世界水資源短缺：節(jié)約用水和海水淡化

1、世界水資源短缺：節(jié)約用水和海水淡化作者：暫無來源：世界環(huán)境2016年第2期文/郭久亦翻譯/于冰水資源壓力除了全球人口過剩問題，世界經(jīng)濟論壇在2015年1月宣布基于對社會影響破壞的量化，水資源短缺問題一一水危機是全球第一大風險。聯(lián)合國界定當一個地區(qū)的人均水資源量跌破1700立方米/人為用水緊張，當人均水資源量低于1000立方米/人為缺水。據(jù)估計，全世界10%的人口沒有安全的飲用水。隨著世界人口快速增長，這一數(shù)字將增加。全球淡水需求量每年增加6400億立方米。聯(lián)合國教科文組織報告稱，到2025年全球淡水緊缺量將上升到20000億立方米。聯(lián)合國警告說，如果不加以改進，到2030年我們只擁有所需水的6

2、0%。這些所缺的水將從哪里來？更糟的災區(qū)在亞洲、中東和北非的半干旱地區(qū)。國際原子能機構(gòu)研究表明有23億人（世界人口的1/3）生活在用水緊張的地區(qū)，其中17億人每年可用的水不足1000立方米。到2025年，這一數(shù)字將上升至35億。如此缺水極其令人擔憂，因為這對世界經(jīng)濟發(fā)展的可持續(xù)性有很大的影響。由于水對所有行業(yè)（農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、能源生產(chǎn)等）以及人類福祉來說是必不可少的。中國水資源短缺的根本原因在于，盡管中國擁有世界21%的人口，卻只有7%的世界淡水供應(yīng)。中國80%的降水在南方出現(xiàn)，只有20%的降水發(fā)生在大部分沙漠地區(qū)的北方，北方特別干燥。例如，北京的年平 均降雨量只有57厘米（每月4.8厘米）。中國

3、淡水需求 供不應(yīng)求，消耗水平已經(jīng)比2012年高出70%。據(jù)預測， 中國到2020年需水量將達到6700億立方米，而水資源 隨著時間卻越來越少。據(jù)媒體報道，南水北調(diào)中線工程以前，北京的年 人均水量只有100立方米，是世界平均水平的1.25%。 由于從南方調(diào)水，這一數(shù)字將上升到150立方米/年（411升/日）。北京平均居民家庭用水量為86升/日， 相比而言英國和美國分別為150升/日和560升/日。 然而，伴隨缺水的是全國范圍內(nèi)的水污染問題。2014年中國環(huán)境狀況公報顯示，中國近60%的地下水 受到污染，35%的水因水質(zhì)差不適合用于工業(yè)、農(nóng)業(yè) 或人類消費。然而，一部分受污染水還是被使用了。節(jié)約用水

4、我們應(yīng)該集中精力更有效地利用現(xiàn)有的資源，包括：*更好的水資源可持續(xù)管理。*污染治理。*水回收。*減少農(nóng)業(yè)灌溉滲漏。*收集屋頂和街道雨水。*循環(huán)利用城市生活廢水。這是未來必須做的事。許多國家正在針對這一問題進行嘗試，排名前5位的 污水處理廠有：-美國芝加哥大都會區(qū)斯蒂克尼（Stickney）污水處理廠處理能力545萬立方米/日，服務(wù)240萬人。年度預算4.5億美元，成本為0.22美元/立方米，是海水淡化成本的1/3-1/2 （見海水淡化部分）；-美國波士頓水廠480萬立方米/日；-美國底特律水廠348萬立方米/日；-中國上海水廠200萬立方米/日；-墨西哥阿托托尼爾科（Atotonilco）水廠

