海洋论坛▏聚焦海水淡化技术及其发展应用

水是基础性自然资源和战略性经济资源，人口、资源和环境，是当今世界所面临的三项重大发展问题，而在资源问题中，水资源是各种资源中人类最不可或缺、无法替代的资源之一。尤其近年来人类趋海活动的持续加快，水资源短缺已经成为制约沿海经济社会发展的重要瓶颈，严重影响了社会的持续发展和人民生活水平的提高。

一、海水淡化的意义

人类真正可以利用的淡水资源是江河湖泊和地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26%。目前，全世界约有10亿多人面临着水资源短缺的问题，据有关专家估计，大约至2025年，世界将有近一半人口生活在严重缺水的地区，水资源危机已经成为严重制约人类可持续发展的重要因素之一。我国水资源总量2.81万亿m³，居世界第6位，但人口为世界人口的四分之一，人均水资源为世界第108位，是世界上21个贫水国家之一。全国有10个省、市、自治区的人均水资源占有量不足1000m³，黄河、淮河流域人均水资源占有量501m³，仅为全国平均水平的1/5，世界平均水平的1/16。全国有300多个城市缺水，其中110多个严重缺水，尤其是北方沿海地区和众多岛屿普遍缺水，已严重影响到国民经济的发展和人们的生活质量。

地球表面总水量的97.3%为海水，其余2.7%为淡水，其中的90%为覆冰，可供工农业和城市用水仅0.27%，因此从这个意义上说，海水才是取之不尽、用之不竭的主要水源。因而，近年来海水淡化技术倍受关注。许多国家都已将开发和合理利用淡水资源提升到战略层面，海水淡化作为实现水资源可持续利用的开源增量技术，已成为全球解决沿海地区淡水资源短缺危机的重要手段。

解决我国水资源危机必须实行水资源综合治理，一方面大力推广各种节水技术、节水措施，建立节水型工业和农业；另一方面，开发长期、稳定的淡水资源，增加淡水资源供应量也是行之有效的措施之一。特别在沿海城市，淡水效益的不断提高为海水淡化提供了经济条件；海水淡化技术的日臻完善，并与其它生产相结合的海水淡化技术的发展，为开发海水中的淡化水资源提供了技术条件。从目前经济、技术条件和水资源供求状况来看，发展海水淡化技术，向海洋要淡水是沿海国家和地区解决淡水资源供需矛盾的有效途径，也是沿海城市解决淡水危机的必然趋势。

二、海水淡化的发展历程

最早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；公元3世纪，当时的水手用海绵吸收海水蒸发出的水蒸气，然后将凝结的淡水挤出以供旅途之需；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；1675年和1680年海水蒸馏淡化的专利在英国诞生，并开始出现对海水蒸馏淡化的报道。海水淡化真正实现装机应用是在18世纪后期，最早的海水淡化处理厂于1881年在地中海一个名为“Malta”的岛上建成，岛上的大部分饮用水全部来源于海水淡化处理。在17、18世纪，在大海上航行的船员们把简单的蒸馏器安装在厨房的火炉上，将水蒸汽冷却而得到供饮用的淡水。19世纪以来，伴随着蒸汽机的发明，各个殖民国家鉴于开拓对航海的发展，开始对海水淡化进行研究，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1230m³。

