1. 以列咸水海水淡化概况 以列是一个水资源十分缺乏的国家，而且其水资源尤其是地下水普遍存在盐度高的问题。一个有趣的现象是虽然以列国土面积不大，但其境内分布着不同浓度的咸水资源。盐度最高的是死海水(Brine)，是一般海水浓度的近十倍。其次是海水，并且南部埃拉特所在的红海海水盐度又高于西部的地中海海水。浓度低于海水，高于淡水的咸水称为Brackish water，类似于国内水资源界中常用的微咸水概念，但以列水资源委员会(Israel Water Commission)对Brackish water的定义是指溶解总固体(TDS， total dissolved solids)大于1000ppm而小于10000ppm的咸水，比我们所用的微咸水范围和浓度都大一些，这也是以列南部阿亚拉山谷的地下水盐度范围。其沿海地下含水层的由于海水入侵也导致了一部分地下水盐度增加，而北部地区的部分地下含水层包括加利利湖(the Sea of Galilee)由于所在地区岩层的化学成分不同，虽然没有达到Brackish的范围，但氯化物浓度也高于饮用水标准。 由于水资源缺乏而且咸水比例较大的自然状况，促使以列加大了对非常规水源的利用，并在这方面走在了世界前列，所以对咸水和海水不同方式利用的研究一直就没有停止过。虽然在工业和农业方面利用海水和咸水已经取得了很大成就，但以列水资源委员会认为解决以列乃至整个中东地区水资源问题的根本出路只能靠淡化海水。所以自60年代起以列的科技人员就一直致力于咸水淡化技术的研究，实际生产量也逐年增加。尤其最近几年由于技术成熟和成本降低，海水淡化生产量增长非常快。根据以列水资源委员会的“以列水资源供需预测（1998-2020）”（表1），到2020年以列的咸水和海水淡化都要有显著增加，其中海水淡化量相对1998年水平更是增加20倍，达到年产淡水2亿吨的水平，占总供水能力的近8%[1]。按照以列学者Nessim Moatty对1995和1998年以列的水资源总体规划结果的分析，在加大废水利用、进口水资源和海水淡化三种解决水资源短缺的主要措施中，海水淡化是消除未来用水“赤字”的唯一途径[2]。 表1 以列水资源供需预测（1998-2020） 单位：百万m3 供水预测 | | 水资源 | 年份 | 人口（百万） | 地表水 | 地下水 | 地下咸水 域名库 | 污水处理再利用 | 海水淡化 | 合计 | 1998 | 6.0 | 640 | 1050 | 140 | 260 | 10 | 2100 | 2010 | 7.4 | 645 | 1050 | 165 | 470 | 100 | 聚磷酸铵阻燃剂 2430 | 2020 | 8.6 | 660 | 1075 | 180 | 565 | 200 | 2680 | | | | | | | | |
来源: 以列水资源委员会, 1998 按照以列水资源委员会的定义，淡化水的范围不仅包括天然咸水和海水的淡化，同时也包括部分人为污染了的地下水净化。所以该委员会将以列的咸水淡化分为三类。[1] 第一类是针对污染了的地下水井的治理，其主要目的是去除其中的硝酸盐以及重金属和有机物。其去除硝酸盐技术主要是电透析，去除重金属和有机物采用活性炭和离子交换，处理后的水重新不用作饮用水。按照水资源委员会的计划，该类淡化水到2010年需要达到5000万m3。该类井水的治理每m3投资大约为1.2-1.3新谢克尔(NIS)。 第二类是地下咸水(指属于Brackish water范围内的咸水)的淡化。目前以列的Brackish water 年开采量约为1.6亿m3左右，其中约35%用于工业用水(主要是作为冷却用水)，余下部分主要用于农业，包括鱼塘用水和灌溉。现有的Brackish water淡化主要位于埃拉特和阿亚拉地区，每年使用1000万m3，生产淡水700万m3。按照以列水资源委员会的计划，对Brackish water的利用应扩大脱盐淡化的比例，远期达到年产达到饮用标准的淡水5000万m3。目前以列Brackish water的大规模淡化基本上采用比较先进的反透析技术(RO， Reverse Osmosis)，成本为每m31.5新谢克尔(NIS)左右。Brackish Water的淡化还有一种小规模进行的方式，主要集中在在阿亚拉地区的吉布兹和莫沙夫，这些沙漠农业目前是以列农业产出的重要支柱之一。这些集体农庄都广泛使用本地的Brackish Water用作灌溉，而饮用水则多采用小规模的太阳能或电能装置获取淡化水，每个农庄每天一般只生产几十方淡水。 第三类是海水淡化，也是未来以列新增水资源最大的行业。