浓海水淡化技术及集成探讨

冯天水

(天津渤化工程有限公司,天津300193)

1 浓海水危害

传统的浓海水处理方式主要有排海、蒸发池排放、地表水排放、深井排放等[1]。国际上海水淡化厂浓海水的排放主要是直接排海或稀释后排海，浓海水排海有很多危害[2]：①高盐度：海水局部盐度的升高对耐盐性较差的海洋生物有致命影响，同时水体分层扰乱了生物链系统，造成深海物种和幼小个体的灭亡；②热污染：浓盐水的排放温度一般比环境温度高3～15℃，水温升高导致水体溶氧量下降，改变了水体生物的生理机能，影响其生存繁殖；③腐蚀产物：浓海水淡化系统排出的浓盐水含有铜、铁、镍、铬等多种重金属，排海对海洋生物的生长造成毒害作用，最终通过食物链的富集及传递进入人体，影响健康；④化学药剂危害：浓海水淡化过程需加入阻垢剂、消泡剂、缓蚀剂、杀菌剂等多种药剂，直接威胁水体生态环境。

2 浓海水淡化集成技术

基于单一海水淡化技术的应用局限，提出了单一技术之间的集成，充分发挥各技术的优势，充分利用能量，降低能耗及成本。按集成深度分类，海水淡化集成形式主要有三类：①海水淡化技术与技术之间的集成：这类集成技术又可分为四种，一是热法+热法集成、二是热法+膜法集成、三是膜法+热法集成、四是预处理+海水淡化工艺集成[3]；②能源与海水淡化技术的集成：这类集成主要利用可再生新能源和装置余热驱动海水淡化工艺，提高了传统热能的利用效率，避免能源的浪费和污染；③发电-海水淡化-综合利用的集成：这类集成是将海水淡化与上游电厂浓海水及下游盐化工生产联合，达到设计、生产和资源配置优化。

2.1 海水淡化技术与技术集成

陈静等[4]设计了300t/d规模NF-RO双膜耦合工艺，该工艺将浓海水脱硬，减少了膜污染，大幅提高了淡水产率，同时得到CaCO3、Mg(OH)2、Na2SO4等多种盐产品。Zarzo等[5]研究基于蒸发结晶技术的海水零排放系统，利用蒸汽加热进入蒸发器的水，能量回收利用，效率高于传统的蒸发结晶系统。Turek[6]探讨了ED-MSF-结晶海水淡化系统，ED系统处理后浓缩海水为100gTDS/L，MSF系统可继续提升至300 gTDS/L(TDS:total dissolved solids)。Kavithaa等[7]研究了EDR-RO集成技术处理浓海水，实验表明EDR-RO集成可浓缩海水至1.25×105mg/L，淡水回收率为77%。包伟等[8]对宁夏某火电厂的高盐废水提出4个“零排放”方案并进行多方面的比较，认为方案：石灰Na2CO3软化→RO膜浓缩→EDR浓缩→蒸发结晶更为合理，实用性更好。虽然该方案耗电量较高，但电渗析技术在国内外已趋于成熟，且电厂有独有的电能源条件，可以满足现行装置的运行要求。Davis[9]提出了RO-ED-NF-EC集成膜的海水综合利用技术，预处理后的海水用RO装置进行海水淡化，浓海水进入电渗析器进一步浓缩。浓海水提溴后再进行蒸发结晶，大部分浓缩液蒸发得到粗盐，小部分进入离子膜电解装置制得NaOH及Cl2，电渗析稀释侧通过NF膜分离一、二价离子，二价离子溶液加碱制备Mg(OH)2，一价离子返回RO膜形成闭路循环，实现了浓海水的综合利用。

2.2 能源与海水淡化技术集成

王军等[10]利用太阳能转化为热能及电能，为海水淡化提供动力，同时应用电磁技术，对海水进行预处理，有杀菌、除菌和磁化作用，经磁化的海水经过渗透膜时渗透压也更低。Hou S等[11]研究了太阳能-MSF技术，指出MSF必须维持较高的温度变化范围才能取得更高的效率；操作过程中还必须严格控制系统压力，测定了压力在0.014～0.010MPa范围内变化时浓缩率的变化。陈晖等[12]设计开发了一种新型太阳能-风能联合海水淡化装置，利用直轴风力机驱动搅拌加热器，实现风能→热能的直接转化，提高了海水蒸发速度。朱法军等[13]研究了风力发电与RO海水淡化集成系统，依照风力发电量控制RO膜的产水量，实现发电量与产水量的智能控制形成一个循环系统，发挥了产业联动的优势形成海水和风能循环利用的产业模式。Sharmila等[14]开发了振荡水柱式(OWC)海水淡化装置，空气柱随着海水波浪的升降不断膨胀和压缩产生能量，冲击式透平机从中提取能量并转化为电能，来驱动RO膜海水淡化装置。

2.3 发电-海水淡化-综合利用集成

天津北疆电厂采用了电-水-盐联合生产的循环产业模式，首先用热法提取电厂浓海水中的溴素，提溴后浓海水排入汉沽盐场的盐田制卤系统晒盐，生产原盐和精制盐，制盐母液进入盐化工厂制取 KCL、MgSO4、Mg(CL)2等无机盐产品。

Ahmed等[15]提出电-水-盐联产的方法，海水淡化的低品位热源及浓海水利用太阳能池发电；苦卤可以继续提取，发展制盐和盐化工，解决了发电和海水淡化过程的环境及能源浪费问题。

3 结论

3.1 利用多种膜技术的集成或者膜技术与其它工艺的耦合技术处理海水淡化、沿海电厂发电等产生的浓海水，能够实现多种单一淡化技术的优势互补，同时提高各种规格淡水回收率，降低能耗。

3.2 热法和膜法海水淡化技术都以消耗能源为代价，充分利用太阳能、风能、核能等可再生能源及潮汐能、温差能、深海静压、波浪能等海洋可再生能源，与海水淡化技术集成，能大幅减少甚至取消对外来能源的消耗，同时不产生二次污染。

3.3 海水淡化成本主要集中于电量和蒸汽的大量消耗，通过水-电联产，利用电厂的电力及蒸汽为海水淡化装置提供动力支持，同时调整产电与产水比例，实现各类能源的高效利用，降低海水淡化成本。

3.4 如果能实现浓海水淡化工艺与上游电厂及下游相关化工厂的联合生产，可以使资源集成，最大程度实现副产及能量的充分利用，真正做到浓海水“零排放”，实现各相关企业利益最大化。