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。二次世界大战期间，海水淡化以蒸馏法为主得到大力发展，战后中东地区石油遭到国际资本的大力开发，为解决该地区淡水资源短缺问题，海水淡化产业在大规模化发展。1954年，电渗析海水淡化装置问世。1957年，R S Silver和A Frankel发明的多级闪急蒸馏法海水淡化技术（MSF）克服了多效蒸发易结垢、易腐蚀的缺点，揭开了海水淡化发展历史上的新一页，迅速在中东地区得以应用发展，标志着海水淡化进入大规模实际应用新阶段。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年代中期之后，随着反渗透膜性能提高、价格下降、能量回收效率的提高等技术的发展，成为投资最省、成本最低的海水淡化制取饮用水的过程。由于水资源的匮乏和用水量的巨大需求，核能淡化也引起世界原子能组织和各国的重视，核能与反渗透或蒸馏法结合大规模生产饮用水正在推进之中。2011年1月，世界上最大的热膜联产海水淡化厂在阿联酋富查伊拉(Fujairah)建成并投入使用，该工厂采用MED+RO技术淡化海水，总产能59.6万m³/d，其中采用MED产能46万m³/d，RO产能13.6万m³/d。目前，世界上最大的海水淡化工程是沙特阿拉伯的SHUAIBA海水淡化厂，总产能88万m³/d。

我国的海水淡化技术研究始于1958年，起步技术为电渗析，1965年开始反渗透技术的研究；1975年开始研究大中型蒸馏技术；1981年在西沙的永兴岛建成200m³/d的电渗析海水淡化装置；1986年建成6000m³/d的电厂多级闪蒸海水淡化装置；1994年大连长海县1000m³/d海水反渗透淡化工程投产；1997年浙江嵊山500m³/d反渗透海水淡化装置投入运行；2000年10月，山东长岛县3000m³/d反渗透海水淡化示范工程建成投产；2000年底，沧州化学工业公司1.8万m³/d高浓度苦咸水淡化工程投产；2001年华能威海电厂反渗透海水淡化装置投产；2002年天津海滋食品有限公司从美国引进多级闪蒸海水淡化装置投产。截止2013年底，国内累计建成海水淡化工程103项，设计淡化水产能90.08×104m³/d；反渗透膜、高压泵、能量回收装置等关键设备和部件以及海水淡化成套装置等已能自主生产；海水淡化工程设计、建设和运营已具备自主能力；我国自行设计建造的单套1×104m³/d反渗透和2.5×104m³/d低温多效海水淡化装置已建成投产。

三、海水淡化技术

海水淡化方法按分离过程可分为热过程、膜过程和其他过程。其中热过程主要指多级闪蒸、低温多效蒸馏、压汽蒸馏和冰冻法等；膜过程主要指反渗透、纳滤、电渗析和填充床电渗析等；其他过程主要指离子交换、水合等。

⒈ 多级闪蒸

多级闪蒸是利用蒸馏的原理，将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中蒸发，即液体在沸点时溶液中的水份转变成蒸汽，而与溶解于溶液中的盐份分离，流程见下图。

多级闪蒸过程示意图

目前，以多级闪蒸方法建造的海水淡化装置占全球总量的70%以上。相比较而言，采用该方法建造的装置单机产量最大，技术最成熟，运行安全性高，弹性大，但由于其能耗较大，操作成本相对较高，因而主要与火电站联合建设，适合于大型和超大型淡化装置，是海湾国家普遍采用的海水淡化工艺技术。

⒉ 低温多效蒸馏

低温多效蒸馏是指盐水的最高蒸发温度TBT不超过70℃的海水淡化技术，其特征是将一系列的水平管降膜蒸发器或垂直管降膜蒸发器串联起来并被分成若干组，用一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水的海水淡化技术，工艺流程见下图。

低温多效蒸馏过程示意图

目前，以多效蒸馏的方法建造的海水淡化装置占全球总量的10%左右，但是其所占比重有不断提高的趋势。低温多效蒸馏技术由于节能的优势，近年发展迅速，装置的规模日益扩大，成本日益降低，主要发展趋势为提高装置单机造水能力，采用廉价材料降低工程造价，提高操作温度，提高传热效率等。

⒊ 反渗透

反渗透装置是由其基本单元组件以一定的配置方式组装而成。装置根据应用对象与规模大小而定，通常可采用连续式、部分循环式和循环式三类。通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程称为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压ΔP称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的压力P，那么海水中的纯水将会逆向渗透到淡水中，该过程称为反渗透。由于反渗透过程无需对海水加热，所以能耗相对较低，节能效果明显。

