澳大利亞環(huán)境友好型海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

劉 偉，張 銘

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

引 言

澳大利亞是全球最干旱的大陸，其海水淡化活動(dòng)擁有漫長(zhǎng)的歷史，最初目的是為干旱的偏遠(yuǎn)社區(qū)供水，保障采礦業(yè)、國(guó)防、交通運(yùn)輸和旅游活動(dòng)正常進(jìn)行。近年來(lái)，隨著氣候變化的影響凸顯，澳大利亞興起了將海水淡化作為新水源的浪潮，致力于促進(jìn)供水水源的多樣化，市政和工業(yè)供水成為海水淡化的主要任務(wù)。

目前，海水淡化已成為澳大利亞沿海城市的重要飲用水源之一。相比于水壩、地表水調(diào)送等傳統(tǒng)供水，淡化的社會(huì)和環(huán)境成本較低、不易受氣候變化影響、產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定且特別適于工業(yè)應(yīng)用，這些優(yōu)勢(shì)令澳大利亞日漸支持發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)。

1 澳大利亞海水淡化產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展海水淡化的背景

澳大利亞現(xiàn)將自然降水作為主要飲用水來(lái)源，依賴大壩蓄水供水。政府嚴(yán)禁使用地下水，因?yàn)榈叵滤Y源一旦開采很難恢復(fù)。自2006年起，厄爾尼諾現(xiàn)象影響擴(kuò)大，導(dǎo)致降雨大幅減少，各大城市普遍缺水，因此政府頒布多項(xiàng)限制用水的法規(guī)，通過(guò)節(jié)水等措施渡過(guò)干旱。氣候變化使該國(guó)出現(xiàn)巨大的水資源缺口，迫使政府和水務(wù)行業(yè)開發(fā)淡化海水等“非傳統(tǒng)性水源”，澳大利亞的海水淡化產(chǎn)業(yè)因此迎來(lái)蓬勃發(fā)展的黃金時(shí)期，一批先進(jìn)的大型反滲透海水淡化廠成功投產(chǎn)并為沿海城市供水。2008年后，干旱現(xiàn)象開始好轉(zhuǎn)，東海岸的年降雨量亦恢復(fù)正常，很多大型淡化廠也隨之轉(zhuǎn)入“備用模式”。

1.2 海水淡化產(chǎn)業(yè)規(guī)模

澳大利亞的海水淡化起步于20世紀(jì)初，但其真正的大發(fā)展是進(jìn)入21世紀(jì)后，特別是2006—2012年間澳大利亞的淡化產(chǎn)水能力實(shí)現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)（如圖1所示），一系列獨(dú)具特色的大型市政海水淡化廠投入運(yùn)營(yíng)并成功與可再生能源結(jié)合。至2015年8月，澳大利亞已建淡化廠276座，總產(chǎn)水能力共計(jì)約225.5萬(wàn)噸/日；其中海水淡化廠65座，產(chǎn)水能力約180萬(wàn)噸/日。反滲透是澳大利亞當(dāng)前淡化業(yè)的主流優(yōu)勢(shì)技術(shù)（圖2所示），占淡化產(chǎn)能的97.7%，淡化產(chǎn)水主要用于市政，其次為工業(yè)、發(fā)電等（如圖3所示）[1]。

圖1 澳大利亞2002—2012年海水淡化產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)情況Fig.1 Increase of the capacity and plant number of Australia's seawater desalination industry from 2002 to 2012

1.3 海水淡化廠運(yùn)營(yíng)情況

圖2 澳大利亞各類淡化技術(shù)的應(yīng)用比例Fig.2 Proportion analysis of the use of different desalination technologies in Australia

圖3 澳大利亞淡化產(chǎn)水的用途Fig.3 Proportion analysis of the application of desalinated water in Australia

