海水淡化發(fā)展利用狀況分析與啟示

孫 珊，金曉杰，于瀟瀟，由麗萍，王立明

（山東省海洋資源與環(huán)境研究院，山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東煙臺(tái) 264006）

由于當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，淡水資源短缺已是一個(gè)全球性的問題。我國是海洋強(qiáng)國，對海水進(jìn)行有效地開發(fā)利用，可成為淡水重要的補(bǔ)充來源。海水淡化作為沿海地區(qū)非常規(guī)的新型水資源，其開發(fā)利用已逐漸受到中央和地方政府的重視。海水資源綜合利用的研究有3個(gè)重要領(lǐng)域：（1）海水淡化，即運(yùn)用海水淡化的方法生產(chǎn)淡水〔1- 2〕，是海水利用的主要形式；（2）海水直接使用，即用海水代替淡水，應(yīng)用于工業(yè)冷卻水及生活用水〔3-4〕；（3）綜合利用化學(xué)資源，提取海水中的化學(xué)元素，進(jìn)行深加工處理〔5〕。全球淡水只占總水資源的 2.5%，而海水占97.5%〔4〕，海水是水資源的重要寶庫。開發(fā)海水綜合利用及淡化技術(shù)已經(jīng)是沿海人口稠密地區(qū)淡水資源供給的主要途徑之一〔6〕。目前，海水淡化應(yīng)用廣泛， 2010— 2019年，全球海水淡化裝機(jī)容量每年增長7%左右，為滿足全球日益增長的淡水需求提供了技術(shù)支持〔7〕。

我國在《海水淡化利用發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021— 2025年）》〔8〕中提出，“十四五”時(shí)期要著力推進(jìn)居民供水、工業(yè)園區(qū)、海島、船舶用水方面的海水淡化規(guī)模化利用。筆者對海水淡化的應(yīng)用情況及相關(guān)政策進(jìn)行了匯總，通過綜合分析海水淡化發(fā)展存在的問題，提出了依托我國經(jīng)略海洋和海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的海水淡化利用的相關(guān)對策，希望為基于海水資源綜合利用領(lǐng)域的研究提供一定的參考。

1 海水淡化技術(shù)

目前，海水淡化常用的技術(shù)分成 2大類：膜法海水淡化（主要是反滲透RO技術(shù)）和熱法海水淡化（多效蒸餾MED技術(shù)、多級閃蒸MSF技術(shù)）〔9〕。熱法和膜法各有利弊。熱法具有設(shè)備工藝簡單、化學(xué)試劑用量很少、對環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)備噪音大、投資高、無廢熱時(shí)單位制水成本也高〔10〕。膜法（RO技術(shù)）雖設(shè)備投資少、運(yùn)行費(fèi)用及單位制水成本低，但設(shè)備工藝及運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，尤其是膜元件的廢棄還會(huì)給環(huán)境帶來二次污染。反滲透法因在成本上比熱法具有優(yōu)勢，應(yīng)用更為廣泛，平均淡化成本約為熱法的 23%〔6〕。

全球主要海水淡化技術(shù)的應(yīng)用情況見圖 1。RO、MSF、MED 3種技術(shù)占全球海水淡化總產(chǎn)能的94%，其中RO技術(shù)占69%，應(yīng)用最為普遍〔11〕。

圖 1 全球主要海水淡化技術(shù)的應(yīng)用情況Fig.1 Application of global major desalination technologies

近些年，各國學(xué)者研發(fā)出一些新興海水淡化技術(shù)。正滲透（FO）技術(shù)因其膜污染小和能耗低等特點(diǎn)成為主要的淡化技術(shù)〔12- 13〕；組合型技術(shù)，如ROMSF、MED-AD（AD，吸附式海水淡化）和MSF-MED組合型技術(shù)，將各技術(shù)的優(yōu)勢融合，彌補(bǔ)了單一技術(shù)的缺陷，提升了海水淡化能力，在減少腐蝕的同時(shí)，可降低建設(shè)成本、提高產(chǎn)水水質(zhì)〔14- 15〕；利用可再生能源進(jìn)行海水淡化的太陽能海水淡化技術(shù)在成本和技術(shù)上具有競爭優(yōu)勢；新材料（如納米顆?！?6- 18〕、石墨烯基分離膜〔19〕）、新裝置（如流體切換能量回收裝置）的研發(fā)可有效提升海水淡化能力〔20- 21〕。這些新興海水淡化技術(shù)具有重要的基礎(chǔ)性影響，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2 海水淡化發(fā)展及利用現(xiàn)狀

