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(wú)來(lái)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(guò)剩問(wèn)題，世界經(jīng)濟(jì)論壇在2015年1月宣布基于對(duì)社會(huì)影響破壞的量化，水資源短缺問(wèn)題一一水危機(jī)是全球第一大風(fēng)險(xiǎn)。聯(lián)合國(guó)界定當(dāng)一個(gè)地區(qū)的人均水資源量跌破1700立方米/人為用水緊張，當(dāng)人均水資源量低于1000立方米/人為缺水。據(jù)估計(jì)，全世界10%的人口沒(méi)有安全的飲用水。隨著世界人口快速增長(zhǎng)，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(guó)教科文組織報(bào)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(guó)警告說(shuō)，如果不加以改進(jìn)，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(lái)？更糟的災(zāi)區(qū)在亞洲、中東和北非的半干旱地區(qū)。國(guó)際原子能機(jī)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(dān)憂，因?yàn)檫@對(duì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)性有很大的影響。由于水對(duì)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(lái)說(shuō)是必不可少的。中國(guó)水資源短缺的根本原因在于，盡管中國(guó)擁有世界21%的人口，卻只有7%的世界淡水供應(yīng)。中國(guó)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(guó)

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(yù)測(cè)， 中國(guó)到2020年需水量將達(dá)到6700億立方米，而水資源 隨著時(shí)間卻越來(lái)越少。據(jù)媒體報(bào)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(guó)和美國(guó)分別為150升/日和560升/日。 然而，伴隨缺水的是全國(guó)范圍內(nèi)的水污染問(wèn)題。2014年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)顯示，中國(guó)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(fèi)。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(lái)必須做的事。許多國(guó)家正在針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行嘗試，排名前5位的 污水處理廠有：-美國(guó)芝加哥大都會(huì)區(qū)斯蒂克尼（Stickney）污水處理廠處理能力545萬(wàn)立方米/日，服務(wù)240萬(wàn)人。年度預(yù)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(jiàn)海水淡化部分）；-美國(guó)波士頓水廠480萬(wàn)立方米/日；-美國(guó)底特律水廠348萬(wàn)立方米/日；-中國(guó)上海水廠200萬(wàn)立方米/日；-墨西哥阿托托尼爾科（Atotonilco）水廠

5、200萬(wàn)立方米/日。*提高水價(jià)。*升級(jí)雨水系統(tǒng)。海水淡化由于全球冰川正在快速融化，過(guò)度抽取地下水導(dǎo)致含水層枯竭和河流污染，人類已經(jīng)沒(méi)有 很多選擇。海水淡化是解決居民用水問(wèn)題的一個(gè)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(xiàng)昂貴的業(yè)務(wù)。不論是資本成本還是運(yùn)行成本，海水淡化能耗大約為3-10千瓦時(shí)/立方米。但是，成本也取決于例如運(yùn)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(shí)，包括泵海水到工廠耗電1.3千瓦時(shí)和反滲透海水淡化工序耗電2.2千瓦時(shí)。目前電力價(jià)格為0.12美元/千瓦時(shí)，3.5千瓦時(shí)電力折算為0.42美元/立

6、方米。它的費(fèi)用大約是雨水和廢水處理費(fèi)用的2-3倍。多級(jí)閃蒸的費(fèi)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(guò)電泵施加高壓克服阻力通過(guò)半透膜，淡水透過(guò)膜，而鹽留下來(lái)。該工藝電耗高，噸水耗電大約3-8千瓦時(shí)。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(biāo)準(zhǔn)反滲透RO工藝更有效的新技術(shù)會(huì)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(huì)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(yú)通過(guò)，降低了泵壓。水分子通

7、過(guò)水通道蛋白質(zhì)(高效運(yùn)輸水)制成的管道。正電荷排斥每個(gè)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(qiáng)力方法。這是簡(jiǎn)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(guò)程需要電力10千瓦時(shí)/立方米。據(jù)世界上最重要的海水淡化權(quán)威機(jī)構(gòu)一一國(guó)際脫鹽協(xié)會(huì)(International Desalination Association，IDA)得知：2013年世界總共有超過(guò)1.7萬(wàn)家海水淡化廠。2013年全球產(chǎn)能是8000多萬(wàn)立方米/日。到目前為 止，供水超

8、過(guò)6650萬(wàn)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(kāi)采和金屬等行業(yè)。有 超過(guò)3億人日常生活全部或部分依靠海水淡化。主要國(guó)家海水淡化能力見(jiàn)表1，合計(jì)3396萬(wàn)立方米/日。M就叫;*癡1酬相搦出仙山1荷時(shí)世界上新的大型海水淡化項(xiàng)目海水淡化廠已經(jīng)在超過(guò)120個(gè)國(guó)家運(yùn)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(guó)、 日本和澳大利亞。許多水廠即將運(yùn)行。各國(guó)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(jí)閃蒸的混合技術(shù)，處理能力102.5萬(wàn)立方米/日，建設(shè)成本高達(dá)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(wàn)立方米/日的水廠。*阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)目前水廠處理能力460萬(wàn)立方米/日，建設(shè)費(fèi)用27億美元，積極利用太陽(yáng)能。*澳大利亞由于長(zhǎng)期干旱，6家水廠采用RO反滲透技術(shù)、利用風(fēng)能等可再生能源，總產(chǎn)量為145萬(wàn)立方米/日?？傮w而言，算上小廠，海水淡化能力大約是220萬(wàn)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(shí)。它有900家小 型海水淡化廠，產(chǎn)能150萬(wàn)立方米/日。目前規(guī)劃利用可再生能源產(chǎn)能170萬(wàn)立方米/日的水廠項(xiàng)目。*中國(guó)目前產(chǎn)量為75萬(wàn)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(wàn)立方