反渗透过程示意图

经过预处理的合格海水用高压泵加压送入反渗透膜组件，透过反渗透膜的水经收集后再经过适当的后处理送入管网系统供用户使用，未能透过反渗透膜的高压浓盐水进入能量回收装置以回收压力能，经过能量回收装置的浓盐水通常排回大海。反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低，主要发展趋势为降低反渗透过程的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等。

⒋ 技术方法的比较

低温多效具有海水预处理要求低、淡化水品质高、投资成本和运营成本低、节能效果明显等优点；反渗透膜法具有投资低、能耗低等优点，但海水预处理要求高；多级闪蒸单台装机容量大，原水预处理要求低，但是设备成本高，能耗较大，运行成本高，在热源成本高的地区，其经济性不被看好。因而，总体来看，低温多效蒸馏法和反渗透膜法是目前全球海水淡化技术优先选择的方法。从我国已建成投产的海水淡化所采用的方法看，反渗透和低温多效蒸馏是海水淡化工程中应用最多的方法，见下图。

我国海水淡化技术方法占比图

四、海水淡化技术的新发展

造水成本相对较高是制约目前海水淡化技术进一步发展的最主要原因之一，因而对现有工艺技术的优化及提升、相关技术的耦合、海水的综合利用、新能源的利用和新技术的开发是解决这一问题的主要途径。

在众多新型海水淡化技术中，膜蒸馏技术和正渗透技术被认为是最有潜力的海水淡化技术。由于膜蒸馏技术在海水淡化过程中具有操作条件温和、脱盐率高、适用浓度范围广泛、抗污染性能好和可以有效地利用低品位的热源等诸多优势，受到了研究者的广泛的关注。目前，该技术已有小规模应用的报道。正渗透海水淡化的突出优势是节能，但是根据正渗透的特点，需要与其它脱盐技术耦合才能达到淡化海水的目的。虽然该技术的研究正处于概念研究阶段，尚未有工业应用的报道，但长期来看该技术的应用前景广阔。

在不断发展和整合已有海水淡化技术的同时，新技术的开发应用，尤其是纳米技术与仿生学技术的发展为海水淡化技术提供了新的发展方向，新技术不但在技术上更先进，而且比传统海水淡化技术更加节能和环保，是未来海水淡化技术的重要方向。1991年日本物理学家饭岛澄男从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现了碳纳米管，由于其特殊的机械性能、光学性能和电子性能受到关注，并已经在催化、电子等方面得到了应用，只是到目前为止，碳纳米管技术还处于研究阶段。仿生学原理是让水分子通过蛋白质构成的通道，此通道可有效地引导水分子通过活细胞，通道中央的正电荷和盐离子相斥，使水、盐分离，到目前，仿生学也是海水淡化的热门研究方向之一。

另外，作为一种新技术，核能海水淡化利用核反应堆，在综合性设备中将再生电能和海水淡化所用的热能结合起来。在温室气体排放及能源费用上都比化石燃料能源具有较强竞争力。目前已成为世界争先研究的课题，综合性核能海水淡化装置的可行性已经得到了超过150反应堆年的实验证实。在我国研究利用沿海城市的小型和中型核反应堆的热能进行海水淡化将为未来我国海水淡化技术发展提供很好选择。

核能海水淡化工程展望图

五、国外海水淡化的发展模式

国外一些国家和地区很早就开展了海水淡化实践。经过多年发展已经形成了适合各自国情的海水淡化发展模式，有效保障了当地社会经济的快速、可持续发展。当前国外海水淡化产业主要呈现以下几个发展模式：