2.1 國外海水淡化發(fā)展及利用

2.1.1 海水淡化工程應(yīng)用情況

D.IHSANULLAH等〔22〕指出，到 2050年，60個(gè)國家中大約70億人將面臨嚴(yán)重的水資源短缺，這也是 21世紀(jì)全球應(yīng)對的重要挑戰(zhàn)之一。 2019年國際海水淡化協(xié)會(huì)（IDA）報(bào)道〔23〕，全球有 19744家海水淡化廠，海水淡化能力約9970萬m3/d，這些工廠位于 150個(gè)國家，服務(wù)3億人。

海水淡化尤其可作為一些中東國家安全可靠的淡水資源〔4〕，沙特阿拉伯是世界上最大的海水淡化用戶，其產(chǎn)能約占全球總產(chǎn)能的 25.9%，擁有世界上最 大 的MSF/RO“Ras Al Khair”淡 化 廠〔24〕、MED“Marafiq Jubail IWPP”工程〔25〕、單套MED海水淡化裝置的“ShoaibaⅡ”工程〔26〕、MSF“ShoaibaⅢ”工廠，以及太陽能海水淡化廠。 2021年阿聯(lián)酋建成了規(guī)模為68.2萬m3/d位于阿布扎比Mirfa的大型反滲透海水淡化項(xiàng)目。近年來以色列在地中海沿線先后建設(shè)大型海水淡化廠5個(gè)，可提供淡化水約6億m3/a〔27〕，截至 2017年，以色列80%的飲用水是通過海水淡化生產(chǎn)的。位于福岡的如來中心擁有日本最大的海水淡化能力，產(chǎn)能占總供水的 1/ 12左右。此外，所有的澳大利亞省會(huì)城市都有海水淡化廠〔22〕。馬爾代夫等一些海島國家基本全部要通過海水淡化的方式獲得淡水。世界海水淡化市場的成交規(guī)模以年均 20%的速度遞增，海水淡化技術(shù)在歐洲、北非的應(yīng)用也較為成熟。

2.1.2 海水淡化產(chǎn)業(yè)相關(guān)政策

美國、日本、澳大利亞、以色列等海水利用產(chǎn)業(yè)較發(fā)達(dá)的國家均制定了相關(guān)政策及執(zhí)行措施，在海水利用產(chǎn)業(yè)上給予支持引導(dǎo)，確保其健康發(fā)展〔6〕。表 1為國外部分國家海水淡化相關(guān)政策，對我國海水淡化發(fā)展也有重要啟示。

表 1 國外部分國家海水淡化相關(guān)政策Table 1 Desalination related policies of some countries abroad

2.2 我國海水淡化應(yīng)用及發(fā)展

2.2.1 海水淡化應(yīng)用狀況

2019年和 2020年沿海9個(gè)省市的海水淡化產(chǎn)水能力如圖 2所示〔34-35〕。

一是開展一項(xiàng)清理整治大行動(dòng)。目前，城區(qū)270多塊儲(chǔ)備土地情況已基本摸清，并建立檔案，一部分儲(chǔ)備土地由于政策處理不干凈或者歷史遺留問題，被非法侵占，單純依靠儲(chǔ)備公司的力量難以收回。公司正著手制定儲(chǔ)備土地專項(xiàng)清理整治行動(dòng)方案，將建議由市政府牽頭，組織市公安、檢察、法院、建設(shè)、國土、執(zhí)法、蓮都區(qū)政府等，開展一場聲勢浩大的儲(chǔ)備土地專項(xiàng)清理整治行動(dòng)，攻堅(jiān)克難，“拔釘掃障”，真正做到收儲(chǔ)土地的“凈地化”和“封閉式”管理。同時(shí)，利用各種新聞媒體，加大宣傳力度，為儲(chǔ)備土地管理營造聲勢和氛圍。

圖 2 全國沿海各省市海水淡化工程產(chǎn)能Fig.2 The desalination engineering capacity of coastal provinces

對比發(fā)現(xiàn)， 2019— 2020年內(nèi)各省市海水淡化規(guī)?；咎幱诜€(wěn)步發(fā)展?fàn)顟B(tài)， 2020年新建成的海水淡化工程大多數(shù)都在山東省，其規(guī)模相對 2019年有一定幅度的增長。

