國際視野下海水淡化“大時代”的來臨

宮 徽，王凱軍

（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

國際視野下海水淡化“大時代”的來臨

宮 徽，王凱軍

（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

我國需要從國家戰(zhàn)略角度，系統(tǒng)考慮和統(tǒng)籌海水淡化產(chǎn)業(yè)在水資源戰(zhàn)略中的重要作用。在海水淡化行業(yè)數(shù)次技術(shù)“大”突破和產(chǎn)業(yè)中心“大”轉(zhuǎn)移的歷史背景下，在工程規(guī)模“大”型化和系統(tǒng)設(shè)計“大”集成的技術(shù)特征下，在日本、韓國、新加坡等亞太諸國技術(shù)聯(lián)合“大”攻關(guān)的挑戰(zhàn)格局下，我國海水淡化行業(yè)迎來“大”挑戰(zhàn)與“大”機(jī)遇共存的新時期。我國海水淡化行業(yè)發(fā)展必須從“大”戰(zhàn)略的新視角，迎接國際視野下海水淡化“大時代”的來臨。

海水淡化；聯(lián)合攻關(guān)；機(jī)遇與挑戰(zhàn)

1 海水淡化是緩解21世紀(jì)水資源緊缺局面的重要手段

世界范圍內(nèi)的水資源緊缺一直是困擾人類社會的重大問題。早在2002年的南非約翰內(nèi)斯堡可持續(xù)發(fā)展世界首腦會議上，水問題即被列為可持續(xù)發(fā)展的五大世界性挑戰(zhàn)之首。根據(jù)2006年聯(lián)合國頒布的人類發(fā)展報告，全球有約1/5的人口生活在水資源緊缺的環(huán)境中，同時還有約1/4的人口由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)的限制而導(dǎo)致生活缺水。伴隨著人口增長和人均用水量的激增，未來用水需求將面臨持續(xù)增長，再考慮到目前水資源的退化情況（地下水過度開采，地表徑流減少及水污染等），用水緊張的局面難以避免。根據(jù)聯(lián)合國秘書長潘基文在2013年的全球水峰會上預(yù)測，到2030年，全球用水需求將增長40%，屆時全球一半的人口都將面臨水資源短缺的威脅。我國水資源緊缺的情況同樣不容樂觀，根據(jù)住建部的統(tǒng)計，目前全國657個城市中已經(jīng)有300多個屬于聯(lián)合國人居環(huán)境署評價標(biāo)準(zhǔn)中的“嚴(yán)重缺水”和“缺水”城市。毫不夸張地說，保障水資源供給既是我國當(dāng)前推進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)的戰(zhàn)略需求，更是未來支撐我國社會下一輪經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略保證。

從海水中大規(guī)模獲取淡水是人類千百年來希望實現(xiàn)的夢想。美國總統(tǒng)肯尼迪在上世紀(jì)中期曾指出，從服務(wù)

人類的角度來看，如果能夠以較低的成本實現(xiàn)海水淡化，那將是使其他任何科學(xué)成就都黯然失色的偉大進(jìn)步。面對當(dāng)前水資源短缺的嚴(yán)峻局面，考慮到水資源的稀缺性和不可替代性，海水淡化以拓展可利用水資源總量為突出特征，是緩解21世紀(jì)水資源緊缺局面的重要手段。

2 海水淡化行業(yè)實現(xiàn)數(shù)次技術(shù)大突破

近50年來，海水淡化行業(yè)在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展。隨著熱法和膜法等海水淡化工藝的商業(yè)化，海水淡化工程規(guī)模不斷上升。如圖1所示，以多效蒸餾（Multiple-Effect Distillation，MED）和多級閃蒸（Multi-Stage Flash, MSF）為代表的熱法海水淡化工藝自20世紀(jì)70年代問世后，在80年代的中東地區(qū)首次得到大量應(yīng)用。從90年代起，反滲透（Reverse Osmosis，RO）工藝也實現(xiàn)歷史性的技術(shù)突破，隨著反滲透膜材料脫鹽率和產(chǎn)水量的提高、核心裝置包括高壓泵和能量回收裝置的問世以及大規(guī)模淡化廠系統(tǒng)集成技術(shù)如三個中心的成熟，反滲透膜法海水淡化逐步取代熱法成為海水淡化市場的主流工藝。目前全球海水淡化總規(guī)模約在7000萬m3/d，共計1.6萬余座淡化水廠。其中，約60%產(chǎn)能采用的是RO工藝，而熱法工藝約占34%，其中包括在行業(yè)統(tǒng)籌條件下實現(xiàn)的熱膜耦合工藝。