5、200萬立方米/日。*提高水價。*升級雨水系統(tǒng)。海水淡化由于全球冰川正在快速融化，過度抽取地下水導致含水層枯竭和河流污染，人類已經(jīng)沒有 很多選擇。海水淡化是解決居民用水問題的一個很好的方案，但現(xiàn)在也廣泛用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)用途。然而，海水淡化耗能多（主要是電力），是一項昂貴的業(yè)務(wù)。不論是資本成本還是運行成本，海水淡化能耗大約為3-10千瓦時/立方米。但是，成本也取決于例如運送海水的距離和輸送淡水到城市的距離等一些參數(shù)。例如在以色列，海水淡化耗電3.5千瓦時，包括泵海水到工廠耗電1.3千瓦時和反滲透海水淡化工序耗電2.2千瓦時。目前電力價格為0.12美元/千瓦時，3.5千瓦時電力折算為0.42美元/立

6、方米。它的費用大約是雨水和廢水處理費用的2-3倍。多級閃蒸的費用甚至更高。海水淡化技術(shù)海水淡化基本上有2種方法。*反滲透(Reverse Osmosis, RO)海水通過電泵施加高壓克服阻力通過半透膜，淡水透過膜，而鹽留下來。該工藝電耗高，噸水耗電大約3-8千瓦時。2011年這種方法占全球產(chǎn)能的60%。把海水壓力升高70公斤/每平方厘米以上比煮沸海水能耗低，但仍然是昂貴的。比標準反滲透RO工藝更有效的新技術(shù)會陸續(xù)上馬，從而減少能源成本：采用石墨膜等納米技術(shù)會節(jié)省成本，提高效率。使用碳納米管的滲透膜。納米管嘴的電壓排斥帶正電的鹽離子。不帶電的水分子以微小摩擦成為漏網(wǎng)之魚通過，降低了泵壓。水分子通

7、過水通道蛋白質(zhì)(高效運輸水)制成的管道。正電荷排斥每個通道中心附近的鹽分子，截留鹽。*多閃蒸(Multi-Flash Distillation, MFD)和多效蒸餾(Multi-Effect distillation, MED)這是需要大量能量的強力方法。這是簡單的蒸餾方法，海水被加熱和蒸餾。它能夠利用電廠余熱。此過程需要電力10千瓦時/立方米。據(jù)世界上最重要的海水淡化權(quán)威機構(gòu)一一國際脫鹽協(xié)會(International Desalination Association，IDA)得知：2013年世界總共有超過1.7萬家海水淡化廠。2013年全球產(chǎn)能是8000多萬立方米/日。到目前為 止，供水超

8、過6650萬立方米/日。大部分水用于農(nóng)業(yè)、發(fā) 電廠、煉油、石油和天然氣、煤炭開采和金屬等行業(yè)。有 超過3億人日常生活全部或部分依靠海水淡化。主要國家海水淡化能力見表1，合計3396萬立方米/日。M就叫;*癡1酬相搦出仙山1荷時世界上新的大型海水淡化項目海水淡化廠已經(jīng)在超過120個國家運行，包括沙特阿拉伯、阿曼、阿聯(lián)酋、西班牙、塞浦路斯、馬耳他、直布羅陀、佛得角、葡萄牙、希臘、意大利、印度、中國、 日本和澳大利亞。許多水廠即將運行。各國最大水廠情況如下：*沙特阿拉伯海爾哈納(Ras Al Khair)水廠采用RO反滲透和MSF多級閃蒸的混合技術(shù)，處理能力102.5萬立方米/日，建設(shè)成本高達72億

9、美元。紅海附近的拉比格(Rabigh)也在規(guī)劃建立處理能力60萬立方米/日的水廠。*阿拉伯聯(lián)合酋長國目前水廠處理能力460萬立方米/日，建設(shè)費用27億美元，積極利用太陽能。*澳大利亞由于長期干旱，6家水廠采用RO反滲透技術(shù)、利用風能等可再生能源，總產(chǎn)量為145萬立方米/日?？傮w而言，算上小廠，海水淡化能力大約是220萬立方米/日。*西班牙西班牙在海水淡化方面有40多年的歷史，并積極向世界各地出售專業(yè)知識。它有900家小 型海水淡化廠，產(chǎn)能150萬立方米/日。目前規(guī)劃利用可再生能源產(chǎn)能170萬立方米/日的水廠項目。*中國目前產(chǎn)量為75萬立方米/日?，F(xiàn)在正建設(shè)一家利用RO反滲透技術(shù)產(chǎn)能300萬立方