澳大利亞政府將淡化海水視為一種“靈活、獨(dú)立于氣候變化的保險(xiǎn)水源”，因此當(dāng)降水情況改善和恢復(fù)后，水務(wù)企業(yè)將優(yōu)先使用成本更低的天然水源，并將大型反滲透海水淡化廠轉(zhuǎn)入“備用模式”妥善維護(hù)，待到水源再度匱乏之時(shí)予以重啟[2]。例如2012年12月，產(chǎn)水能力高達(dá)44.4萬(wàn)噸/日、可滿足墨爾本1/3用水需求的維多利亞海水淡化廠投產(chǎn)；但與此同時(shí)，墨爾本大壩的水位在12月上旬達(dá)到81.3%，州政府表示2012—2013財(cái)年不需要任何淡化產(chǎn)水[3]。因此，澳大利亞實(shí)際淡化產(chǎn)水量要遠(yuǎn)低于其產(chǎn)水能力。

1.4 海水淡化立法與研發(fā)活動(dòng)

隨著新興的海水淡化日漸盛行，澳大利亞積極完善相關(guān)立法，力圖保護(hù)環(huán)境與人體健康，促進(jìn)淡化產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展。澳大利亞涉及開發(fā)淡化項(xiàng)目的立法可分為兩大類：管理淡化基礎(chǔ)設(shè)施選址、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的環(huán)境立法；涉及用水、取水權(quán)和水質(zhì)的健康立法[4]。

澳大利亞政府十分重視海水淡化的研發(fā)活動(dòng)，支持不同學(xué)科背景的科學(xué)家與研究機(jī)構(gòu)合作解決錯(cuò)綜復(fù)雜的挑戰(zhàn)，旨在令澳大利亞在新型膜法淡化發(fā)展中保持世界領(lǐng)先地位。

表1 澳大利亞主要的海水淡化相關(guān)立法Tab.1 Main laws and regulations related to seawater desalination in Australia

表2 澳大利亞政府組織的淡化研發(fā)活動(dòng)Tab.2 Major research and development activities for desalination organized by the Australian government

此外，澳大利亞各大學(xué)也積極參與新興淡化科技研發(fā)。例如，維多利亞大學(xué)可持續(xù)發(fā)展與創(chuàng)新研究院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在2011年底的3個(gè)月中利用余熱運(yùn)行了一座產(chǎn)水量為240升/日的試驗(yàn)性工廠，論證膜蒸餾工藝?yán)弥毓I(yè)余熱淡化高鹽度廢水的潛力，其結(jié)果表明膜蒸餾系統(tǒng)具有長(zhǎng)壽命和健全性，可在30℃的低溫條件下生產(chǎn)高品質(zhì)水且無(wú)需增加溫室氣體排放[5]。

澳大利亞國(guó)家水務(wù)委員會(huì)認(rèn)為，阻礙淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)緊迫問(wèn)題是在科學(xué)與工程領(lǐng)域出現(xiàn)的技能短缺。澳大利亞已確認(rèn)淡化產(chǎn)業(yè)對(duì)各學(xué)科領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的需求，計(jì)劃加強(qiáng)學(xué)校與職業(yè)培訓(xùn)、提升水務(wù)行業(yè)形象并實(shí)行靈活的人力資源管理，使淡化產(chǎn)業(yè)能夠留住人才[4]。

2 澳大利亞海水淡化工程特色

由于潛在的環(huán)境影響，澳大利亞民眾對(duì)海水淡化存在一些擔(dān)憂，主要包括：化石能驅(qū)動(dòng)淡化廠導(dǎo)致空氣污染物和溫室氣體排放，加劇氣候變化；濃鹽水排海對(duì)珊瑚礁、紅樹林等敏感生態(tài)系統(tǒng)造成威脅；淡化廠建設(shè)破壞生態(tài)景觀等。澳大利亞新建淡化廠采取針對(duì)性、系統(tǒng)化的解決方案，實(shí)現(xiàn)了良好的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 發(fā)展可再生能源淡化