圖1 歷年世界海水淡化市場新增規(guī)模和工藝發(fā)展情況

3 工程規(guī)模大型化是海水淡化行業(yè)發(fā)展的新趨勢

日益增長的水資源需求決定了當(dāng)前世界海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出工程規(guī)模大型化的特點。目前，海水淡化的成本已經(jīng)持平甚至低于長距離跨區(qū)域調(diào)水，海水淡化行業(yè)也已經(jīng)擺脫了早先僅僅為海島或其他特殊情況供水的角色，成為人類社會重要的供水渠道之一。經(jīng)過30余年的不斷發(fā)展，以反滲透膜工藝為代表的海水淡化廠的常見規(guī)模已經(jīng)從早先的1萬～5萬t/d，發(fā)展到如今的10萬～40萬t/d。大型化的海水淡化廠已成為未來海水淡化廠建設(shè)的新常態(tài)。目前世界范圍內(nèi)超過40萬t/d的海水淡化廠已經(jīng)有10余座，且基本都是在2009年后建成的。相應(yīng)的，適用于大型海水淡化廠的16英寸大直徑反滲透膜組件也得以開發(fā)，以取代原有的常規(guī)8英寸膜組件，單位組件的產(chǎn)水能力增長約為原組件的4倍。世界上首例使用16英寸大組件的海水淡化廠，正是目前世界規(guī)模最大的以色列Sorek海水淡化廠，其規(guī)模超過50萬t/d。

4 系統(tǒng)設(shè)計大集成是海水淡化行業(yè)發(fā)展的新特征

海水淡化工程系統(tǒng)設(shè)計大集成的發(fā)展趨勢主要是追求更低系統(tǒng)能耗。目前主流的反滲透膜法工藝包括取水、預(yù)處理、反滲透脫鹽、泵系統(tǒng)、能量回收、后處理、濃鹽水處理等流程，其中反滲透脫鹽環(huán)節(jié)是主要的耗能過程。早期反滲透脫鹽環(huán)節(jié)的能耗非常高，在1970年高達(dá)15～17kW·h/m3。近年來反滲透工藝實現(xiàn)了技術(shù)突破，具體表現(xiàn)為膜材料性能的提高、能量回收裝置的廣泛采用和高效高壓泵的發(fā)展，反滲透環(huán)節(jié)的能耗也隨之大幅降低。2008年的典型海水淡化工程實現(xiàn)了反滲透脫鹽環(huán)節(jié)的能耗穩(wěn)定在1.8kW·h/m3，該數(shù)值已經(jīng)接近最低理論能耗（含鹽35,000ppm的海水以50%回收率計算，脫鹽的最低理論能耗約為1.06kW·h/m3），且在工藝總體能耗中所占比例已經(jīng)可以低于50%[1]。 這一方面說明反滲透脫鹽環(huán)節(jié)的能耗已經(jīng)降低到了比較低的水平，進(jìn)一步下降的空間有限，另一方面從側(cè)面說明降低海水淡化總體能耗需要從系統(tǒng)集成的角度出發(fā)，利用高級調(diào)控技術(shù)，綜合提高系統(tǒng)效率，從取水、預(yù)處理、后處理等各個流程環(huán)節(jié)尋求突破，這也凸顯了未來海水淡化廠系統(tǒng)集成化的發(fā)展趨勢。未來大型甚至超大型海水淡化廠的建設(shè)更迫切需要高級系統(tǒng)集成技術(shù)的支持。

此外，在傳統(tǒng)反滲透過程脫鹽環(huán)節(jié)能耗已經(jīng)接近理論最低值的情況下，為了進(jìn)一步降低能耗，除了通過加強(qiáng)系統(tǒng)集成、提高系統(tǒng)效率外，開發(fā)新型脫鹽技術(shù)在促進(jìn)未來海水淡化行業(yè)的發(fā)展上顯示出巨大潛力。目前，包括正滲透技術(shù)、膜蒸餾、仿生膜材料等新型脫鹽技術(shù)

