海岛海水淡化技术现状及发展前景

魏鸿波

(中国人民解放军92808部队,海南 海口 570203)

我国海岛众多,面积大于500 m2的海岛超过7 300个,有常驻居民的岛屿500余个,已利用的无居民海岛1 900余个。党的十八大提出了海洋强国战略,即提高海洋资源开发能力,发展海洋经济,保护海洋生态环境,坚决维护国家海洋权益,建设海洋强国[1]。但由于水资源时空地域分布不均匀的限制以及海岛地层、岩性、构造、地貌等影响,我国海岛地区的水资源短缺与供水矛盾不断加剧,严重影响和制约了海岛的开发建设。因此,解决海岛水资源短缺和水质差问题,对保障海岛正常生产生活和发展海岛经济已经迫在眉睫[2]。

目前,解决海岛淡水资源匮乏主要有以下几种途径:常规水源、大陆供水、非常规水源[3]。近岸岛屿供水多依靠大陆引水,但我国多数岛屿离大陆较远,淡水资源主要靠天然降水和船运,补给量有限且船运供水成本高,难以维持居民生活和进行持续开发的需求。海水淡化作为淡水资源增量技术[4],具有水源丰富、水质安全、供给稳定等优势。文章从海水淡化技术现状、海岛地区适用性以及发展趋势等方面进行了分析和阐述,对解决海岛淡水供应难题,促进海岛开发建设方面具有现实意义。

1 海水淡化技术应用现状

1.1 我国海水淡化技术发展

我国已经掌握低温多效蒸馏和反渗透海水淡化技术,形成了系统集成和工程成套能力,具备了产业化发展的基础和条件[5-6]。我国高度重视海水淡化,特别是随着新型城镇化进程加快与水资源时空分布不均、水体污染等矛盾突出[7],以及海岛开发及海洋强国战略的实施,更好地促进了海水淡化发展。先后在天津、青岛、大连、唐山、舟山等沿海严重缺水城市和海岛地区,着力推进海水淡化在石化、核电、钢铁等高耗水行业的应用,在保障工业用水和市政用水方面发挥了重要作用。

海水淡化是增加水资源供给、优化水资源结构的重要手段。根据自然资源部发布的《2021年海水利用报告》,全国已建海水淡化工程144个,产能规模超过185万t/d。其中,海岛地区达到45万t/d,约占24%,为海岛水资源安全提供了重要保障。从长远发展来看,我国近三年建成的工程规模约66万t/d,占35%以上,海水淡化大规模应用已经驶入“快车道”,呈现出技术日趋成熟、规模增长迅速、市场竞争愈加激烈、新技术研发活跃等发展趋势。

1.2 海岛海水淡化技术应用现状

20世纪70年代,我国开始进行海岛海水淡化技术研究,1970年～1972年间成功研制淡水7 t/d和14 t/d两种类型的电渗析装置,用于海岛饮用水的制备。1985-01,我国第一座海岛海水淡化工程在西沙永兴岛建成,标志着我国海水淡化技术进入生产应用阶段。该装置由我国自主设计并制造,采用电渗析技术,最高淡水产量为200 t/d,每吨水的造价仅为船运淡水成本的1/4左右。

近年来,在政策扶持和技术进步的共同作用下,我国海岛海水淡化迎来蓬勃发展。1981年～2021年我国海岛海水淡化规模变化趋势见图1。

图1 我国海岛海水淡化产能趋势[8]Fig.1 Trend of seawater desalination capacity on Chinese islands

从图1可以看出,我国海岛海水淡化产能增长非常迅速,已由200 t/d增至45万t/d以上。在能源供给稳定的大型海岛,海水淡化技术已广泛推广应用。可以预见,随着海岛淡水需求的不断增大,以及海水淡化技术的不断进步,海岛海水淡化工程数量和规模仍将保持较高的增长趋势。

2 海岛海水淡化技术选择

2.1 海岛海水淡化选择需要考虑的因素

根据全国海域海岛地名普查成果统计表明:在有常住居民的海岛中,目前有208个海岛靠大陆管线引水、船送饮水和海水淡化,其余270余个海岛只能靠天吃水,普遍存在缺水或严重缺水情况。作为非常规水源的海水淡化技术,将是解决海岛水资源短缺的最优淡水供应方式。

在技术选择方面,应首先考虑海岛远离陆地、空间有限以及高温、高湿、高盐环境特点,从技术成熟度、设备质量、占地空间、施工维护简单等方面进行综合分析,同时兼顾供水成本和能耗,尤其对装置可靠性要求更为苛刻。当然,在实际应用时,还需要具体结合工程规模大小、原水水质、淡化成本、供电条件、技术及安全性等综合要素,因地制宜地选择采用哪一种海水淡化方法。

2.2 海水淡化技术在海岛的适用性

目前海水淡化方法主要分为蒸馏法和膜法两大类,其中低温多效(MED)、多级闪蒸(MSF)和反渗透(RO)是大规模商业化应用的三大主流技术。对于中小型海岛,蒸馏法必须有低成本热源工况,应用局限性较大,反渗透法占有更大的技术优势。对于大型海岛,一般与大陆海水淡化工程类似,可以采用水电联产的方式,利用电厂的低品位热源、电力与蒸馏法或反渗透法海水淡化相耦合,共同实现各种能源高效利用,综合经济效益较为显著。

