高回收率系统、卤水资源化、无化学物质淡化...海水淡化的最新发展方向

Nikolay Voutchkov是一家世界领先创新中心负责人，该中心正在突破海水淡化领域的新界限。

随着2024年国际海水淡化大会临近，他解释了最新发展是如何将海水淡化技术推向循环原则，以实现可再生能源和资源回收的液体零排放目标。

大多数海水淡化厂应用于为全球干旱的沿海城市供水。全球约44%海水淡化产能位于中东地区。

在过去的30年中，中东地区是新海水淡化项目增长最快的地区，海水淡化厂规模从每天40万m ³ /d到100万m ³ /d不等。

如今，中东地区海水淡化能力加速增长之趋势仍在延续。目前， NEOM正在打造的ENOWA水创新中心已成为海水淡化和卤水开采技术创新的前沿阵地。

该项目位于沙特阿拉伯西北部，是沙特阿拉伯“愿景2030”的产物，旨在发展关键领域面向未来的卓越典范，包括可再生能源驱动的海水淡化和零液体排放（ZLD）循环水生产。

自2017年该地区正式宣布计划为最新技术设计一个“生活实验室”以来，NEOM团队一直在吸引最聪明的人才，并与在各自行业处于领先地位的合作伙伴开展合作，推动开发和全面实施环境与财政上可持续的海水淡化技术。

截至2022年7月中旬， 全球海水淡化淡水产量为1.2亿m ³ /d。在目前运行的20,000 个海水淡化厂中，约74%采用膜反渗透 (RO) 技术进行盐分分离；21%采用热蒸馏技术；5%采用电渗析和离子交换等其它盐分分离技术生产淡水。

到2024年，全球海水淡化厂的总产能预计将达到1.5亿m ³ /d，到2030年将再翻一番，会超过2.5亿m ³ /d。

虽然目前全世界只有约5%的淡水是通过海水淡化生产的， 但预计未来十年中，新建海水淡化厂数量将增加一倍以上。 这可归因于气候变化的影响、人口增长导致需求增加、新的廉价陆地水源有限，以及膜技术进步预计将进一步降低海水淡化的成本和能耗。

海水淡化相关能源和成本稳步下降，加上日益严格的监管要求推高了传统水处理和再生水的成本。这预计将加速对海洋的依赖，使其成为具有吸引力和竞争力的水源。预计这一趋势将持续下去，并在未来15年内进一步将海水淡化确立为全球许多沿海城市可靠、抗干旱的替代水源。

过去十年来，在膜技术和材料科学进步推动下，海水淡化经历了加速发展。

最近的技术进步——如，基于压力交换器先进能量回收系统、更高效的反渗透膜、纳米反渗透膜、创新的膜容器配置和高回收率反渗透系统——预计将进一步降低海水淡化能耗和成本，并成为咸水源（即，海水、苦咸水和经处理的废水）淡化生产淡水成本下降的基石。

最近，一种旨在降低淡水生产成本的趋势是使用 海水反渗透 (SWRO) 系统，能将海水淡化总体回收率从通常的40~50%提高到55~60%。

根据最近对高回收率系统进行的全面测试，海水盐度为35,000 mg/L和43,000 mg/L时，海水反渗透系统能耗分别为2.1 kWh/m ³ 和2.9 kWh/m ³ 。

这样的能耗与使用压力交换器回收海水的传统SWRO系统能耗相当， 但关键区别在于高回收系统的可持续回收范围高出10~20%。

为实现更高回收率而设计水厂的取水和预处理系统，可为新建水厂节省大量资金和制水成本，并能以相对较低的资金投入提高现有水厂的淡水生产能力。

寻求降低海水淡化能源消耗和淡水生产成本的最新趋势是开发纳米结构（NST）反渗透膜 ，与现有传统薄膜元件相比，它有更高的水通过效率。

NST膜本质是RO膜，包含随机嵌入薄膜聚合物基质中的单独线性纳米尺寸通道（管/颗粒），或者它们可以完全由簇状纳米尺寸通道（纳米管）制成。

NST膜技术在过去10年中发展迅速，最近开发的NST膜要么在传统膜中结合了无机纳米颗粒，要么由密集排列的纳米管阵列组成的高度结构化的多孔膜制成。

据报道， 在几乎相同高脱盐率下，这些NST膜比传统RO膜具有更高的比渗透性。

此外，NST膜与在相同条件下运行的传统膜和RO膜相比， 具有相当或更低的污染率，并且可以设计用于增强特定离子的截留选择性。

循环经济是全球经济可持续增长的必由之路。例如，应用循环经济模式， 海水淡化厂产生的卤水可以作为提取高值矿物质之来源 ，例如，钙、镁和氯化钠，稀土元素——包括锂、锶、钍和铷——也可以从卤水中提取。

