海岛海水淡化关键因素探讨及系统设计

闫文文 谷东起 孙永根 黄沛 王恩康

（1 自然资源部第一海洋研究所 山东青岛 266061 2 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室 山东青岛 266100）

0 引言

海岛是推动海洋经济高质量发展、深化海洋生态文明建设、保障国家海洋权益的前沿阵地［1］。中国海岛数量众多，约90%以上的海岛淡水资源匮乏，地表淡水甚少。天然降水、船运补给是当前海岛淡水主要来源，但难以解决根本问题且代价高昂。海岛淡水资源匮乏是全球面临的普遍问题［3-5］，严重制约着海岛资源开发利用和海洋经济可持续发展，更关系到海岛人民的生命安全［6］。

向大海要淡水，成为解决海岛淡水需求的必然趋势［7］。与其它海岛供水方式相比，海水淡化具有占地面积小、投资额度小、建设周期短、水质安全、水量稳定、运行可靠、易于自动控制、受气候条件限制少等优点［8］，是解决海岛正常生产、生活、生态用水的重要途径。自然资源部海洋战略规划与经济司2020年10 月发布的《2019 年全国海水利用报告》显示，截至2019 年底，全国现有海水淡化工程115 个，工程规模1 573 760 m3/d（统计数据均未包括香港、澳门特别行政区和台湾省）［9］。其中，海岛地区现有海水淡化工程规模388 556 m3/d，约占总量的25%，主要集中在浙江（嵊泗、岱山、普陀）及福建和海南的海岛地区。

目前相关研究内容以海水淡化方法、取水方式、取水构筑物类型以及排水方式等单一比选分析为主［10-22］，可为非海岛地区的海水淡化方法和方式的选择提供初步比选方案和重要技术参考。然而，针对海岛自然环境特征、系统性开展海水淡化关键因素探讨分析和海水淡化系统设计的相关研究成果还较少，海岛保护利用与淡水缺乏之间的矛盾越来越大，严重制约着海岛经济的可持续发展。因此，探讨特殊海岛环境下的海水淡化主要影响因素，科学设计适宜的海水淡化系统，对海洋资源保护和开发利用具有重大意义。

1 海岛海水淡化关键因素探讨

1.1 淡化方法

海水淡化以热法和膜法为主，热法主要是低温多效蒸馏（LT-MED）和多级闪蒸（MSF）海水淡化工艺，膜法主要是反渗透（RO）［10-12］。多年的应用实践表明，这3 种工艺已成为沿海地区和海岛的最重要海水淡化方法［13］。其中，中东海湾国家以多级闪蒸工艺为主，因为其可进行大型化和超大型化建设，并且预处理费用低，能适应污染严重的海湾水；而中东以外地区则将反渗透工艺作为首选，因为反渗透的能耗和成本都具有较大优势［14］。截至2019 年底，全国应用反渗透技术的海水淡化工程97 个，约占工程总数的84%，生产淡水1 000 930 m3/d，占总出水量的64%［9］。

海岛环境特殊，海水淡化首先应考虑海岛远离陆地、空间有限、自然环境条件恶劣等因素，同时还要兼顾供水成本，对海水淡化装置性能要求更为苛刻。因此，设备简单、质量轻、易于维护、占地空间小、施工简单的反渗透成为主流海岛海水淡化工艺［15］，也是本研究推荐的海水淡化方法。当然，在海岛海水淡化的实际应用过程中，需要具体考虑工程的规模大小、原水水质、淡化成本、气候条件、技术及安全性要求等综合要素，最终确定采用哪一种海水淡化方法［16］。

1.2 取水方式

海水取水工程是海岛海水淡化系统外部配套设施的重要组成部分，其取水方式的适宜性与合理性是保证海水淡化设备持续、稳定运行的重要基础，是为海水淡化设备提供充足、持续、适合原水的重要保障［17］。根据目前研究情况，海水取水方式一般可分为间接取水、深海取水及浅海取水三大类［18］。不同的取水系统适用于不同的地区及淡化工艺。因此，需要根据实际情况设计海水取水工程方案。鉴于海岛周边海洋动力环境复杂，受浪、潮、流的影响较为剧烈，且海水中可能夹带大量的泥沙等原因，海岛区域存在取水较困难、海水淡化原水浊度较高等问题。因此，一般为保护反渗透膜组装置，有效降低海水淡化成本，要求海岛取水设施结构简单、施工便利以及原水水质较好。

为了取得满足需求的优质海水，降低海岛海水淡化成本。经过对比分析［18-19］，推荐海岛海水淡化取水方式宜采用岛岸式直接取水。该方式具有系统简单、施工量少、可集中运行管理等优势。同时，为降低浪、潮、流变化影响，减少海洋生物危害，可将泵房设置在距离海岸10 m～20 m 的位置，并为取水泵、管路等增加风浪防护加固措施。1 台水泵可单独设置1 条吸水管和至少2 套引水管线，并在引水管上设置闸阀，以保障取水安全和取水量充足。

1.3 取水构筑物

海水取水构筑物是为取集海水而设置的各种构筑物的总称，主要包括岸边式取水构筑物、海床式取水构筑物和潮汐式取水构筑物等［20］。适应海岛特点的海水取水构筑物，应满足安全可靠、工艺简单、能耗合理、管理方便等要求。经过对比分析［21］，结合取水方式，海岛海水淡化装置推荐采用泵式岸边取水构筑物设计。一般可使用内部带有泥沙初级过滤处理的吸水泵作为一级取水装置；二级取水装置为充填砾石、细砂或活性炭等物质的过滤沉淀池，去除原水中的颗粒物、有机物等；三级取水装置为机械、超滤装置，最后进入反渗透系统进行脱盐处理。