的研發(fā)都取得長足進(jìn)展。

5 產(chǎn)業(yè)中心大轉(zhuǎn)移是海水淡化行業(yè)發(fā)展的新階段

世界海水淡化行業(yè)中心現(xiàn)正悄然發(fā)生著從中東地區(qū)遷往亞太地區(qū)的大轉(zhuǎn)移。歷史上，海水淡化產(chǎn)業(yè)最早在中東地區(qū)得到長足發(fā)展，尤其以熱法和熱膜耦合工藝為典型，在中東各國得到大量應(yīng)用，這可以視為是世界海水淡化行業(yè)發(fā)展的第一個階段?？梢钥吹?，中東的淡水需求和歐美的技術(shù)支持主導(dǎo)了該階段的發(fā)展，如商務(wù)市場主要由以色列的IDE和法國的SIDEM等公司所主導(dǎo)。近年來，亞洲（中國、新加坡、印度、日本、韓國）、歐洲（西班牙）、北美（美國）以及大洋洲（澳大利亞）等地區(qū)的海水淡化行業(yè)發(fā)展迅速，尤其是亞太地區(qū)既存在人口和經(jīng)濟(jì)增長帶來的水資源需求，又擁有較強(qiáng)的海水淡化技術(shù)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，在世界海水淡化行業(yè)新興市場中顯示出巨大活力。隨著海水淡化研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)研發(fā)中心不斷在亞太地區(qū)成立，世界海水淡化行業(yè)中心逐步向亞太地區(qū)傾斜，這可以視作世界海水淡化行業(yè)發(fā)展的第二個階段。在此新階段，亞太地區(qū)的海水淡化需求和技術(shù)都得到長足發(fā)展。目前，新加坡已經(jīng)成功推動以反滲透為主導(dǎo)的技術(shù)工藝，海水淡化成為該國四大供水渠道之一。在行業(yè)市場上，新加坡凱發(fā)集團(tuán)、日本東麗公司、韓國斗山重工、印度WABAG集團(tuán)等亞太公司都已經(jīng)積累了可觀的海水淡化業(yè)績，反映出亞太各國海水淡化產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展之勢。

6 組織大型聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)是亞太地區(qū)各國發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的新格局

以日本、韓國為代表的亞太諸國都充分意識到世界海水淡化產(chǎn)業(yè)格局的變化，以及在這新歷史時期下所帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，因此不約而同地形成了大型海水淡化聯(lián)合攻關(guān)的新格局，及擬通過聯(lián)合科技攻關(guān)的方式應(yīng)對支持海水淡化大時代的發(fā)展和挑戰(zhàn)，大型化的海水淡化時代已經(jīng)到來。日本將培育海水淡化產(chǎn)業(yè)競爭力提高到國家戰(zhàn)略層面。日本政府在2000 年提出“50 年內(nèi)產(chǎn)生30 名左右的諾貝爾獎獲得者”的目標(biāo)后，推出了“世界尖端科技研發(fā)項目（Funding Program for World Leading Innovation R&D on Science & Technology，F(xiàn)IRST 項目）”，遴選了30個有可能在未來3～5年沖擊世界一流水平的科研團(tuán)隊及領(lǐng)軍科學(xué)家，投入2000億日元科研經(jīng)費(fèi)（約合160億元人民幣）。其中，針對未來大規(guī)模海水淡化需求的“百萬噸級別綜合海水淡化系統(tǒng)研究（Mega-ton water system）”即為該計劃支持的項目之一[2]。項目由曾擔(dān)任亞太脫鹽協(xié)會會長的栗原優(yōu)（Masaru Kurihara）主持，分別針對反滲透脫鹽過程（高效大型分離膜研究、海水取水技術(shù)、正滲透膜發(fā)電技術(shù)、高效能量回收裝置研究、低成本耐腐蝕輸水管研究）和系統(tǒng)集成技術(shù)（百萬噸級規(guī)模大型海水淡化工程設(shè)計及優(yōu)化研究，革新的資源生產(chǎn)型海水淡化/污水整合膜處理系統(tǒng)）開展相關(guān)研究（見圖2）。項目總體目標(biāo)希望實現(xiàn)海水淡化綜合成本下降50%。項目同時提出了16英寸大組件、甚至24英寸超大組件的應(yīng)用研發(fā)，以及基于正滲透系統(tǒng)的海水淡化與污水處理組合系統(tǒng)的研究。

圖2 隸屬FIRST計劃的日本百萬噸級別綜合海水淡化系統(tǒng)研究項目

韓國不僅重視海水淡化前沿技術(shù)的研發(fā)，同時格外關(guān)注本國海水淡化產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。目前以光州科學(xué)技術(shù)研究院為承擔(dān)單位，在約合9.15億元人民幣科研經(jīng)費(fèi)的支持下開展了SeaHero項目（見圖3），對反滲透海水淡化技術(shù)從預(yù)處理到后處理進(jìn)行全流程研究。項目緊密聯(lián)合了韓國國內(nèi)科研院所和以韓國斗山重工為代表的具有行業(yè)領(lǐng)先實力的重要企業(yè)，注重推動產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展。

