沿海缺水城市住区海水利用技术

高从堦

　摘要：本文概述了沿海地区和城镇缺水情况,介绍了国内外海水利用的状况,针对住区建设的具体情况,对海水淡化提供饮用水以及海水直接利用作为空调冷却用水和冲厕用水等的技术和经济性方面进行了阐述。对别无水源、严重缺水的海岛和海滨地区的发展，海水利用是解决水资源匮乏的可选择的重要途径之一。
　　
前言

　　沿海地区是我国人口最多、经济最发达的地区，是我国对外开放的前沿和窗口。由于经济的持续发展和人民生活水平的提高，对水的需求量越来越大，对水质的要求越来越高，而水资源的严重污染，使本来紧张的水资源的供需矛盾更加尖锐化。滨海地区14个开放城市，有9个淡水供应不足，年缺水量60多亿立方米，特别是长江以北地区为资源性缺水，水资源严重短缺，其中青岛、烟台、天津、大连等沿海城市的水资源短缺问题严重制约了地区经济和社会的发展。一些岛屿，如舟山和长岛等的进一步开发，也受到水资源短缺的限制……
　　面对水资源的日趋紧缺，向占水总储量96.5%的海水要水，是势在必行的。海水利用技术包括海水中提取淡水和利用海水代替淡水等技术，即通常所讲的海水淡化和海水直接利用等，是解决沿海地区淡水资源短缺的重要措施。

1.海水淡化与饮用水供应

　　1.1 国内外概况
　　从海水中提取淡水的技术和过程称为海水淡化。海水淡化在国际上是40年代研究开发的，开始以蒸馏法为主，60年代又研究开发了反渗透技术，逐步形成了以蒸馏法和反渗透法（SWRO）为主的海水淡化产业。蒸馏法以多级闪蒸（MSF）为主，另外有低温多效蒸馏（LT-MED）和低温压汽蒸馏（VC）等。
　　海水淡化已成为中东和北非地区、加勒比海和地中海中诸多岛屿等经济发展的生命线。目前世界海水淡化产量为16.4×106m3/d（2000年），虽然MSF占海水淡化量的70%以上，但呈下降趋势，SWRO占14%，呈迅速上升趋势。基于反渗透膜的进步和能量回收技术的高效，SWRO能耗已降到3kWh/m3，所以具有极强的竞争力。近几年国际海水淡化招标中，RO法以投资省、成本低、占地少、投产快等优势而屡屡夺标。
　　我国于1958年开展电渗析（ED）海水淡化的研究，1967-1969年组织了全国海水淡化会战，奠定了膜法和蒸馏法海水淡化的基础。经科技攻关，使海水淡化技术（反渗透和低温多效）取得长足的进步。1987年大港电厂从美国引进二套3000m3／d MSF海水淡化装置，与离子交换法结合，解决锅炉补给水的供应。近年来,相继建成数座500-2500 m3/d 反渗透海水淡化厂，对我国沿海地区，特别是发电厂、缺水城镇和岛屿的经济发展，已开始发挥其独特的作用。
　　1.2海水淡化技术简介
　　RO主要以高脱盐率的中空纤维膜组件和卷式膜组件为关键部件在压力下进行淡化。RO海水淡化厂最大规模达20万m3/d，由海水提取系统、预处理系统、反渗透系统、后处理系统、能量回收系统、供电系统和控制监测系统等构成，这可解决城市用水问题。反渗透中型淡化厂200-2000m3/d很适于岛屿用水的供应。日产1-20m3的小型RO器适于舰船、渔船、海上钻井平台和岛屿上的个体用户的需求。由于膜脱盐率高，通量大，以及先进的能量回收装置，单级即可高效地将海水淡化为饮用水。
　　多级闪蒸厂最大规模达30多万m3/d，由预处理、盐水加热、热回收和排热四单元组成。适用于大型海水淡化，解决城市用水问题。但设备动力耗电高，易腐蚀和结垢。难以适应我国国情。
　　现代的低温多效蒸发通常在低温段操作（700C以下），腐蚀和结垢较轻，设备寿命长，可利用廉价的铝合金传热管，可利用废热造水以降低成本，是蒸馏法中最具竞争力的。
　　1.3 海水淡化的经济性
　　经济性通常据投资费用和操作费用转化为单位脱盐水的成本来衡量。目前，最经济的SWRO的成本约为0.5$/m3淡水,若海水淡化与发电、供热和供汽以及海水综合利用相结合，再加上淡化技术本身的发展，其成本会进一步降低。下面是国内的长岛1000m3/d SWRO示范工程的例子：
　　长岛1000m3/d SWRO示范工程的总投资732.6（万元），包括取水设备，预处理设备， 高压泵，反渗透装置，产品水后处理设备，中央监控设备，仪表、阀门和药剂，土建厂房、 设备运输、设计、安装和调试等。制水成本5.13（元/m3淡水），包括膜更换费，维修费，试剂费用，电费(用电5.0kWh/m3)，折旧费 和劳力等。
　　1.4住区海水淡化的考虑
　　1.4.1 以城镇为基础的供水 作为城镇供水或部分城镇供水, 大、中型的海水淡化厂(每天数万至数十万吨)的淡化水经一定的后处理之后，并入原有的城镇供水系统中。如中东、北非、冲绳和美国南部等。
　　1.4.2 以住区为基础的供水 对无饮用水源的海岛或靠海的住区,可据实际需求情况，建造中小型海水淡化厂（每天数百至上万吨），也是可考虑的。如国内的长岛、嵊泗和长海等。
　　1.4.3 以个别住地为基础的供水 对远离城镇供水的个别海边住地，可直接选用小型海水淡化器（每天数吨至上百吨）来解决。