反渗透海水淡化只需要外界提供电力,具有占用空间小,自动化程度高,规模灵活性大等特点,在浙江、辽宁、山东、海南等海岛地区得到广泛应用,极大地缓解了当地的缺水状况。自1997年开始,我国先后在浙江舟山、辽宁长海、山东长岛、海南西沙群岛和福建台山岛等地,进行了反渗透示范工程建设,开发了典型海岛地区反渗透工艺技术路线(见图2),研建了日产量从几吨到几万吨的岛用反渗透淡化装置,为海岛地区提供了稳定可靠的淡水供应。据不完全统计,95%以上的海岛海水淡化工程采用反渗透法。

图2 典型海岛地区反渗透工艺流程图Fig.2 Flow chart of reverse osmosis process for typical island area

蒸馏法海水淡化需要同时提供热源和电力,具有操作简单,方便维护,淡水水质好等特点,适用于具备低品位热源工况的海岛应用。近年来,国内研究机构为更好降低制水成本,通常利用柴油发电机在运行过程中排放的烟气、柴油机缸套水等余热资源(其成本可以忽略),与蒸馏淡化装置耦合来生产高品质淡水,其工艺流程见图3。

图3 柴油机余热耦合蒸馏淡化工艺路线图Fig.3 Process roadmap for coupled distillation and desalination of diesel engine waste heat

3 海岛海水淡化存在的问题

3.1 能源供应能力限制海岛海水淡化

我国沿海岛屿尤其是离岸较远的岛屿,如三沙、南沙等众多岛屿,所用的能源模式单一,能源供应有限,主要依靠柴油机发电。即使岛上建有发电厂,电能供应也并不十分充足。将有限电能的一部分用于海水淡化,虽然淡水缺乏问题得到缓解,但是势必会影响岛上正常生产或生活用电。因此,必须打破海岛海水淡化能源模式单一的壁垒,才能保证居民水电、资源开发用电需求同时得到满足。

3.2 海岛海水淡化的运行维护难度大

海岛开发初期投用的海水淡化装置普遍存在自动化程度不高、操作强度大等特点,需要专业人员对设备进行现场操作和维护[10]。与大陆近海地区相比,海岛交通不便,设备一旦发生故障,人员进行修理的响应时间较长,将给岛上的生产生活造成严重影响。近年来,随着物联网技术、故障预测与诊断以及远程监测等技术的发展,我国海岛地区新建设的海水淡化装置在自动化操作及维护水平得到了极大提升,保障了供水可靠性和稳定性。

3.3 海岛海水淡化设计标准和规范尚未形成

我国海岛在东南沿海成链条状分布,南多北少,纬度跨度大,自北向南不同海域的环境和海水物理性质都存在差异,南部海域的温度和湿度较高,北部海域温度较低。海水的温度、pH值以及环境湿度等因素,直接影响到岛用海水淡化装置的维护频率和生产效率。我国尚未建立系统的、规范的海岛海水淡化工程设设计标准和规范。不同海岛上的海水淡化工程,均需要进行现场踏勘评估、需求量分析、气候监测等环节,导致设计费用和投资成本增加,还可能影响项目建设工期。

4 未来发展方向及前景分析

(1)传统技术在海岛的适用性将逐渐增强。经过多年的发展,以反渗透和蒸馏为主的主流海水淡化技术成熟度较高,但是不同的技术都具有各自的特点,对于不同的、复杂多变的海岛环境的适用性也有显著差别。随着对传统海水淡化海岛适用技术的深入研究,其在海岛上的适用性势必将逐渐增强,可较好地满足海岛淡水供应需求。

(2)新能源与海水淡化耦合应用前景广阔。利用可再生能源进行海水淡化已经越来越多地应用在我国缺水缺电的海岛,但规模还比较小。随着传统能源使用成本的持续上升和可再生能源利用技术的快速发展,可再生能源在海水淡化领域的应用将更为深入和广泛。

(3)新型海水淡化技术研究和应用将成为热点。电渗析、膜蒸馏、增湿去湿蒸发技术、界面蒸发技术和分子筛膜蒸馏技术等新型海水淡化方法的快速发展,为海岛海水淡化的推广应用开辟了新的途径,在不同类型海岛上的应用也成为世界范围内的研究热点。

5 结语

海岛是壮大海洋经济的重要依托,是维护国家海洋权益的战略前沿,是建设海洋强国和构建美丽中国不可或缺的特殊拼图,必须解决好海岛淡水供应紧缺问题。海水淡化作为水资源增量技术,在国内外得到广泛应用,也必将成为我国多数海岛的主要供水方式之一。

基于此,文章对我国海岛海水淡化的淡化方法、技术选择、应用进展等进行了分析,总结出海岛地区应用中存在的主要问题,包括海水淡化能耗较高、能源供应有限、设备维护工作难度较大、不同海水及环境条件对产水量影响较大等。此外,文章研究概括了海岛海水淡化的工艺选择和可再生能源的不稳定性问题,总结了海岛海水淡化的发展趋势,最后提出了海岛海水淡化发展过程中存在的问题及对策建议。文章研究成果将为确定海岛地区海水淡化技术工艺方法、发展方向提供良好的借鉴。