海水淡化 | 努力實現海水淡化的黃金可持續標準
導言
Nikolay Voutchkov是一家世界領先創新中心負責人，該中心正在突破海水淡化領域的新界限。隨著2024年國際海水淡化大會臨近，他解釋了最新發展是如何將海水淡化技術推向循環原則，以實現可再生能源和資源回收的液體零排放目標。
大多數海水淡化廠應用于為全球干旱的沿海城市供水。全球約44%海水淡化產能位于中東地區。在過去的30年中，中東地區是新海水淡化項目增長最快的地區，海水淡化廠規模從每天40萬m3/d到100萬m3/d不等。
如今，中東地區海水淡化能力加速增長之趨勢仍在延續。目前，NEOM正在打造的ENOWA水創新中心已成為海水淡化和鹵水開采技術創新的前沿陣地。該項目位于沙特阿拉伯西北部，是沙特阿拉伯“愿景2030”的產物，旨在發展關鍵領域面向未來的卓越典范，包括可再生能源驅動的海水淡化和零液體排放（ZLD）循環水生產。自2017年該地區正式宣布計劃為最新技術設計一個“生活實驗室”以來，NEOM團隊一直在吸引最聰明的人才，并與在各自行業處于領先地位的合作伙伴開展合作，推動開發和全面實施環境與財政上可持續的海水淡化技術。
截至2022年7月中旬，全球海水淡化淡水產量為1.2億m3/d。在目前運行的20,000 個海水淡化廠中，約74%采用膜反滲透 (RO) 技術進行鹽分分離；21%采用熱蒸餾技術；5%采用電滲析和離子交換等其它鹽分分離技術生產淡水。到2024年，全球海水淡化廠的總產能預計將達到1.5億m3/d，到2030年將再翻一番，會超過2.5億m3/d。
雖然目前全世界只有約5%的淡水是通過海水淡化生產的，但預計未來十年中，新建海水淡化廠數量將增加一倍以上。這可歸因于氣候變化的影響、人口增長導致需求增加、新的廉價陸地水源有限，以及膜技術進步預計將進一步降低海水淡化的成本和能耗。
海水淡化相關能源和成本穩步下降，加上日益嚴格的監管要求推高了傳統水處理和再生水的成本。這預計將加速對海洋的依賴，使其成為具有吸引力和競爭力的水源。預計這一趨勢將持續下去，并在未來15年內進一步將海水淡化確立為全球許多沿海城市可靠、抗干旱的替代水源。
過去十年來，在膜技術和材料科學進步推動下，海水淡化經歷了加速發展。最近的技術進步——如，基于壓力交換器先進能量回收系統、更高效的反滲透膜、納米反滲透膜、創新的膜容器配置和高回收率反滲透系統——預計將進一步降低海水淡化能耗和成本，并成為咸水源（即，海水、苦咸水和經處理的廢水）淡化生產淡水成本下降的基石。
最近，一種旨在降低淡水生產成本的趨勢是使用海水反滲透 (SWRO) 系統，它能將海水淡化總體回收率從通常的40~50%提高到55~60%。
根據最近對高回收率系統進行的全面測試，海水鹽度為35,000 mg/L和43,000 mg/L時，海水反滲透系統能耗分別為2.1 kWh/m3和2.9 kWh/m3。這樣的能耗與使用壓力交換器回收海水的傳統SWRO系統能耗相當，但關鍵區別在于高回收系統的可持續回收范圍高出10~20%。為實現更高回收率而設計水廠的取水和預處理系統，可為新建水廠節省大量資金和制水成本，并能以相對較低的資金投入提高現有水廠的淡水生產能力。
“未來十年新海水淡化廠的數量預計將增加一倍以上”
先進的膜技術與材料
尋求降低海水淡化能源消耗和淡水生產成本的最新趨勢是開發納米結構（NST）反滲透膜，與現有傳統薄膜元件相比，它有更高的水通過效率。NST膜本質是RO膜，包含隨機嵌入薄膜聚合物基質中的單獨線性納米尺寸通道（管/顆粒），或者它們可以完全由簇狀納米尺寸通道（納米管）制成。
NST膜技術在過去10年中發展迅速，最近開發的NST膜要么在傳統膜中結合了無機納米顆粒，要么由密集排列的納米管陣列組成的高度結構化的多孔膜制成。據報道，在幾乎相同高脫鹽率下，這些NST膜比傳統RO膜具有更高的比滲透性。此外，NST膜與在相同條件下運行的傳統膜和RO膜相比，具有相當或更低的污染率，并且可以設計用于增強特定離子的截留選擇性。