澳大利亞位于南太平洋和印度洋之間，地處南半球的西風(fēng)帶和東南信風(fēng)帶，擁有充沛的太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源。由于享有得天獨(dú)厚的條件，澳大利亞在可再生能源利用方面一直處于世界領(lǐng)先地位。海水淡化是以能源換淡水的過(guò)程，傳統(tǒng)能源的消耗不可避免地會(huì)造成碳排放等環(huán)境問(wèn)題，因此澳大利亞的很多淡化工程采用了可再生能源供能。澳大利亞2007—2012年間投產(chǎn)的六大反滲透海水淡化廠均間接使用可再生能源作為全部動(dòng)力來(lái)源，主要技術(shù)方式是將風(fēng)電場(chǎng)和太陽(yáng)能電場(chǎng)生產(chǎn)的電能供入智能電網(wǎng)，間接為淡化廠提供動(dòng)力，這也解決了風(fēng)能和太陽(yáng)能強(qiáng)度間斷與多變的問(wèn)題。澳大利亞是全球可再生能源淡化產(chǎn)水能力最高的國(guó)家。

大洋洲民眾普遍承認(rèn)氣候變化將導(dǎo)致不利影響，因此可再生能源淡化在政治上得到支持，獲取了大量潛在資金來(lái)源。澳大利亞政府實(shí)施了一整套改革和法規(guī)措施，促進(jìn)可再生能源和水務(wù)部門發(fā)展，特別是淡化技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和研發(fā)活動(dòng)的融資機(jī)制顯著增強(qiáng)了行業(yè)實(shí)力[6]。

表3 澳大利亞六大可再生能源海水淡化項(xiàng)目概況Tab.3 Profile of Australia's"Big Six"renewable energy powered seawater desalination projects

例如，西澳大利亞州的鴯鹋唐斯風(fēng)電場(chǎng)共有48座渦輪機(jī)（80兆瓦），生產(chǎn)的電力并入西部電力公司的電網(wǎng)，為珀斯海水淡化廠供應(yīng)充足的綠色電能。珀斯淡化廠的能耗量約為4.1千瓦時(shí)/噸產(chǎn)水，自2007年4月投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)已生產(chǎn)了超過(guò)1億噸的淡水，并促進(jìn)了澳大利亞可再生能源認(rèn)證體系建設(shè)[6]。

澳大利亞在淡化與可再生能源直接耦合領(lǐng)域也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。例如，皇家墨爾本理工大學(xué)2007年開發(fā)了一個(gè)太陽(yáng)能熱法淡化研究項(xiàng)目，論證利用太陽(yáng)熱能通過(guò)多級(jí)閃蒸和多效太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行海水淡化的潛力。在金字塔造鹽公司的現(xiàn)場(chǎng)示范中，該工藝可高效生產(chǎn)鹽和淡水，產(chǎn)水量可達(dá)1萬(wàn)～2.5萬(wàn)噸/日。

圖4 珀斯海水淡化廠濃鹽水排放示意圖Fig.4 Sketch map of concentrated brine discharge from the Kwinana Seawater Desalination Plant located south of Perth

可再生能源利用得到政府的大力鼓勵(lì)，不僅出資推動(dòng)研發(fā)示范，還進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行財(cái)政補(bǔ)貼。例如聯(lián)邦政府資助的肯布拉港試驗(yàn)項(xiàng)目2005年成功投產(chǎn)，使用Oceanlinx Mk3 WEC波浪能海水淡化裝置，在落潮期間運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠生產(chǎn)飲用水并向500個(gè)家庭供電。2013年初，工業(yè)部為卡內(nèi)基波浪能開發(fā)公司補(bǔ)助127萬(wàn)美元，支持科克本灣CETO波浪能海水反滲透示范工程的設(shè)計(jì)和建造[7]。

2.2 優(yōu)化濃鹽水排海系統(tǒng)，執(zhí)行持續(xù)監(jiān)測(cè)