2.海水直接利用与沿海城市节水

　　2.1 国内外概况
　　用海水代替淡水的技术和过程就是常讲的海水直接利用。用海水代替淡水作为工业用水、烟气脱硫、大生活用水和其它杂用水等。美、欧、日等国家和地区年用海水作为冷却用水都近3千亿立方米。而我国还不足200亿立方米，与发达国家相差甚远。
　　海水作工业冷却水，目前国内外都仍以直流冷却为主，且主要用于滨海火电、核电、化工和冶金等企业。海水直流冷却技术具有深海取水温度低、冷却效果好和系统运行管理简单等优点；但也存在取水量大、工程一次性投资大、排污量大和海体污染明显等问题。海水循环冷却技术在国外已有应用实例，最大的海水循环量达22 000立方米/小时，在我国尚处于研究阶段,千吨级示范工程正在进行中。
　　城市生活用水占城市供水的20%左右，而城市冲厕用水占城市生活用水的35%左右。香港总人口690多万，香港海水冲厕起源于50年代末，历经40年的发展，海水冲厕已形成体系，占总人口的78.5%。每天冲厕用水约为52万立方米。天津、青岛和大连等也有少部分靠海的小区采用海水冲厕。
　　2.2海水直接利用技术简介
　　海水冷却分海水直流冷却和海水循环冷却。直流冷却是指原海水经换热设备进行一次性冷却后，即排放的过程；循环冷却是指原海水经换热设备完成一次冷却、再经冷却塔冷却后，循环使用的过程。
　　推广海水冷却，应解决海水取水、杀生、净化、防腐、防垢和防附着等问题。海水直流冷却技术有近80年的发展历史，有关防腐蚀、防海洋污损生物附着技术已基本成熟。如大亚湾核电站和天津大港电厂年用直流冷却海水分别为35亿和17亿吨。关于海水循环冷却系统和相关的防腐、阻垢和防污损生物附着和防盐雾飞溅等技术基本成熟，海水冷却塔技术，国外有专门公司开发，技术也是成熟的。
　　利用海水作为大生活用水是一项综合技术，它涉及海水取水、前处理、双管路供水、地下和屋顶贮水、卫生洁具、及系统的杀生、防腐、防渗和防生物附着技术；大生活用海水与城市污水系统混合后含盐污水的生化处理技术；合理利用海洋稀释自净能力将大生活用海水进行海洋处置的技术等。防腐技术和防生物附着技术已基本成熟,大生活用海水技术的重点是高含盐量污水的生化处理技术和海洋处置技术。
　　2.3 海水直接利用的经济性和社会效益
　　推广海水直接利用作工业冷却水,社会和经济效益显著。以威海华能电厂海水冷却系统为例，系统总投资7000万元，为发电容量85×104kw的机组提供18×105m3/d的直流冷却用海水，这包括海水取水设施，预处理设施，杀菌、灭藻和防生物附着，防腐和牺牲阳极保护等。每kw的电, 冷却用海水投资不足百元.
　　推广应用海水作为大生活用水，对改善沿海缺水城市的居民的生活质量有重大的现实意义，也是缓解沿海城市淡水紧缺局面的有效措施之一，具有显著的社会效益和经济效益。
　　2.4住区海水直接利用的考虑
　　2.4.1 作为住区空调的冷却用水 对水资源短缺的旁海住区，其大型中央空调可考虑选用海水作为空调冷却用水，以节约淡水。
　　2.4.2作为住区的冲厠用水 对新建的旁海住区，有合适条件的可考虑双管路供水系统，如香港那样，用海水冲厠，来节约淡水。
　　2.4.3作为住区的部分生态用水 对新建的旁海住区景观建设中，在合适的有条件的地点可考虑用海水作为景观用水;可用海水的杂用水也尽量用海水。

结语

　　我国水资源匮乏，又是一海洋大国，沿海城市一半以上缺水，所以海水淡化和海水直接利用应作为解决沿海城镇和岛屿水资源不足的重要的途径和方法之一。海水淡化和海水直接利用在国内已有示范和部分工程实践，随着经济的持续发展和人民生活水平的提高，对海水淡化和海水直接利用的认识会进一步提高，对海水淡化和海水直接利用的需求会越来越大，海水淡化和海水直接利用将会为沿海地区经济发展和居民生活质量的改善更好地服务。
　　
参考文献
　　1. 高从堦 刘应子 张耀江, 中国工程院重点咨询项目《中国可持续发展水资源战略研究》, 课题四<城市水资源可持续利用> , 专题四 <海水与苦咸水利用>
　　2 高从堦 谭永文 张耀江，科技部咨询项目《加快我国海水利用技术 产业发展及政策研究》，《加快我国海水淡化技术产业发展研究》分课题
　　3. 关于“海水直接利用”的调研报告，全国政协人口资源环境委员会专题调研组（1998年7月）
　　4.高仁先，沿海工业城市扩大利用海水的调查研究，中国高科技产业化研究会海洋分会第三届学术年会，海水利用技术与海洋防腐技术产业发展研讨会文集（1996年9月，天津）
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　　6.赵建民，海水利用，天津科学技术出版社，1994年
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　　9.王世昌，我国海水淡化发展策略探讨，同7
　　10. 杨耀中,汤纪忠,林斯青等, 我国沿海城市(地区)淡水缺乏情况及推广海水淡化现实可行性研究报告, 国家海洋局科学技术司, 1998年11月