10、米/日的水廠，2020年為北京供水。建設(shè)工廠將花費11億美元，輸送到北京的管道將額外花費16億美元。*以色列索萊克（Sorek）水廠建于2013年，生產(chǎn)能力62.7萬立方米/日。到2016年，其供水的50%將來自海水淡化。它采用高效改進RO反滲透膜技術(shù)，因此節(jié)省能源。建設(shè)費用4億美元。*阿爾及利亞擁有一家利用RO反滲透技術(shù)產(chǎn)能50萬立方米/日的大型海水淡化廠。*美國加利福尼亞州圣地亞哥市卡爾斯班（Carlsbad）花費10億美元在2016年要建成采用RO反滲透技術(shù)產(chǎn)能19萬立方米/日的水廠。中國的海水淡化中國約400個城市面臨著嚴重的缺水問題。根據(jù) 國家海洋局數(shù)據(jù)，2014年中國有112家海水

11、淡化廠， 生產(chǎn)能力93萬立方米/日。政府的目標是到2020年海 水淡化能力翻兩番，達到360萬立方米/日。在中國，火電/核電廠、鋼鐵和金屬生產(chǎn)工廠等主 要工業(yè)部門和工業(yè)園區(qū)使用了超過90%的淡化水。 在山東省青島市，采用RO反滲透技術(shù)產(chǎn)能10萬 立方米/日的海水淡化廠于2013年開始運行，由西班 牙阿本戈（Abengoa）集團建設(shè)。另一個項目是大亞灣 附近生產(chǎn)能力33萬立方米/日的水廠。在河北省渤海灣的曹妃甸，挪威阿科凌（Aqualyng）公司于2011年10月建成了 5萬立方米/ 日的水廠，2012年二期工程生產(chǎn)能力增加了一倍。香 港上市的北控水務(wù)集團與阿科凌正在曹妃甸投資70 億人民幣（1

12、0.6億美元）建設(shè)生產(chǎn)能力100萬立方米/ 日的RO反滲透水廠，到2019年通過270公里的管道給 1/3的北京居民供水。為供水北京，規(guī)劃建設(shè)300萬立 方米/日的水廠。管道作為項目的重要組成部分，將耗 資約100億人民幣（15億美元），淡化水供應(yīng)價格為8元 人民幣（1.22美元）/立方米。2013年3月，國家發(fā)展和改革委員會公布了新 的海水淡化規(guī)劃，包括深圳、浙江舟山、浙江鹿西鄉(xiāng)（島）、天津濱海新區(qū)、河北滄州渤海新區(qū)等城市，和一 些工業(yè)園區(qū)和企業(yè)入選試點名單。目標是到2015年生 產(chǎn)能力達到220萬立方米/日，是2011年水平的三倍以 上。根據(jù)規(guī)劃，到2015年超過一半的淡水被引到島嶼， 沿

13、海企業(yè)15%以上的用水來自海水淡化。該規(guī)劃投資 成本大約210億元人民幣(32億美元)。天津一家30萬立方米/日的海水淡化廠正在建設(shè)中，它將成為世界上第一個零液體排放(zero-liquid discharge, ZLD)的水廠，2017年供水石化廠。核能海水淡化核能海水淡化是快速增長的資源，在整個21世紀 將持續(xù)具有很高的潛力。它的優(yōu)點是不會排放溫室氣 體(Green House Gases, GHG)。而且與其他燃料特 別是煤炭相比，生產(chǎn)水的價格非常有競爭力?？少徯詥栴}都可以歸結(jié)為能源的成本。由于燃 煤電廠產(chǎn)生過多的溫室氣體排放，不受人們歡迎。 中國正在轉(zhuǎn)向核電站，目前針對釷基熔鹽(Tho