澳大利亞六大反滲透海水淡化廠的濃鹽水排放總量超過(guò)150萬(wàn)立方米/日。通過(guò)開展科學(xué)研究，優(yōu)化濃鹽水排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這些淡化廠有效緩解了對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響。以珀斯海水淡化廠為例，其排放系統(tǒng)位于半封閉、水環(huán)流受限的科克本灣，由于排放區(qū)自然交混效應(yīng)較弱，淡化廠采用具有多端口擴(kuò)散器的海洋排放系統(tǒng)。排放管道末段200米設(shè)有40個(gè)彼此間距5米的擴(kuò)散器排放端口，以60度角噴射濃鹽水，此處離岸約500米、水深10米、距海床表面約0.5米。此設(shè)計(jì)令濃鹽水羽流升至8.5米高后因其密度而沉降，在缺少環(huán)境橫流的條件下羽流可延伸約50米到達(dá)混合區(qū)邊緣，那里羽流厚度為2.5米[8]，參見(jiàn)圖4所示。

珀斯項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、染料試驗(yàn)、毒性測(cè)試、環(huán)境調(diào)查等綜合措施，緊密追蹤淡化廠對(duì)海洋環(huán)境的影響。自2006年11月起，科克本灣海底沙床上的傳感器開始不間斷測(cè)量溶解氧濃度，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明濃鹽水排放對(duì)溶解氧無(wú)明顯影響。項(xiàng)目組還將52升紅色熒光染料加入排放的濃鹽水，試驗(yàn)表明染料約擴(kuò)散1.5千米，遠(yuǎn)在距擴(kuò)散器5千米的科克本灣深水保護(hù)區(qū)外。項(xiàng)目組針對(duì)許多幼年階段物種進(jìn)行的一系列毒性測(cè)試結(jié)果表明，在初始稀釋區(qū)邊緣達(dá)到9.2︰1至15.1︰1的濃鹽水稀釋率即可保護(hù)敏感物種，實(shí)際擴(kuò)散器系統(tǒng)則達(dá)到45︰1[8]。此外，項(xiàng)目組還完成了排放區(qū)的大動(dòng)物群落與底棲生境調(diào)查，表明底棲群落無(wú)可歸因于排放的變化，海洋水質(zhì)無(wú)明顯影響，僅底層鹽度增至1 ppt，在背景鹽度波動(dòng)范圍內(nèi)。淡化廠運(yùn)營(yíng)1年后在擴(kuò)散器處攝取的照片表明，盡管濃鹽水具有56.2～64.5 ppt的高鹽度，擴(kuò)散器周圍區(qū)域的海洋生命豐富，對(duì)水質(zhì)變化敏感的海馬也棲息于初始稀釋區(qū)內(nèi)。迄今所有研究和監(jiān)測(cè)均表明，淡化廠未對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生顯著影響。

2.3 淡化工程與周邊環(huán)境相容

在充分考慮并采納環(huán)境保護(hù)組織與淡化廠周圍居民的意見(jiàn)后，澳大利亞政府要求新建淡化廠對(duì)建設(shè)過(guò)程中破壞的生態(tài)景觀進(jìn)行修復(fù)，鼓勵(lì)采用生態(tài)綠色設(shè)計(jì)概念，盡可能減少工程對(duì)周邊環(huán)境的各類影響。

南方海水淡化廠距海岸線約1 300米，圍繞淡化廠的東南邊緣建有8米高、1 100米長(zhǎng)的階地，作用是掩蔽淡化廠，將光污染和噪聲對(duì)附近居民的影響降至最低。在淡化廠和海灘之間設(shè)有一條220米寬、植被覆蓋的“野生動(dòng)物走廊”，能夠?yàn)榄h(huán)尾負(fù)鼠等野生動(dòng)物在薄荷林和按樹林間的遷移提供便利[9]。