循環經濟是全球經濟可持續增長的必由之路。例如，應用循環經濟模式，海水淡化廠產生的鹵水可以作為提取高值礦物質之來源，例如，鈣、鎂和氯化鈉，稀土元素——包括鋰、鍶、釷和銣——也可以從鹵水中提取。
最近，全球稀土元素市場壓力使稀有金屬可用性和供應成為可持續發展討論和研究議程的前沿。這些金屬用于制造許多產品的關鍵部件，包括飛機、汽車、智能手機和生物醫學設備。
人們越來越認識到，清潔能源技術以及可持續產品、工藝和制造業開發和部署將需要大量稀有金屬和貴重元素，包括鋰、銅、鈷、銀和金等鉑族金屬。
最新的技術趨勢表明，鎂正在汽車、計算機和手機行業取代鋁，因為鎂的重量輕了30%以上。雖然世界上鎂的開采來源有限，但海水中含有大量的鎂，可以通過淡化鹵水濃縮，然后通過選擇性吸附提取來回收。
在過去幾年中，海水淡化行業開發了多種鹵水濃縮和礦物提取技術，以便能夠從鹵水中制造具有商業價值的產品。
與陸地采礦相比，從海水中提取礦物是一項更加環保的事業。此外，海水開采不需要淡水進行加工，也不會產生大量需要處理的污染水或廢料。此外，這些新的鹽水濃縮技術還能大幅減少或完全消除向海洋排放鹵水的現象。
隨著鹵水資源化技術的發展，從鹵水中商業化提取高價值礦物質（如，鎂、鋰和純氯化鈉）的收入可以抵消生產淡化水的成本，從而將淡化水從成本最高的可持續淡水供應來源轉變為成本最低的淡水供應來源。
鹵水資源化也可能是解決海水淡化能源可持續性挑戰的關鍵。下一代核電站將使用釷和銣代替鈾作為核燃料。功率在10到50兆瓦之間的小型核電站可為大中型海水淡化廠提供電力。這種新能源的主要優勢在于，可以直接從海水淡化廠鹵水中提取足夠數量的原料。除了容易從鹵水中提取之外，這些稀土元素的另一個優點是它們不能被用于制造核武器，從而使海水淡化鹵水成為和平利用原子能的新原料，為人類帶來更大的利益。
用于咸水和海水反滲透膜清洗的化學品通常與牙膏、肥皂和商業洗滌劑中使用的化學品相同。反沖洗水和膜清洗水通常經過處理以去除固體或其它污染物，然后，再加入海水淡化濃縮液中排放。而現代淡化廠采用的最先進海水淡化工藝中使用的化學品非常有限。
在海水淡化各種處理過程中添加的所有化學品均為食品級，可生物降解，并經過特別篩選，不會對水生生物產生毒性。海水淡化廠排放物對海洋生物也無毒、無害，而且設計為可迅速降解，不會對周圍海洋生態系統造成永久性改變。
最近，海水淡化已轉向無化學物質淡化，并從濃縮液中回收有價值的礦物質和稀有金屬，預計海水淡化將成為本世紀最環保、最可持續的供水替代方案之一。
在過去五年中，許多擁有大型海水淡化廠的國家，如，澳大利亞、西班牙、沙特阿拉伯和中東其它地區，都開始實施綠色海水淡化綜合計劃，旨在減少海水淡化生產過程中化學品的使用量和種類。這些計劃將利用海水淡化技術和科研最新進展，最終把所有現有設施改造成不含化學物質的海水淡化廠。
海水淡化廠過去一直使用次氯酸鈉對進水進行氯化處理，以抑制海洋生物在進水管道和反滲透膜上的生長。近十年前，大多數海水淡化廠經營者都放棄了這種做法，目前，每月只使用一到兩次氯化，每次6~8個小時。此外，一些海水淡化廠管理者不對進水口海水使用任何消毒劑，因為他們更愿意使用海水淡化廠預處理系統來控制生物污染，而不是使用化學品。
氯化鐵和硫酸鐵是目前常用的海水預處理混凝劑。過去，這些化學藥劑投加速度恒定，投加量相對較高。海水淡化行業已采用自動監測海水中固體含量，并根據水中懸浮固體實際含量按比例自動調整混凝劑用量。過去10年間，全球大多數工廠都采用了這一運行策略，從而將混凝劑使用量減少到過去的一半以下。