14、rium molten salt)反應(yīng)堆已經(jīng)開展很多研究，釷基反應(yīng)堆 比钚反應(yīng)堆更安全和經(jīng)濟?；谏虡I(yè)的大規(guī)模采用核能淡化海水將主要取決于經(jīng)濟因素。其成本是70-90美分/立方米，與同一 地區(qū)的化石燃料發(fā)電廠大致相同。表2列出了海水淡化廠聯(lián)合不同類型電廠的成本情況。V酈時嶺罹收milMlMl1KIFuMl岫Mi忡:??！腳耳ii順虹9i14從表中可以看出，核能海水淡化的價格非常有競爭力，而且具有不使用化石燃料的優(yōu)勢。聯(lián)產(chǎn)對于聯(lián)產(chǎn)，我們可以利用火電廠或采用核反應(yīng)堆燃料的發(fā)電站。中國許多沿海城市缺乏淡水，非常適合安裝中小型反應(yīng)堆進行聯(lián)產(chǎn)。最終冷卻系統(tǒng)中的熱水可被用于驅(qū)動渦輪機發(fā)電。然后，渦輪機的低壓

15、蒸汽可用于海水淡化。聯(lián)產(chǎn)設(shè)置的好處是當電網(wǎng)繁忙時，反應(yīng)堆用于發(fā)電；當夜間電網(wǎng)需求較低時，反應(yīng)堆轉(zhuǎn)向淡化水功能，所以沒有浪費能源。2015年國際原子能機構(gòu)IAEA發(fā)表了阿爾及利亞核能海水淡化的初步可行性研究結(jié)果，探討在地中海沿岸的斯基克達（Skikda）采用核能 發(fā)電海水淡化聯(lián)產(chǎn)。與化石燃料相比，選擇核能非常有競爭力。世界核電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)驗哈薩克斯坦、印度和日本等地超過150堆年的實踐經(jīng)驗已經(jīng)證明了核能海水淡化聯(lián)產(chǎn)廠的可行性。*哈薩克斯坦27年來阿克套（Aktau）BN-350快中子反應(yīng)堆成功供給高達135MWe功率的電力，同時生產(chǎn)8萬立方米/日的飲用水，其功率的60%左右用于供熱和海水淡化。它證明了

16、這種聯(lián)產(chǎn)廠的可行性和可靠性。（事實上，油/氣鍋爐與它一起使用，10個多效蒸餾 MED裝置海水淡化能力為12萬立方米/日）。*日本10家海水淡化設(shè)施與壓水反應(yīng)堆電廠聯(lián)合，生產(chǎn) 1.4萬立方米/日的飲用水，已經(jīng)積累了超過100堆年 的經(jīng)驗。*印度自20世紀70年代以來印度一直從事海水淡化研究。2002年，與雙170MWe核電反應(yīng)堆（重水堆）聯(lián)合 的淡水示范廠在卡爾帕卡姆（Kalpakkam）的馬德拉 斯原子能電站建立。這種核能淡化海水聯(lián)合示范項 H（Nuclear Desalination Demonstration Project, NDDP）包括一個產(chǎn)能1800立方米/日的RO反滲透 裝置和一

17、個占成本25%以上的產(chǎn)能4500立方米/日的 MSF多級閃蒸設(shè)備。這是基于混合的MSF-RO技術(shù)、 使用來自核電站的低壓蒸汽和海水的最大的核能海 水淡化廠。過程中有4MWe功率的損失。自2004年左右一家低溫核能海水淡化廠開始運營，它利用特朗貝（Trombay）核研究反應(yīng)堆的余熱， 并為反應(yīng)器供應(yīng)補給水。*巴基斯坦2010年巴基斯坦委任1家產(chǎn)能4800立方米/日的 MED多效蒸餾海水淡化廠與卡拉奇（Karachi）核電廠（一個125MWe的重水堆）聯(lián)合。雖然在2014年，它一直是運行一個454立方米/日的RO反滲透水廠為自 己提供冷卻水。*中國中國廣核集團已委托1家產(chǎn)能10080立方米/日的 海水淡化廠利用余熱進行海水淡化，為遼寧省大連的 新紅沿河項目提供冷卻水。*許多相關(guān)經(jīng)驗來自于俄羅斯、東歐和加拿大的 核電廠（集中供熱是一種副產(chǎn)品）。結(jié)論隨著全球人口正在快速增長，水資源短缺變得越 來越嚴峻。2050年90億