2019年，全國建成 115個(gè)總規(guī)模達(dá) 157.38萬m3/d的海水淡化工程，其中，新建成的 17個(gè)總規(guī)模為39.91萬m3/d的工程分布于沿海一帶〔34〕。浙江省的海水淡化工程規(guī)模40.78萬m3/d，較 2018年的 23.23萬m3/d漲幅75.5%， 2019年發(fā)展尤為突出。同年，天津海水淡化工程規(guī)模為30.60萬m3/d，河北海水淡化工程規(guī)模為30.35萬m3/d，京津冀地區(qū)不僅是我國海水淡化技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的先進(jìn)區(qū)域之一，也是該領(lǐng)域創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展最集中的地區(qū)之一〔6，36〕。

2020年底，全國有 135個(gè)海水淡化工程，總規(guī)模 165.11萬m3/d，新建成的 14個(gè)總規(guī)模為6.485萬m3/d的海水淡化工程均采用RO技術(shù)，其中規(guī)模最大的是煙臺(tái)南山鋁業(yè)海水淡化工程，達(dá)3.3萬m3/d〔35〕。到“十四五”時(shí)期末，我國將新增超 125萬m3/d的海水淡化項(xiàng)目，總規(guī)模達(dá) 290萬m3/d〔8〕。

國內(nèi)現(xiàn)有海水淡化項(xiàng)目產(chǎn)水用途〔27〕分布見圖3。

圖3 國內(nèi)現(xiàn)有海水淡化項(xiàng)目淡化水用途分布Fig.3 Use distribution of desalted water in domestic existing desalination project

海水淡化水主要用作工業(yè)用水及生活用水，集中用于沿海地區(qū)電力、石化和鋼鐵等高耗水行業(yè)，市政供水僅占 29%，由于各種條件的限制基本不能有效進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)。

2.2.2 我國海水淡化相關(guān)政策文件

2020年以來，我國制定發(fā)布了一系列海水淡化相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)（表 2），為海水淡化工程提供了有力支撐，使其設(shè)計(jì)更安全，運(yùn)行更穩(wěn)定，海水利用的標(biāo)準(zhǔn)體系更健全。

表 2 2020年以來我國海水淡化相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Desalination relevant policies and standards in China since 2020

3 海水淡化存在的問題

我國的海水淡化不僅有規(guī)模開發(fā)、技術(shù)應(yīng)用方面的問題，還有一些制約海水淡化發(fā)展及利用的因素存在。

（1）海水淡化廠供水范圍較小，技術(shù)自主創(chuàng)新能力較低。由于關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備國產(chǎn)化率較低，我國淡化海水民用供給較少，多數(shù)僅限企業(yè)自用。

（2）相比自來水，淡化水水價(jià)運(yùn)作機(jī)制不科學(xué)，結(jié)構(gòu)體系不完整。造成海水淡化成本高的原因往往還有運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、工程規(guī)模小、國產(chǎn)化率低等。

（3）海水淡化水消納問題及產(chǎn)水過程對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。產(chǎn)品水消納、長距離輸水管道建設(shè)等問題，導(dǎo)致一些項(xiàng)目進(jìn)展較為緩慢。排海濃鹽水比海水的含鹽量高大約 1倍，且溫度較高，導(dǎo)致局部海水鹽度增大，水溫升高，溶解氧減少，進(jìn)而影響海洋生態(tài)環(huán)境。

（4）競爭力不足，配套政策不完善?，F(xiàn)如今，整體有效的海水淡化組織協(xié)調(diào)體系還未形成，相應(yīng)的價(jià)格、金融、財(cái)稅等一系列引導(dǎo)措施和配套政策也未健全，相關(guān)管理對策還需進(jìn)一步優(yōu)化〔37〕。