南半球最大的墨爾本海水淡化廠以全澳最大的“生物降解材料綠色屋頂”為特色，綠色屋頂掩蔽了主要廠區(qū)，可提供良好的熱控制、抗腐蝕保護(hù)、隔音效果并減少維護(hù)需求。淡化廠周圍設(shè)有緩沖區(qū)，因此建設(shè)和運(yùn)營(yíng)活動(dòng)不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)刂脖缓秃０渡吃斐娠@著影響。為保護(hù)海洋環(huán)境，淡化廠的取水和排放隧道建于沙丘和海床下15～20米處。淡化廠以外的項(xiàng)目區(qū)將建可持續(xù)性生態(tài)景觀，建設(shè)中清除的植被將通過(guò)補(bǔ)種300萬(wàn)株植物的方式得到恢復(fù)。為將淡化廠融入毗鄰環(huán)境、盡可能減少視覺(jué)沖擊和噪聲影響，還利用挖掘出的土壤改建了海岸沙丘[10]。

圖5 珀斯海水淡化廠擴(kuò)散器排放口附近的海洋生命Fig.5 Marine organisms adjacent to the multiport diffuser outfall of the Perth Desalination Plant

圖6 澳大利亞海水淡化典型工程生態(tài)景觀設(shè)計(jì)俯瞰圖Fig.6 Aerial view of the eco-friendly landscape designs of typical seawater desalination projects in Australia

3 澳大利亞經(jīng)驗(yàn)對(duì)中國(guó)的啟示

澳大利亞政府承認(rèn)在全球氣候變化的背景下優(yōu)化水源結(jié)構(gòu)的重要性，明確了海水淡化的定位與作用，通過(guò)系統(tǒng)的政策促進(jìn)產(chǎn)業(yè)高速、高質(zhì)量發(fā)展，同時(shí)強(qiáng)化政府和企業(yè)的環(huán)境責(zé)任。憑借市場(chǎng)需求、政策支持、技術(shù)實(shí)力，以及卓有成效的研發(fā)和立法活動(dòng)，海水淡化在澳大利亞蓬勃發(fā)展，并走上了環(huán)境友好的發(fā)展道路，實(shí)現(xiàn)了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，得到了國(guó)際淡化業(yè)界的廣泛贊譽(yù)，也為我國(guó)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)借鑒。結(jié)合澳大利亞的成功經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)我國(guó)自有海水淡化業(yè)提出發(fā)展建議如下：

（1）完善有關(guān)海水淡化等新興產(chǎn)業(yè)的政策和立法體系，明確海水淡化在保障國(guó)家水安全中的作用，針對(duì)海水淡化所引發(fā)的環(huán)境與健康新問(wèn)題健全現(xiàn)有法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格監(jiān)督執(zhí)法，實(shí)現(xiàn)環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益。

（2）注重前瞻性研究，統(tǒng)籌國(guó)家現(xiàn)有研發(fā)資源和智庫(kù)，制定科學(xué)的淡化技術(shù)發(fā)展路線圖，為我國(guó)淡化產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展提供有效的引領(lǐng)，特別要關(guān)注在正滲透、石墨烯海水淡化等新興技術(shù)領(lǐng)域搶占先機(jī)。

（3）制定長(zhǎng)期人才建設(shè)規(guī)劃，鼓勵(lì)合作和創(chuàng)新，使各種學(xué)科背景的專業(yè)人才能夠?yàn)楹Ｋ瘶I(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)聰明才智，形成合力。

（4）將可再生能源開發(fā)利用及其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作為新興產(chǎn)業(yè)方向，加快建設(shè)可調(diào)控、可測(cè)量的智能輸變電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模接入，提高清潔能源在供電體系中的比重，并研究為海水淡化等產(chǎn)業(yè)間接供能的可行性，以取之不盡的清潔能源和海水置換寶貴的化石能和淡水。

（5）通過(guò)技術(shù)防治措施緩解淡化設(shè)施取水、濃鹽水排放和工程建設(shè)所導(dǎo)致的環(huán)境影響，吸收國(guó)外淡化廠的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念。在海水淡化廠建設(shè)前應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)性研究并收集基線數(shù)據(jù)，在建成投產(chǎn)后還要繼續(xù)監(jiān)測(cè)、追蹤沿海生態(tài)系統(tǒng)的變化，收集翔實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，為科學(xué)立法提供支撐。

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