①沿海缺水城市大规模发展海水淡化解决市政供水问题。这也是国际海水淡化最主要的发展模式，典型地区和国家如阿拉伯湾地区、澳大利亚等。

②海岛地区发展海水淡化解决生活及旅游用水。典型地区和国家如西属加纳利群岛、马尔代夫等。

③向国内较远距离输送海水淡化水。在以海水淡化水作为市政供水的国家中，很多国家都对大型海水淡化厂配套修建供水管线，或将海水淡化水纳入国家统一管网，对海水淡化水进行统一调配；或将海水淡化水配送至周边缺水地区以及较远大型城市使用。典型国家如科威特、阿联酋等。

④发展海水淡化装备制造业。庞大的全球市场需求吸引着许多大型国际企业进入海水淡化市场。在各国政府的推动下，海水淡化作为新兴朝阳产业不断向前发展，并形成大规模应用的产业集群。典型国家如西班牙、韩国等。

六、我国海水淡化的市场前景

截止2013年底，国内累计建成海水淡化工程103项，设计淡化水产能90.08×104m³/d；反渗透膜、高压泵、能量回收装置等关键设备和部件以及海水淡化成套装置等已能自主生产；海水淡化工程设计、建设和运营已具备自主能力；我国自行设计建造的单套1×104m³/d反渗透和2.5×104m³/d低温多效海水淡化装置已建成投产。目前，我国海水淡化产业体系基本建立，与之配套的政策、标准和管理体系也基本建立，海水淡化产业健康快速发展，海水淡化应用市场正逐步拓展。我国海水淡化产能分布如下图所示。

我国海水淡化产能分布图

海水淡化水是水资源的重要补充和战略储备，可用于生产、生活和生态，要纳入水资源统筹规划和调配；海水淡化产业是以生产海水淡化水为主要目的，包括相关技术研发、设备制造、工程设计与建设、生产运营、原材料生产与销售、咨询服务、宣传培训和交流等工序和环节在内的，具有完整产业链的生产体系。因此，海水淡化可以带来新的经济增长：一方面可以开拓海水淡化水的应用市场，将淡化水用于沿海工业生产、海岛和沿海缺水地区的生活和生态、近海城市的调水，以及中西部地区的苦咸水淡化等；另一方面海水淡化产业是战略性新兴产业，产业体系的建立和产业发展本身就有着广阔的市场；加上拓展技术服务，建立创新服务体系，提高海水淡化工程系统服务水平也是潜在的市场。

作为一个海洋大国，我国辽阔的海域上散布着众多的海岛和岛群，据初步统计，面积500m²以上的岛屿就有6900多个，面积500m²以下的海岛和岩礁近万个。水资源短缺是海岛开发建设的瓶颈，世界经验表明，海水淡化是解决海岛水资源短缺的根本途径。研究发展不同技术类型的小型海水淡化装置，是加强国防、维护国家权益和加快海岛开发建设及经济发展的重要需求。另外，小型淡化装置还可用于舰船、石油钻井平台等场合，主要包括传统海水淡化海岛环境适应技术、适宜海岛特点的节能淡化技术及相关后处理技术研究，形成不同功能、用途及能源匹配方式的海水淡化装备,为远海资源开发、深海油气探测、海洋科学考察、海洋维权等提供充足淡水资源。

建设中的舟山六横海水淡化厂

海水淡化解决了全球2亿多人的饮水问题，并已成为海湾国家的重要水源之一。在我国发展海水淡化产业具有重要的战略意义和现实意义，既是缓解水资源短缺形势的重要措施之一，也是战略性新兴产业的重要内容，是发展海洋经济的重要组成部分。

如今，经过50多年的努力，我国海水淡化已步入产业发展阶段，产业体系已基本建立，与之相应的政策、标准和管理体系也在逐步完善；海水淡化产业发展和淡化水的合理高效利用前景广阔。我们要面向需求、创新服务，以技术为核心、政策为引导、市场为驱动，发展海水淡化产业。以海水淡化产业发展促进生态文明和经济社会可持续发展，以海水淡化保障人类社会与自然的水资源持续利用。

■相关资料相关参考文献（略）