圖3 韓國SeaHero海水淡化聯(lián)合科技攻關(guān)研究項目

7 我國海水淡化行業(yè)迎來大挑戰(zhàn)與大機(jī)遇共存的新時期

我國早在1967～1969年期間就由國家科委和國家海洋局共同組織了全國海水淡化會戰(zhàn)?！捌呶濉币詠恚礉B透海水淡化技術(shù)的開發(fā)研究一直列入國家重點攻關(guān)項目，也曾獲得“863”項目和國家科技支撐計劃課題的支持。然而，雖然我國海水淡化技術(shù)研發(fā)起步很早，但行業(yè)整體一直沒有實現(xiàn)良好的產(chǎn)業(yè)化突破。

面對我國海水淡化行業(yè)發(fā)展不足的現(xiàn)狀和世界海水淡化市場發(fā)展的新局面，海水淡化產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)獲得國家層面的政策支持。中共“十八大”報告首次提出建設(shè)海洋強(qiáng)國，并指出我國應(yīng)“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護(hù)國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國”。海水淡化產(chǎn)業(yè)在提供水資源的同時，還可以帶動上下游產(chǎn)業(yè)乃至海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是我國海洋戰(zhàn)略的組成部分。一方面，海水淡化通過擴(kuò)展水資源供給可以支持我國沿海近海地區(qū)的下一輪社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展；另一方面，海水淡化產(chǎn)業(yè)本身體量大，且具有鹽化工等上下游延伸產(chǎn)業(yè)鏈，是吸納投資、拉動投資的理想著手點。2012年2月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見》。12月，國家發(fā)改委發(fā)布海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃，明確提出海水淡化是水資源的重要補(bǔ)充和戰(zhàn)略儲備[3]。同時提出明確的近期發(fā)展目標(biāo)，即到2015年，我國海水淡化產(chǎn)能達(dá)到220萬m3/d以上，并提高海水淡化產(chǎn)業(yè)的整體水平。目前，我國海水淡化大工程的建設(shè)已經(jīng)取得初步進(jìn)展，天津已建成亞洲最大的大港新泉海水淡化工程，河北曹妃甸建成了日產(chǎn)5萬噸的海水淡化示范工程。2013年國家發(fā)改委啟動了第一批產(chǎn)業(yè)發(fā)展試點地區(qū)，深圳市和浙江舟山市入選海水淡化試點城市，天津濱海新區(qū)、河北滄州渤海新區(qū)入選試點園區(qū)。北京、天津、大連等地近期也將工程規(guī)劃提上議程。我國海水淡化的工程建設(shè)已呈方興未艾之勢，未來的累積海水淡化工程量預(yù)期有望大大超出原有220萬m3/d的規(guī)劃規(guī)模。我國海水淡化行業(yè)將迎來大挑戰(zhàn)與大機(jī)遇共存的新時期。

8 我國海水淡化行業(yè)發(fā)展大戰(zhàn)略的新視角

近年來，為應(yīng)對海水淡化“大時代”的挑戰(zhàn)，海水淡化技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化都被推向新的戰(zhàn)略高度。北京、天津、大連等沿海或近海城市及省份，紛紛依托本地的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和市場需求培育促進(jìn)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。例如北京市通過整合北控水務(wù)集團(tuán)、賽諾水務(wù)科技有限公司、清華大學(xué)等重點企業(yè)和科研院所，組建了“中關(guān)村新能源海水淡化技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，北京市科委也啟動了“海水淡化重大科技專項”。然而，在國家層面尚欠缺對海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的統(tǒng)籌思考和頂層設(shè)計。參照國內(nèi)外發(fā)展趨勢，從海水淡化行業(yè)發(fā)展大戰(zhàn)略的新視角出發(fā)，提出以下發(fā)展目標(biāo)和建議：