10、米/日的水廠，2020年為北京供水。建設(shè)工廠將花費(fèi)11億美元，輸送到北京的管道將額外花費(fèi)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(wàn)立方米/日。到2016年，其供水的50%將來(lái)自海水淡化。它采用高效改進(jìn)RO反滲透膜技術(shù)，因此節(jié)省能源。建設(shè)費(fèi)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(wàn)立方米/日的大型海水淡化廠。*美國(guó)加利福尼亞州圣地亞哥市卡爾斯班（Carlsbad）花費(fèi)10億美元在2016年要建成采用RO反滲透技術(shù)產(chǎn)能19萬(wàn)立方米/日的水廠。中國(guó)的海水淡化中國(guó)約400個(gè)城市面臨著嚴(yán)重的缺水問(wèn)題。根據(jù) 國(guó)家海洋局?jǐn)?shù)據(jù)，2014年中國(guó)有112家海水

11、淡化廠， 生產(chǎn)能力93萬(wàn)立方米/日。政府的目標(biāo)是到2020年海 水淡化能力翻兩番，達(dá)到360萬(wàn)立方米/日。在中國(guó)，火電/核電廠、鋼鐵和金屬生產(chǎn)工廠等主 要工業(yè)部門(mén)和工業(yè)園區(qū)使用了超過(guò)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(wàn) 立方米/日的海水淡化廠于2013年開(kāi)始運(yùn)行，由西班 牙阿本戈（Abengoa）集團(tuán)建設(shè)。另一個(gè)項(xiàng)目是大亞灣 附近生產(chǎn)能力33萬(wàn)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(wàn)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(tuán)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(wàn)立方米/ 日的RO反滲透水廠，到2019年通過(guò)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(wàn)立 方米/日的水廠。管道作為項(xiàng)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(jià)格為8元 人民幣（1.22美元）/立方米。2013年3月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)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?yàn)I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(diǎn)名單。目標(biāo)是到2015年生 產(chǎn)能力達(dá)到220萬(wàn)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(guò)一半的淡水被引到島嶼， 沿

13、海企業(yè)15%以上的用水來(lái)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(wàn)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(gè)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(zhǎng)的資源，在整個(gè)21世紀(jì) 將持續(xù)具有很高的潛力。它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)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(jià)格非常有競(jìng)爭(zhēng)力?？少?gòu)性問(wèn)題都可以歸結(jié)為能源的成本。由于燃 煤電廠產(chǎn)生過(guò)多的溫室氣體排放，不受人們歡迎。 中國(guó)正在轉(zhuǎn)向核電站，目前針對(duì)釷基熔鹽(Tho

14、rium molten salt)反應(yīng)堆已經(jīng)開(kāi)展很多研究，釷基反應(yīng)堆 比钚反應(yīng)堆更安全和經(jīng)濟(jì)?；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(jì)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(shí)嶺罹收milMlMl1KIFuMl岫Mi忡:?。∧_耳ii順虹9i14從表中可以看出，核能海水淡化的價(jià)格非常有競(jìng)爭(zhēng)力，而且具有不使用化石燃料的優(yōu)勢(shì)。聯(lián)產(chǎn)對(duì)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(guó)許多沿海城市缺乏淡水，非常適合安裝中小型反應(yīng)堆進(jìn)行聯(lián)產(chǎn)。最終冷卻系統(tǒng)中的熱水可被用于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。然后，渦輪機(jī)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(dāng)電網(wǎng)繁忙時(shí)，反應(yīng)堆用于發(fā)電；當(dāng)夜間電網(wǎng)需求較低時(shí)，反應(yīng)堆轉(zhuǎn)向淡化水功能，所以沒(méi)有浪費(fèi)能源。2015年國(guó)際原子能機(jī)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(dá)（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(jìng)爭(zhēng)力。世界核電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)哈薩克斯坦、印度和日本等地超過(guò)150堆年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(lái)阿克套（Aktau）BN-350快中子反應(yīng)堆成功供給高達(dá)135MWe功率的電力，同時(shí)生產(chǎn)8萬(wàn)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(shí)上，油/氣鍋爐與它一起使用，10個(gè)多效蒸餾 MED裝置海水淡化能力為12萬(wàn)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(wàn)立方米/日的飲用水，已經(jīng)積累了超過(guò)100堆年 的經(jīng)驗(yàn)。*印度自20世紀(jì)70年代以來(lái)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(xiàng) H（Nuclear Desalination Demonstration Project, NDDP）包括一個(gè)產(chǎn)能1800立方米/日的RO反滲透 裝置和一

17、個(gè)占成本25%以上的產(chǎn)能4500立方米/日的 MSF多級(jí)閃蒸設(shè)備。這是基于混合的MSF-RO技術(shù)、 使用來(lái)自核電站的低壓蒸汽和海水的最大的核能海 水淡化廠。過(guò)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(kāi)始運(yùn)營(yíng)，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(bǔ)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(gè)125MWe的重水堆）聯(lián)合。雖然在2014年，它一直是運(yùn)行一個(gè)454立方米/日的RO反滲透水廠為自 己提供冷卻水。*中國(guó)中國(guó)廣核集團(tuán)已委托1家產(chǎn)能10080立方米/日的 海水淡化廠利用余熱進(jìn)行海水淡化，為遼寧省大連的 新紅沿河項(xiàng)目提供冷卻水。*許多相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(zhǎng)，水資源短缺變得越 來(lái)越嚴(yán)峻。2050年90億