4 海水淡化發(fā)展的應(yīng)對措施

（1）激發(fā)技術(shù)自主創(chuàng)新意識，為海水淡化發(fā)展提供支撐。針對目前的發(fā)展情況，在工藝優(yōu)化、降低成本、關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)研發(fā)等方面進(jìn)行自主創(chuàng)新。在強(qiáng)化技術(shù)研發(fā)，完善產(chǎn)業(yè)鏈條、提升服務(wù)能力的同時(shí)，建設(shè)示范工程。鼓勵(lì)科研單位及企業(yè)將蒸發(fā)器、反滲透膜、能量回收裝置等重要設(shè)備最新研究成果納入示范項(xiàng)目，通過進(jìn)一步試驗(yàn)與改進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)海水淡化設(shè)備的國產(chǎn)化。破除技術(shù)單一性，多種技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)可再生能源，深化傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)節(jié)能降耗等方面的研究。在海水淡化新興材料（如石墨烯等納米材料）方面積極探索，在新興技術(shù)工藝（如正滲透、太陽能）方面集成創(chuàng)新〔30〕。根據(jù)世界海水淡化的研究趨勢，推動(dòng)海水淡化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

（2）科學(xué)制定淡化水價(jià)，作為政府補(bǔ)貼淡化廠和用水企業(yè)的基本依據(jù)。鼓勵(lì)生產(chǎn)型企業(yè)和用水量大的企業(yè)優(yōu)先使用淡化海水，提供優(yōu)惠政策，彌補(bǔ)水費(fèi)損失。鑒于現(xiàn)在的海水淡化成本水平，閑置產(chǎn)能得以解決不可或缺的是政府的直接補(bǔ)貼。對沿海城市繼續(xù)實(shí)行分類水價(jià)和階梯水價(jià)的自來水價(jià)格改革〔4〕，這些改革使過度用水者被征收的水資源稅增加，也間接提升了對非常規(guī)水資源的需求。對于供應(yīng)給市政管網(wǎng)的淡化海水，供水企業(yè)應(yīng)與海水淡化廠簽訂長期采購合同，并按各市政管網(wǎng)實(shí)際淡化海水用量向海水淡化廠付費(fèi)。為了降低能源消耗和預(yù)處理成本，將核電與海水淡化相結(jié)合，可滿足核能發(fā)電對冷卻水的需要。

（3）解決海水淡化消納問題，推動(dòng)綠色清潔生產(chǎn)。建立省級水資源調(diào)配體系，統(tǒng)籌規(guī)劃部署各地海水淡化項(xiàng)目，省市區(qū)（縣）三級聯(lián)動(dòng)，打造綜合供水體系。完善海水淡化水的儲(chǔ)備和調(diào)節(jié)機(jī)制，探索產(chǎn)品水消納途徑，推動(dòng)海水淡化水跨地市調(diào)蓄水庫、供水管網(wǎng)的建設(shè)，提升海水淡化水供應(yīng)規(guī)模和能力，從根本上解決海水淡化水的消納問題。針對環(huán)境問題，排海仍是當(dāng)前處理濃鹽水的主要形式，然而海水消耗濃縮鹽水的能力是有限的，有必要將海水淡化產(chǎn)生的濃鹽水作為化工資源進(jìn)行綜合利用。保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，首先要注意合理選擇海水淡化廠地址，從源頭杜絕污染；其次，可與各企業(yè)相互結(jié)合，開啟廢熱循環(huán)的經(jīng)濟(jì)模式；最后，綜合利用淡化后的濃海水，從中提取鉀、溴、鎂等元素，既獲得了化工原料，也實(shí)現(xiàn)了濃鹽水的零排放〔38〕。

（4）加強(qiáng)對海水淡化的政策扶持，完善政策標(biāo)準(zhǔn)體系。在海水淡化項(xiàng)目管理制度建設(shè)中，應(yīng)在法律上明確海水淡化的戰(zhàn)略定位，促進(jìn)海水淡化的規(guī)范化發(fā)展。此外，國務(wù)院、環(huán)境保護(hù)部、國家海洋局、水利部和其他當(dāng)?shù)夭块T以及協(xié)會(huì)參與海洋管理，需要確認(rèn)各自的功能、責(zé)任、權(quán)利和利益分配等。積極推進(jìn)扶持海水淡化發(fā)展相關(guān)經(jīng)濟(jì)政策的出臺(tái)，建立確定新建項(xiàng)目適宜規(guī)模的體系。引導(dǎo)和規(guī)范海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展可從安全生產(chǎn)、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面入手。明確濃鹽水處置要求，完善其入海相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，修訂飲水安全標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化海水淡化相關(guān)指標(biāo)。開展海水淡化技術(shù)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、給排水、運(yùn)行管理與實(shí)踐、質(zhì)量與設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)等多種形式的課題研究。