直到十年前，許多海水淡化廠還在使用酸和絮凝劑來優化水處理化學過程?，F在，大多數先進的海水淡化工廠和有經驗的工程師都不再使用酸和絮凝劑進行預處理，而是依靠優化的預處理系統和操作來管理水處理的化學過程。
直到2010年，許多海水淡化廠還在普遍使用防垢劑和氫氧化鈉，主要是為了防止海水淡化水中的硼被去除而結垢。2011年，世界衛生組織將飲用水中硼的指導限值從0.5 mg/L提高到2.4 mg/L，自此以后，大多數海水淡化廠不再添加氫氧化鈉和防垢劑。
在采用不含化學物質、以可再生能源為基礎的新技術方面，下一步是使用從鹽水中提取的鈣來對淡化水進行后處理，而不是使用市場上供應的鈣化合物，如，石灰。
從海水中分離鹽分需要大量能源，以克服反滲透膜上自然產生的滲透壓。盡管海水淡化生產飲用水的碳足跡高于利用傳統淡水資源生產飲用水，但卻小于其它提高生活質量的人類活動，如，冷藏食物、加熱洗澡水、駕駛私家車或乘坐飛機。
目前，大多數海水淡化廠都使用化石燃料發電。不過，澳大利亞最近幾家SWRO海水淡化廠實施了風力發電項目，其發電量與海水淡化廠用電量相當。幾個中東和北非國家已主動開發了強大的可再生能源發電廠組合，為海水淡化提供電力。
在探索可再生能源替代方案的同時，美國、沙特阿拉伯和歐洲的世界領先研究中心正在開發新一代能源回收裝置、高壓泵和膜，旨在將海水淡化總能耗降至2.45 kWh/m3以下，反滲透海水淡化的能耗需求降至1.8 kWh/m3以下。這些進步將使海水淡化廠的總能耗和碳足跡減少30%以上。
自2001年引入第一臺壓力交換器以來，這項顛覆性技術已將海水淡化能源回收效率從75%提高到96%。不過，仍有機會將能量回收率提高到理論最高值99%。
隨著大型和超大型海水淡化項目逐漸成為行業主流，其復雜性也隨之增加，給工廠運營可用性和可靠性帶來了挑戰。通過以下方法可以進一步改善設備運行并減少停機時間：
1
開發新一代NST膜，大大提高生產率，并能根據需要就地調整膜性能；
2
延長膜的抗氧化性和抗生物污損性及其使用壽命；
3
更換海水淡化廠大部分鋼制設備，使用成本更低、重量更輕的塑料設備和管道；
4
使用現場3D打印技術生產備件；
5
采用三維設計、三維操作和維護（O&M）手冊以及為工廠員工提供三維虛擬現實培訓；
6
使用低成本三維可打印無線傳感器對工廠關鍵部件進行性能監測；
7
將工廠監測和控制自動化發展至可實現遠程無人操作的水平；
8 開發低成本連續膜清洗方法，以減少停機時間和化學清洗成本。 水業正越來越多地利用數字化來提高效率。海水淡化廠也沿用了這一趨勢，數字化水管理提供了一個集成平臺，包括水生產和供應資產管理、水管理軟件、智能控制和專業知識，以降低運營成本和水損失。海水淡化領域數字化已經發展到這樣一個水平，即，行業領先的設計公司正在為未來海水淡化項目開發數字孿生系統，該系統使用一個通用的數字平臺進行海水淡化廠三維設計、數字化運維手冊和數字化操作員培訓工具，并通過虛擬現實培訓模塊和相關設備加以強化。 這些進步正在推動一場革命，降低過去阻礙海水淡化技術被更廣泛采用之障礙——海水淡化為全球水安全帶來了巨大機遇。目前，海水淡化為美國、歐洲、澳大利亞和中東的沿海城市中心提供了約10%的市政供水，為海灣合作委員會國家提供了50%以上的飲用水。到2030年，這一比例預計將分別超過25%和80%。 創新技術正在解決阻礙替代資源開發的問題。納米粒子增強膜、仿生膜和正向滲透等技術，以及從海水淡化產生的鹵水中有益提取稀有金屬，旨在減少能源消耗（高達35%）和經濟成本（高達30%），提高工藝可靠性和靈活性，大大減少濃縮液（鹵水）排放量。這些技術將使海水淡化成為因氣候變化而面臨日益缺水的干旱沿海地區的一種負擔得起的、可持續性的選擇。我們擁有改善全球生活和生計的工具，也擁有能夠更迅速、更可持續地實現這一目標的技術。