与一般的海水淡化标准不同，以列水资源委员会要求淡化所生产的水必须高于饮用水的标准，尤其是氯化物浓度。其原因是以列天然水资源的氯化物浓度偏高，这样淡化水可以使整个供水系统的氯化物以及硼离子浓度降低。并且使废水中的盐度降低，有利于农业灌溉。目前以列采用反透析技术淡化海水，大规模生产前提下其成本在0.5美元左右。2002年，以列政府批准兴建的海水淡化厂总产量到达了4亿m3，所有的工程都是以国际招标的方式进行。这个数量甚至超过了水资源委员会1998年提供的供水预测中2020年的海水淡化总量，可见对海水重视的程度。 以列政府及水资源委员会对于以上三种淡化水工程的兴建都给予支持，并且充当发起者的角。值得注意的是，以列政府对于这些淡化工程的兴建多数采用BOOT (Build, Own, Operate and Transfer, 建造-运营-拥有-转让)或BOO (Build, Own, Operate，建造-露天看台运营-拥有)模式，承包商往往是私人企业家。政府对初期投资给予支持并在合同中确定工厂生产后由政府保证的最低购买量，以降低投资者的风险。 虽然以列研究海水咸水淡化的历史较长，但相对沙特等海湾国家而言过去几十年其海水淡化的投资力度并不算大，反倒是技术和设备出口作的比较好，比如其ＩＤＥ海水淡化技术公司知名度就很高，在世界范围内承建了300多家海水淡化厂。其海水淡化主要集中于缺水的南部地区。但现在由于反透析技术(RO，Reverse Osmosis)的出现和发展使得成本大为降低，也促使以列政府加大了对海水淡化的考虑。从图1可以看出以列海水咸水淡化的发展趋势。
图1. Mekorot 公司下属的海水咸水淡化厂分布(1999)[3]
2. 埃拉特海水咸水淡化厂 而开发南部地区是以列的一项基本国策，而在该地区极端干旱的条件下，最突出的问题是水资源缺乏。整个以列南部几乎就没有地表水资源，因为极低的降雨量和极强的蒸散发能力地下水也都是程度不同的咸水。所以有效利用咸水以及海水就成为该地区的水资源开发利用的重要方向。在埃拉特(Eilat)的野外考察期间，我们参观了位于该地的一家咸水海水混合净化厂，对其海水咸水混合淡化有了一些了解。 埃拉特位于以列的最南端，红海亚喀巴湾北部，东西分别紧临约旦和埃及，也是以列通向红海的唯一一个港口。埃拉特有居民4万多人，是以列南部最重要的城市，也是以列的旅游胜地。埃拉特是以列南部沙漠地区唯一的中心城市，正是由于该地特殊的地理环境和自然条件，所以海水淡化历史较长。最早在1965年就建立了海水淡化厂，并且生产量也逐年增大，从最初不足5000m3/天增加到目前总产量近70000m3/天。技术也逐步发展，最早是多级闪蒸（橡胶抛光轮MSF），1974年引入多效蒸餾法（MED），78年开始反滲透法淡化Brackish water（BWRO），并在80年代初完全取代了前两种工艺，随着反渗透技术的发展和需水量增加，97年开始使用反渗透法淡化海水(SWRO)[4]。 我们所参观的海水淡化厂位于亚喀巴湾的最北端，隶属于以列国家水公司(MEKOROT)，靠近约旦边境。在该厂的运行控制室，工作人员向我们介绍了该厂的基本情况。虽然以列的全国输水工程(National Water Carrier)有两条支线经内格夫沙漠抵达埃拉特，但由于水量的限制，基本上没有水能抵达埃拉特。所以埃拉特的用水主要由海水和阿亚拉(ARAVA)谷地的地下水提供。整个阿亚拉谷地每年开采的地下咸水约20%提供给埃拉特的咸水淡化厂处理。整个运行过程的自动化程度相当高，一般中控室只有一个工作人员，可以监控全厂各处的运行状况。 目前该处理厂平均日生产淡水4.5万m3，主要给埃拉特的4万多居民提供生活用水。其中夏季日生产量为5.4万m3，冬季为3.5万m3。该厂创建于1978年，一直从事于地下咸水淡化和海水淡化试验运行，从码图1997年起正式进行海水淡化生产。与一般的海水淡化厂所不同，该厂最大的特点是咸水淡化和海水淡化的联合运行，即Brackish Water淡化处理后的余留咸水(Reject brine)与海水混合后再淡化。除了本厂的Brackish Water淡化余水外，该厂还负责从另外两家只淡化Brackish Water的厂家收集淡化余水。 实际上BWRO和SWRO所采用的主要工艺流程完全一样，都是在高压使咸水穿过多层特制的渗透膜，使大部分离子化合物不能透过该渗透膜从而分离出低浓度溶解盐的淡水。但由于Brackish Water和海水的浓度不同，所以分离过程所需的压力不同，消耗的电能和最后的生产成本不同。在该厂中，BWRO流程采用的压力是17个大气压，分离出淡水的比例大约为是70%，即1 m3Brackish Water能生产0.7 m3淡水，余留咸水的TDS浓度为16000ppm，成本为0.2-0.3USD/m3。