在实际的应用过程中，应准确分析水流速率与泥沙携带之间的关系，并根据用水需求，合理选择一、二、三级取水装置的搭配数量、结构和通量，与反渗透系统海水处理能力相匹配，才能够实现海岛取水构筑物与反渗透海水淡化系统之间的协调运行。

1.4 排水方式

海岛海水淡化排水方式的选择，应主要考虑浓盐水排放等问题。目前，常用的排放方式主要包括直接排放和再利用等，且以直接排放方式居多。直接排入海岛周边海域的浓盐水，对海洋生物的生长、发育、生殖、行为和分布等均有直接或间接的影响，可能导致渗透调节机制差的海洋生物体细胞产生质壁分离，从而引起代谢失调甚至死亡［22］。而将浓盐水进行再利用，如制盐、提取化工原料等，可在有效保护生态环境的同时，创造一定的经济效益。

为实现海岛区域浓盐水零排放，本研究推荐采用浓盐水存储后舶离海岛再处理或现场晒盐、提取等浓盐水综合利用方式，以达到避免海岛周边海域环境污染，保护海洋生态系统的目的。当然，在海岛海水淡化的实际应用过程中，需根据海岛自然环境、经济状况和生态环保要求等实际条件，综合确定浓盐水排放方式。

2 海岛海水淡化系统设计

中国自1997 年开始至今，已在浙江舟山、辽宁长海、山东长岛、海南西沙群岛和福建台山岛等地，建设了反渗透海水淡化装置，日产量从几吨到几万吨，极大地缓解了当地缺水状况［23］，海岛反渗透淡化装置总体发展前景较好。特别是那些靠自身解决电力供应问题的远陆海岛，适宜使用柴油机、太阳能、风能发电装置等提供动力，采用反渗透装置提供淡水。

2.1 系统组成

为满足取水便利、设备运行可靠、规模选择灵活、不受气候影响、制水成本较低等海岛海水淡化要求，综合考虑海岛离陆远、较孤立、面积小、生态环境脆弱等自然特征，设计了1 套适应性强、可操作性高的海岛海水淡化系统，其工艺流程见图1。

图1 海岛海水淡化工艺流程图

设计的海岛海水淡化系统主要包含四部分：第一部分为一级粗过滤系统，即图1 中a 区域，包括高压取水泵（带能量回收装置）、取水头网状围栏、加药装置及竖流沉淀池；第二部分为二级细过滤系统，即图1 中b 区域，包括机械过滤系统（带反冲洗装置）、超滤系统（带正反洗装置）和加药装置；第三部分为反渗透模组和pH 调节装置，即图1 中c 区域；第四部分为排水装置和浓盐水综合利用系统，即图1 中d 区域，其中排水装置包括一级粗过滤系统和二级细过滤系统的废水排放装置，以及反渗透模组的淡水和浓盐水排放装置；浓盐水综合利用系统主要包括晒盐池和储存、利用装置。

2.2 系统性能

为保证24 h 淡水供应，高压水泵、竖流沉淀池、机械过滤装置、超滤装置和淡化模组均设置2 台，其中1 台备用，并设置阀门进行主动控制和调节。如需水量临时激增，可同时开启备用设备，所产淡水量翻倍。竖流沉淀池中间以砾石、细砂或活性炭填充，采用底托钢结构，方便清洗与更换。机械过滤装置所选滤膜为价格低、过滤效果好、宜反冲洗和更换的纤维材质，底部设置进水增压泵，上部设置取水口，通过增压装置排入超滤系统。

经带有反冲洗装置的超滤系统处理后的海水，直接由高压泵泵入反渗透淡化机组。为确保泵体稳定性，系统设置了4套双泵装置，泵口处均安装Y 型除污器，在方便除污的同时保证至少有1 个高压泵可运行。反渗透淡化机组输出的淡水可直供用户，也可存入淡水罐。浓盐水则进入浓盐水池，进行晒盐、化学原料提取等综合利用。对于条件受限的海岛，可将浓盐水引入存储罐中，采取定期舶离方式，运送至陆地进行处理。

3 结论

海岛特殊的地理位置、自然环境，使得传统海水淡化方法适用性降低，而适应海岛脆弱生态环境、狭小地理空间、综合要求较高的反渗透海水淡化系统是解决海岛缺水问题的主要选择。对当前较适用于海岛海水淡化的淡化方法、取水方式、取水构筑物类型以及排水方式等进行了分析和推荐。淡化方法推荐采用膜法，取水方式推荐采用岛岸式直接取水方式，取水构筑物推荐采用泵式岸边取水构筑物设计，排水方式推荐采用浓盐水存储后舶离海岛再处理或现场晒盐、提取等浓盐水综合利用方式。

初步设计的1 套包含粗过滤装置、细过滤装置、反渗透模组以及排水回收装置的反渗透式海岛海水淡化系统，具有适用性强、稳定性好、取水便利、工艺简洁、出水量稳定、制水成本较低以及水质较好等特点，可在达到高质量、保数量供应海岛淡水的同时，实现浓盐水综合利用和零排放。

反渗透式海岛海水淡化系统在正常运行过程中，不会产生环境污染。该系统设备装置搭配灵活、供水量容易调节，对于条件允许的海岛，还可较为简单地实现自动化操作。相关系统设计人员可综合考虑实际需求和现实条件，在该系统的基础上进行进一步的优化升级和设计借鉴，因岛制宜，为海岛制定更为适宜的海水淡化设备配置和搭配组合方案，以实现更优的技术、经济合理性。