最近，全球稀土元素市场压力使稀有金属可用性和供应成为可持续发展讨论和研究议程的前沿。这些金属用于制造许多产品的关键部件，包括飞机、汽车、智能手机和生物医学设备。

人们越来越认识到，清洁能源技术以及可持续产品、工艺和制造业开发和部署将需要大量稀有金属和贵重元素，包括锂、铜、钴、银和金等铂族金属。

最新的技术趋势表明，镁正在汽车、计算机和手机行业取代铝，因为镁的重量轻了30%以上。虽然世界上镁的开采来源有限，但海水中含有大量的镁，可以通过淡化卤水浓缩，然后通过选择性吸附提取来回收。

在过去几年中，海水淡化行业开发了多种卤水浓缩和矿物提取技术，以便能够从卤水中制造具有商业价值的产品。

与陆地采矿相比，从海水中提取矿物是一项更加环保的事业。

海水开采不需要淡水进行加工，也不会产生大量需要处理的污染水或废料。

此外，这些新的盐水浓缩技术还能大幅减少或完全消除向海洋排放卤水的现象。

随着卤水资源化技术的发展，从卤水中商业化提取高价值矿物质（如，镁、锂和纯氯化钠）的收入可以抵消生产淡化水的成本，从而将淡化水从成本最高的可持续淡水供应来源转变为成本最低的淡水供应来源。

卤水资源化也可能是解决海水淡化能源可持续性挑战的关键。 下一代核电站将使用钍和铷代替铀作为核燃料。

功率在10到50兆瓦之间的小型核电站可为大中型海水淡化厂提供电力。这种新能源的主要优势在于，可以直接从海水淡化厂卤水中提取足够数量的原料。除了容易从卤水中提取之外，这些稀土元素的另一个优点是它们不能被用于制造核武器，从而使海水淡化卤水成为和平利用原子能的新原料，为人类带来更大的利益。

用于咸水和海水反渗透膜清洗的化学品通常与牙膏、肥皂和商业洗涤剂中使用的化学品相同。反冲洗水和膜清洗水通常经过处理以去除固体或其它污染物，然后，再加入海水淡化浓缩液中排放。而现代淡化厂采用的最先进海水淡化工艺中使用的化学品非常有限。

在海水淡化各种处理过程中添加的所有化学品均为食品级，可生物降解，并经过特别筛选，不会对水生生物产生毒性。海水淡化厂排放物对海洋生物也无毒、无害，而且设计为可迅速降解，不会对周围海洋生态系统造成永久性改变。

最近，海水淡化已转向无化学物质淡化，并从浓缩液中回收有价值的矿物质和稀有金属，预计海水淡化将成为本世纪最环保、最可持续的供水替代方案之一。

在过去五年中，许多拥有大型海水淡化厂的国家，如，澳大利亚、西班牙、沙特阿拉伯和中东其它地区，都开始实施绿色海水淡化综合计划，旨在减少海水淡化生产过程中化学品的使用量和种类。这些计划将利用海水淡化技术和科研最新进展，最终把所有现有设施改造成不含化学物质的海水淡化厂。

海水淡化厂过去一直使用次氯酸钠对进水进行氯化处理，以抑制海洋生物在进水管道和反渗透膜上的生长。

近十年前，大多数海水淡化厂经营者都放弃了这种做法， 目前，每月只使用一到两次氯化，每次6~8个小时。

此外， 一些海水淡化厂管理者不对进水口海水使用任何消毒剂，因为他们更愿意使用海水淡化厂预处理系统来控制生物污染，而不是使用化学品。

氯化铁和硫酸铁是目前常用的海水预处理混凝剂。 过去，这些化学药剂投加速度恒定，投加量相对较高。

海水淡化行业已采用自动监测海水中固体含量，并根据水中悬浮固体实际含量按比例自动调整混凝剂用量。

过去10年间，全球大多数工厂都采用了这一运行策略，从而 将混凝剂使用量减少到过去的一半以下。

直到十年前，许多海水淡化厂还在使用酸和絮凝剂来优化水处理化学过程。

现在， 大多数先进的海水淡化工厂和有经验的工程师都不再使用酸和絮凝剂进行预处理，而是依靠优化的预处理系统和操作来管理水处理的化学过程。

直到2010年，许多海水淡化厂还在普遍使用防垢剂和氢氧化钠，主要是为了防止海水淡化水中的硼被去除而结垢。2011年， 世界卫生组织将饮用水中硼的指导限值从0.5 mg/L提高到2.4 mg/L，自此以后，大多数海水淡化厂不再添加氢氧化钠和防垢剂。

