300t/d規模NF-RO雙膜耦合工藝，該工藝將濃海水脫硬，減少了膜污染，大幅提高了淡水產率，同時得到CaCO3、Mg(OH)2、Na2SO4等多種鹽產品。Zarzo等[5]研究基于蒸發結晶技術的海水零排放系統，利用蒸汽加熱進入蒸發器的水，能量回收利用，效率高于傳統的蒸發結晶系統。Turek[6]探討了ED-MSF-結晶海水淡化系統，ED系統處理后濃縮海水為100gTDS/L，MSF系統可繼續提升至300 gTDS/L(TDS:total dissolved solids)。Kavithaa等[7]研究了EDR-RO集成技術處理濃海水，實驗表明EDR-RO集成可濃縮海水至1.25×105mg/L，淡水回收率為77%。包偉等[8]對寧夏某火電廠的高鹽廢水提出4個“零排放”方案并進行多方面的比較，認為方案：石灰Na2CO3軟化→RO膜濃縮→EDR濃縮→蒸發結晶更為合理，實用性更好。雖然該方案耗電量較高，但電滲析技術在國內外已趨于成熟，且電廠有獨有的電能源條件，可以滿足現行裝置的運行要求。Davis[9]提出了RO-ED-NF-EC集成膜的海水綜合利用技術，預處理后的海水用RO裝置進行海水淡化，濃海水進入電滲析器進一步濃縮。濃海水提溴后再進行蒸發結晶，大部分濃縮液蒸發得到粗鹽，小部分進入離子膜電解裝置制得NaOH及Cl2，電滲析稀釋側通過NF膜分離一、二價離子，二價離子溶液加堿制備Mg(OH)2，一價離子返回RO膜形成閉路循環，實現了濃海水的綜合利用。

2.2 能源與海水淡化技術集成

王軍等[10]利用太陽能轉化為熱能及電能，為海水淡化提供動力，同時應用電磁技術，對海水進行預處理，有殺菌、除菌和磁化作用，經磁化的海水經過滲透膜時滲透壓也更低。Hou S等[11]研究了太陽能-MSF技術，指出MSF必須維持較高的溫度變化范圍才能取得更高的效率；操作過程中還必須嚴格控制系統壓力，測定了壓力在0.014～0.010MPa范圍內變化時濃縮率的變化。陳暉等[12]設計開發了一種新型太陽能-風能聯合海水淡化裝置，利用直軸風力機驅動攪拌加熱器，實現風能→熱能的直接轉化，提高了海水蒸發速度。朱法軍等[13]研究了風力發電與RO海水淡化集成系統，依照風力發電量控制RO膜的產水量，實現發電量與產水量的智能控制形成一個循環系統，發揮了產業聯動的優勢形成海水和風能循環利用的產業模式。Sharmila等[14]開發了振蕩水柱式(OWC)海水淡化裝置，空氣柱隨著海水波浪的升降不斷膨脹和壓縮產生能量，沖擊式透平機從中提取能量并轉化為電能，來驅動RO膜海水淡化裝置。

2.3 發電-海水淡化-綜合利用集成

天津北疆電廠采用了電-水-鹽聯合生產的循環產業模式，首先用熱法提取電廠濃海水中的溴素，提溴后濃海水排入漢沽鹽場的鹽田制鹵系統曬鹽，生產原鹽和精制鹽，制鹽母液進入鹽化工廠制取 KCL、MgSO4、Mg(CL)2等無機鹽產品。

Ahmed等[15]提出電-水-鹽聯產的方法，海水淡化的低品位熱源及濃海水利用太陽能池發電；苦鹵可以繼續提取，發展制鹽和鹽化工，解決了發電和海水淡化過程的環境及能源浪費問題。

3 結論

3.1 利用多種膜技術的集成或者膜技術與其它工藝的耦合技術處理海水淡化、沿海電廠發電等產生的濃海水，能夠實現多種單一淡化技術的優勢互補，同時提高各種規格淡水回收率，降低能耗。

3.2 熱法和膜法海水淡化技術都以消耗能源為代價，充分利用太陽能、風能、核能等可再生能源及潮汐能、溫差能、深海靜壓、波浪能等海洋可再生能源，與海水淡化技術集成，能大幅減少甚至取消對外來能源的消耗，同時不產生二次污染。

3.3 海水淡化成本主要集中于電量和蒸汽的大量消耗，通過水-電聯產，利用電廠的電力及蒸汽為海水淡化裝置提供動力支持，同時調整產電與產水比例，實現各類能源的高效利用，降低海水淡化成本。

3.4 如果能實現濃海水淡化工藝與上游電廠及下游相關化工廠的聯合生產，可以使資源集成，最大程度實現副產及能量的充分利用，真正做到濃海水“零排放”，實現各相關企業利益最大化。