世界水資源短缺：節約用水和海水淡化

■文/郭久亦 翻譯/于冰

世界水資源短缺：節約用水和海水淡化

Worldwide water shortage: Water conservation and seawater desalination

■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——水危機是全球第一大風險。聯合國界定當一個地區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，這一數字將增加。全球淡水需求量每年增加6400億立方米。聯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。聯合國警告說，如果不加以改進，到2030年我們只擁有所需水的60%。

這些所缺的水將從哪里來？更糟的災區在亞洲、中東和北非的半干旱地區。國際原子能機構研究表明有23億人（世界人口的1/3）生活在用水緊張的地區，其中17億人每年可用的水不足1000立方米。到2025年，這一數字將上升至35億。

如此缺水極其令人擔憂，因為這對世界經濟發展的可持續性有很大的影響。由于水對所有行業（農業、礦業、能源生產等）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。中國80%的降水在南方出現，只有20%的降水發生在大部分沙漠地區的北方，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）。中國淡水需求供不應求，消耗水平已經比2012年高出70%。據預測，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。

據媒體報道，南水北調中線工程以前，北京的年人均水量只有100立方米，是世界平均水平的1.25%。由于從南方調水，這一數字將上升到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的水污染問題。2014年中國環境狀況公報顯示，中國近60%的地下水受到污染，35%的水因水質差不適合用于工業、農業或人類消費。然而，一部分受污染水還是被使用了。

節約用水

我們應該集中精力更有效地利用現有的資源，包括：

*更好的水資源可持續管理。

*污染治理。

*水回收。

*減少農業灌溉滲漏。

*收集屋頂和街道雨水。

*循環利用城市生活廢水。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斯蒂克尼（Stickney）污水處理廠處理能力545萬立方米/日，服務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200萬立方米/日。

*提高水價。

*升級雨水系統。

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，但現在也廣泛用于農業和工業用途。然而，海水淡化耗能多（主要是電力），是一項昂貴的業務。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。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

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會陸續上馬，從而減少能源成本：

1)采用石墨膜等納米技術會節省成本，提高效率。

2)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之魚通過，降低了泵壓。

3)水分子通過水通道蛋白質（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。

據世界上最重要的海水淡化權威機構——國際脫鹽協會（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年全球產能是8000多萬立方米/日。到目前為止，供水超過6650萬立方米/日。大部分水用于農業、發電廠、煉油、石油和天然氣、煤炭開采和金屬等行業。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。

表1 主要國家海水淡化能力（立方米/日）

世界上新的大型海水淡化項目

海水淡化廠已經在超過120個國家運行，包括沙特阿拉伯、阿曼、阿聯酋、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，處理能力102.5萬立方米/日，建設成本高達72億美元。紅海附近的拉比格（Rabigh）也在規劃建立處理能力60萬立方米/日的水廠。

*阿拉伯聯合酋長國

目前水廠處理能力460萬立方米/日，建設費用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、利用風能等可再生能源，總產量為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知識。它有900家小型海水淡化廠，產能150萬立方米/日。目前規劃利用可再生能源產能170萬立方米/日的水廠項目。

*中國

目前產量為75萬立方米/日?，F在正建設一家利用RO反滲透技術產能300萬立方米/日的水廠，2020年為北京供水。建設工廠將花費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，因此節省能源。建設費用4億美元。

*阿爾及利亞

擁有一家利用RO反滲透技術產能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反滲透技術產能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。根據國家海洋局數據，2014年中國有112家海水淡化廠，生產能力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、鋼鐵和金屬生產工廠等主要工業部門和工業園區使用了超過90%的淡化水。

在山東省青島市，采用RO反滲透技術產能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。另一個項目是大亞灣附近生產能力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年二期工程生產能力增加了一倍。香港上市的北控水務集團與阿科凌正在曹妃甸投資70億人民幣（10.6億美元）建設生產能力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，規劃建設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），淡化水供應價格為8元人民幣（1.22美元）/立方米。

2013年3月，國家發展和改革委員會公布了新的海水淡化規劃，包括深圳、浙江舟山、浙江鹿西鄉（島）、天津濱海新區、河北滄州渤海新區等城市，和一些工業園區和企業入選試點名單。目標是到2015年生產能力達到220萬立方米/日，是2011年水平的三倍以上。根據規劃，到2015年超過一半的淡水被引到島嶼，沿海企業15%以上的用水來自海水淡化。該規劃投資成本大約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世紀將持續具有很高的潛力。它的優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，生產水的價格非常有競爭力。

可購性問題都可以歸結為能源的成本。由于燃煤電廠產生過多的溫室氣體排放，不受人們歡迎。中國正在轉向核電站，目前針對釷基熔鹽(Thorium molten salt)反應堆已經開展很多研究，釷基反應堆比钚反應堆更安全和經濟。

基于商業的大規模采用核能淡化海水將主要取決于經濟因素。其成本是70-90美分/立方米，與同一地區的化石燃料發電廠大致相同。

表2列出了海水淡化廠聯合不同類型電廠的成本情況。

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勢。

聯產

對于聯產，我們可以利用火電廠或采用核反應堆燃料的發電站。

中國許多沿海城市缺乏淡水，非常適合安裝中小型反應堆進行聯產。最終冷卻系統中的熱水可被用于驅動渦輪機發電。然后，渦輪機的低壓蒸汽可用于海水淡化。聯產設置的好處是當電網繁忙時，反應堆用于發電；當夜間電網需求較低時，反應堆轉向淡化水功能，所以沒有浪費能源。

2015年國際原子能機構IAEA發表了阿爾及利亞核能海水淡化的初步可行性研究結果，探討在地中海沿岸的斯基克達（Skikda）采用核能發電海水淡化聯產。與化石燃料相比，選擇核能非常有競爭力。

表2 海水淡化廠聯合不同類型電廠的成本比較

世界核電聯產經驗

哈薩克斯坦、印度和日本等地超過150堆年的實踐經驗已經證明了核能海水淡化聯產廠的可行性。

*哈薩克斯坦

27年來阿克套（Aktau）BN-350快中子反應堆成功供給高達135MWe功率的電力，同時生產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。它證明了這種聯產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家海水淡化設施與壓水反應堆電廠聯合，生產1.4萬立方米/日的飲用水，已經積累了超過100堆年的經驗。

*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核電反應堆（重水堆）聯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合示范項目（Nuclear Desalination Demonstration Project, NDDP）包括一個產能1800立方米/日的RO反滲透裝置和一個占成本25%以上的產能4500立方米/日的MSF多級閃蒸設備。這是基于混合的MSF-RO技術、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）核研究反應堆的余熱，并為反應器供應補給水。

*巴基斯坦

2010年巴基斯坦委任1家產能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。

*許多相關經驗來自于俄羅斯、東歐和加拿大的核電廠（集中供熱是一種副產品）。

結論

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90億人口將如何利用現如今這么少的水？節約用水，特別是城市廢水循環利用勢在必行。海水淡化價格昂貴、能量密集。但更多的國家正在建設大型海水淡化廠，不只是用于飲用水，而是用于農業灌溉和諸如煤炭開采等水密集型工業。在中國，無論是導致酸雨的空氣污染還是向河流傾倒廢物等引起的水污染，污染治理是首要任務。利用改進的新RO反滲透海水淡化與核電聯產是我們的未來。但是，我們不能忘記世界能源資源不是無限的。

郭久亦（Gioietta Kuo），畢業于劍橋大學，并在牛津大學、普林斯頓大學從事研究多年，是一位主攻能源問題的物理學家。聯系方式：kuopet@ comcast.net。