而SWRO流程中采用的压力是75个大气压，分离淡水的比例为50%气泡包装膜左右，其剩余高浓度咸水输送至制盐厂。由于消耗能量更大以，所以海水淡化的成本比Brackish Water淡化高一倍以上。 埃拉特所在的红海是世界上盐度最高的海水，浓度达41000ppmTDS。而BWRO流程的剩余咸水浓度为16000 ppmTDS，但CaSO4和SiO2等浓度非常高。所以二者的混合咸水浓度仍小于纯海水而一些有害离子浓度又小于BWRO的剩余咸水，所以以列的科技人员设计了使用BWRO和海水混合作为SWRO淡化的供水，这样就提高了海水淡化的淡水产出比同时降低了成本。通过该厂所作的大量试验证明BWRO剩余咸水和海水的混合比例为6:4时，能取得较好的综合效果[4]。目前该厂即是采用该比例混合BWRO剩余咸水和海水生产淡水，混合后的咸水浓度为31600 ppmTDS。该厂BWRO流程每日生产淡水36000m3左右，连同其余两家BWRO厂生产的剩余咸水一起和海水混合通过SWRO流程每日生产淡水10000 m3。BRWO和SWRO生产的淡水均高于以列的饮用水标准，在参观中我们品尝了生产出的淡水，感觉不到任何咸味。 自该厂投产以来，其工艺流程不断改进，生产效率逐年提高而成本不断降低。其中BRWO的能量消耗从最初的4.2KWH/m3降到了目前的不到2KWH/m3，而转化比却从不足50%提高到了目前的70%。SWRO的能耗也从最初的4.19 KWH/m3降低到3.9 KWH/m3，产量也从8000m3/天提高到了现在的10000m3/天。 参观结束时，我们问到BWRO的转化率和成本都大大由于SWRO，为什么不加大Brackish Water的淡化量满足用水需求，而引入成本高很多的海水淡化工艺时。得到的回答是阿亚拉谷地中的Brackish Water也是有限的，而且很大一部分是不可恢复的古生水循环形成的地下水，所以必须限制使用，同时加大海水淡化是未来所必须的，该厂的运行很大程度上能做到改进工艺的试验，从而做到生产和试验的两重效果。由此可见以列人未雨绸缪的精神，实际上很多方面都能体现出以列人的这种精神，也许这正是他们能不断成功取得奇迹的重要因素。 参考文献及资料来源： [1] Israel's Water Economy, Ministry of National Infrastructures The Water Commission, v.il/mfa/go.asp?MFAH0mb00. [2] Nessim Moatty, Water management and desalination in Israel, Conference on Desalination Strategies in South Mediterranean Countries, Cooperation between Mediterranean Countries of Europe and the Southern Rim of the Mediterranean, sponsored by the European Desalination
Society and Ecole Nationale d’Ingenieurs de Tunis, September 11–13, 2000, Jerba, Tunisia. .[3] Pinhas Glueckstern, Desalination: Current Situation and Future Prospects, www.biu.ac.il/SOC/besa/waterarticle1.html. [4] Pinhas Glueckstern, Menahem Priel, Hybridization of Sea and Brackish Water Desalination Plants, IDA World Congress on Desalination and Water Reuse, San Diego, California, August 29 to September 3, 1999. | | RO淡化所用的渗透膜 | | | 供参观的海水淡化反渗透管 | | | 海水淡化(SWRO)装置 | 海水淡化后获取可饮用的淡水 | | | 海水淡化压力钢管 | 海水淡化指示装置 | | | 海水容器 | 咸水海水混合容器 | | |
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