在采用不含化学物质、以可再生能源为基础的新技术方面，下一步是使用从盐水中提取的钙来对淡化水进行后处理，而不是使用市场上供应的钙化合物，如，石灰。

从海水中分离盐分需要大量能源，以克服反渗透膜上自然产生的渗透压。尽管海水淡化生产饮用水的碳足迹高于利用传统淡水资源生产饮用水，但却小于其它提高生活质量的人类活动，如，冷藏食物、加热洗澡水、驾驶私家车或乘坐飞机。

目前，大多数海水淡化厂都使用化石燃料发电。 不过，澳大利亚最近几家SWRO海水淡化厂实施了风力发电项目，其发电量与海水淡化厂用电量相当。几个中东和北非国家已主动开发了强大的可再生能源发电厂组合，为海水淡化提供电力。

在探索可再生能源替代方案的同时，美国、沙特阿拉伯和欧洲的世界领先研究中心 正在开发新一代能源回收装置、高压泵和膜，旨在将海水淡化总能耗降至2.45 kWh/m ³ 以下，反渗透海水淡化的能耗需求降至1.8 kWh/m ³ 以下。这些进步将使海水淡化厂的总能耗和碳足迹减少30%以上。

自2001年引入第一台压力交换器以来，这项颠覆性技术已将海水淡化能源回收效率从75%提高到96%。不过，仍有机会将能量回收率提高到理论最高值99%。

随着大型和超大型海水淡化项目逐渐成为行业主流，其复杂性也随之增加，给工厂运营可用性和可靠性带来了挑战。通过以下方法可以进一步改善设备运行并减少停机时间：

1. 开发新一代NST膜，大大提高生产率，并能根据需要就地调整膜性能；

2. 延长膜的抗氧化性和抗生物污损性及其使用寿命；

3. 更换海水淡化厂大部分钢制设备，使用成本更低、重量更轻的塑料设备和管道；

4. 使用现场3D打印技术生产备件；

5. 采用三维设计、三维操作和维护（O&M）手册以及为工厂员工提供三维虚拟现实培训；

6. 使用低成本三维可打印无线传感器对工厂关键部件进行性能监测；

7. 将工厂监测和控制自动化发展至可实现远程无人操作的水平；

8. 开发低成本连续膜清洗方法，以减少停机时间和化学清洗成本。

水业正越来越多地利用数字化来提高效率。海水淡化厂也沿用了这一趋势，数字化水管理提供了一个集成平台，包括水生产和供应资产管理、水管理软件、智能控制和专业知识，以降低运营成本和水损失。

海水淡化领域数字化已经发展到这样一个水平，即，行业领先的设计公司正在为未来海水淡化项目开发数字孪生系统，该系统使用一个通用的数字平台进行海水淡化厂三维设计、数字化运维手册和数字化操作员培训工具，并通过虚拟现实培训模块和相关设备加以强化。

这些进步正在推动一场革命，降低过去阻碍海水淡化技术被更广泛采用之障碍——海水淡化为全球水安全带来了巨大机遇。

目前， 海水淡化为美国、欧洲、澳大利亚和中东的沿海城市中心提供了约10%的市政供水，为海湾合作委员会国家提供了50%以上的饮用水。到2030年，这一比例预计将分别超过25%和80%。

创新技术正在解决阻碍替代资源开发的问题。 纳米粒子增强膜、仿生膜和正向渗透等技术，以及从海水淡化产生的卤水中有益提取稀有金属，旨在减少能源消耗（高达35%）和经济成本（高达30%），提高工艺可靠性和灵活性，大大减少浓缩液（卤水）排放量。

这些技术将使海水淡化成为因气候变化而面临日益缺水的干旱沿海地区的一种负担得起的、可持续性的选择。我们拥有改善全球生活和生计的工具，也拥有能够更迅速、更可持续地实现这一目标的技术。

（来源：水业碳中和资讯   原标题：海水淡化 | 努力实现海水淡化的黄金可持续标准）