（1）建設(shè)百萬噸級海水淡化工程，構(gòu)成海水淡化新型產(chǎn)業(yè)大格局

北京百萬噸級海水淡化工程一期日產(chǎn)100萬噸，其規(guī)模為世界之最。預(yù)期水廠建設(shè)投資約100億元，管線投資約300億元。工程遠(yuǎn)期規(guī)模預(yù)期達(dá)到日產(chǎn)300萬噸，廠網(wǎng)積累總投資近千億元。如果再考慮海水淡化產(chǎn)業(yè)鏈下游鹽化工等產(chǎn)業(yè)，百萬噸級海水淡化工程帶動的投資總規(guī)模可達(dá)幾千億元。在大工程的示范帶動作用下，海水淡化作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)有望成為名副其實的經(jīng)濟(jì)發(fā)展新增長點，形成海水淡化新型產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略格局。

（2）以科技大攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)大聯(lián)盟的形式，集聚和打造國內(nèi)領(lǐng)先、世界一流的海水淡化技術(shù)綜合能力

借鑒國外科技聯(lián)合大攻關(guān)的模式，通過國家層面組織重大科技專項，充分利用我國在經(jīng)濟(jì)、科技以及人才領(lǐng)域的儲備，調(diào)動社會有效資源，形成具有強(qiáng)大國際競爭力的海水淡化人才戰(zhàn)略高地，最終打造成國內(nèi)領(lǐng)先、世界一流的海水淡化工程技術(shù)研發(fā)中心。同時，利用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的行業(yè)帶動作用，例如美國的政府、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)成立了致力于實現(xiàn)可接受海水淡化價格的脫鹽聯(lián)盟（ADC，Affordable Desalination Collaboration），以成立產(chǎn)業(yè)大聯(lián)盟的形式，集聚和打造國內(nèi)領(lǐng)先、世界一流的海水淡化技術(shù)綜合能力。

（3）構(gòu)建面向百萬噸級的海水淡化戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)與技術(shù)體系，主導(dǎo)海水淡化新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)發(fā)展

利用百萬噸海水淡化工程的市場優(yōu)勢，整合海水淡化產(chǎn)業(yè)鏈上下游資源，聚集培育一批技術(shù)領(lǐng)先、資金雄厚、研發(fā)能力強(qiáng)的企業(yè)、水務(wù)公司和科研院所，促進(jìn)我國海水淡化產(chǎn)業(yè)和市場的發(fā)展和成熟。以發(fā)展戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的角度，從國家層面施行產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的頂層設(shè)計，構(gòu)建面向百萬噸級的海水淡化戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)與技術(shù)體系，利用后發(fā)優(yōu)勢主導(dǎo)海水淡化產(chǎn)業(yè)新一輪發(fā)展，甚至影響世界海水淡化市場的發(fā)展。

總之，我國水資源嚴(yán)重短缺，且面臨時空分布嚴(yán)重

不均、水環(huán)境污染等問題，無論從歷史上看，還是從眼下乃至未來，水資源都是影響我國社會發(fā)展的重要限制因素。因此，必須從國家戰(zhàn)略角度系統(tǒng)得考慮和統(tǒng)籌我國水資源問題。

海水淡化是水資源戰(zhàn)略的重要組成部分，拓展淡水資源總量的特征更凸顯了其難以替代的戰(zhàn)略地位。良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、迫切的市場需求和清晰的政策導(dǎo)向，將指引我國海水淡化行業(yè)發(fā)展迎來新的機(jī)遇期。與此同時，在海水淡化行業(yè)數(shù)次技術(shù)“大”突破和產(chǎn)業(yè)中心“大”轉(zhuǎn)移的歷史背景下，在工程規(guī)模“大”型化和系統(tǒng)設(shè)計“大”集成的技術(shù)特征下，在日本、韓國、新加坡等亞太諸國技術(shù)聯(lián)合“大”攻關(guān)的挑戰(zhàn)格局下，我國海水淡化行業(yè)迎來“大”挑戰(zhàn)與“大”機(jī)遇共存的新時期。我國海水淡化行業(yè)發(fā)展必須從“大”戰(zhàn)略的新視角，迎接國際視野下海水淡化“大時代”的來臨。

[1]Elimelech, Menachem, and William A. Phillip. “The future of seawater desalination: energy, technology, and the environment.” Science 333.6043 (2011): 712-717.

[2]Kurihara, Masaru, and Masayuki Hanakawa. “Mega-ton Water System: Japanese national research and development project on seawater desalination and wastewater reclamation.” Desalination 308 (2013): 131-137.

[3]國家發(fā)展改革委.關(guān)于印發(fā)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃的通知（發(fā)改環(huán)資[2012]3867號）[Z].2012-12-9.

Approach of “Big Age” of Sea Water Desalination under International Perspective

GONG Hui, WANG Kai-jun

X171

A

1006-5377（2015）08-0030-05