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依靠海水淡化技术最终真能帮助人类拯救焦渴地球吗?
《环境与生活》杂志 刘国伟 朱艳 / 时间:2014-09-24 09:05:26
  据环境与生活网2014年9月15日讯 有资料显示,当前全球有150个国家都在实施海水淡化技术,海水淡化产业每年增长15%,远高于经济增长速度。那么,当今世界海水淡化产业整体状况究竟怎样?靠取之不尽的海水真能最终拯救大家这颗缺水的星球吗?且听大家一一道来。
  在《旧约?出埃及记》里,摩西带领希伯来人逃离埃及,在旷野中走了3天找不到水喝,后来到了一个叫玛拉的地方终于发现了水,但是水又苦又咸。摩西向耶和华求救后,将一棵树丢到咸水里,水立即清甜可饮。据此,有文献将人类第一次进行水源淡化的做法,追溯到《圣经》,当然学界不少人认为这过于牵强。相比之下,古希腊水手煮沸海水取淡水的做法,显然更为可信。
  16世纪,大航海时代拉开帷幕,在苍茫大洋中远航的水手们需要淡水维持生命,简易的蒸馏装置被装配在许多船只上。
  海上强国英国为寻求更经济可行的海水淡化方法,曾公开悬赏。近代以后问世的蒸汽动力船只的锅炉需要大量的淡水,于是许多民用和军用舰船上安装了效率更高的蒸馏淡化装置。
  150个国家都搞海水淡化
  现代意义上的海水淡化技术,是在第二次世界大战以后才发展起来的,彼时人类的工农业发展和人口增长进入快速模式,淡水供应日渐紧张,以至于部分沿海城市也严重缺水。水资源危机对海水淡化提出了前所未有的需求。海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法等更高效的淡化技术,先后进入规模化生产阶段,在世界各地得到广泛应用。当前居于主流的是膜技术(包括反渗透、电渗析、电去离子等)和热技术(包括多效蒸馏和多级闪蒸等)。根据全球海水淡化数据库统计,反渗透(RO)和多级闪蒸(MSF)技术设备,各占全球海水淡化装机容量的60%和26.8%,优势明显。
  根据国际海水淡化协会(IDA)的统计,截至2013年,全球的海水淡化厂超过了1.7万家,分布在约150个国家,3亿多人部分或全部依靠淡化水满足日常之需。 

 


  其中,市政和工业用水各占了63%和25.8%,其余依次为发电站、灌溉、旅游、军事和其它用途。
  经济成本很难压缩
  无论采取哪种技术,海水淡化的成本都是人类绕不过去的一大难题。从海水中提取淡水必须消耗能源,无论这种能源通过何种方式取得。这就使得海水淡化需要付出的能耗和成本远高于处理江河湖水、地下水等水资源,但江河湖水和地下水满足不了需要,这就使得一些国家和地区不得不想方设法研发海水淡化技术。据国际海水淡化协会2009年的资料,进一步压缩成本的空间比较有限。
  海水淡化是典型的能耗密集型产业,有研究报告表明,海水淡化虽然是用水紧张地区的解决之道,但成本门槛限制了贫困地区、内陆或高海拔地区采用海水淡化,可偏偏这几类地区淡水短缺的问题最严重。例如,印度首都新德里、墨西哥城、沙特首都利雅得和津巴布韦首都哈拉雷,此类地区的水源输送成本高昂。
  “不差钱”的沙特是将海水在沿海的朱拜勒淡化后,用管道把淡水输送到320公里之外的首都利雅得。
  在努力压缩成本的竞争中,美国企业表现较为抢眼。2008年,美国福布斯网站披露,加州圣利安卓一家企业把淡化成本压缩到0.46美金/吨。不过,能源价格的上升了也推高了海水淡化的成本。美国《华尔街日报》2007年载文称,美国波塞冬资源企业获准在加州圣迭戈市以北的卡尔斯巴德,建一座19万吨/日的饮用水淡化厂,初期成本估算很乐观,每吨还不到0.4美金,但2012年再评估时,已经翻了一番达每吨0.81美金。
  海湾国家淡化海水不差钱
  在海水淡化的主要国家中,不得不提以色列。据美联社报道,截至2014年,海水淡化为以色列提供了35%的饮用水,2015年可望增至40%,2050年可能达到70%。以色列在帕勒马希姆建立的索莱克淡化厂,淡化能力为54万吨/日,居世界前列。 

 

以色列的索莱克海水淡化厂垂直地面的净水单元 

 

垂直地面的净水单元里面是16英寸海水淡化膜


  海湾国家因为充足的能源保障,该地区海水淡化厂的体量更为庞大。沙特阿拉伯的沙埃拜淡化厂,是世界最大的使用化石能源的淡化厂之一,发电用燃油由沙特国家石油企业提供。
  美国是个横跨两洋的大国,但海水淡化厂从数量和分布上,规模不如地下咸水淡化厂。美国得克萨斯州的淡化厂水源有的是地下咸水,有的是来自墨西哥湾的海水。截至2014年,加州运营、在建和规划中的淡化厂共计17个。截至2012年,佛罗里达州有33个地下咸水淡化厂和2个海水淡化厂在运营中,还有7个地下咸水淡化厂在建。此外,亚利桑那州的尤马地下咸水淡化厂规模也较大。
  从上世纪末到本世纪初,澳大利亚经历了持续10余年的“千禧年大旱”,农牧业和居民生活受到严重影响。为应对这次大旱灾,澳大利亚在黄金海岸、克内尔(距悉尼南部22公里)、珀斯和斯坦瓦克港等地建立了海水淡化厂。2006年建成的奎那那海水淡化厂,每天能够淡化15.2万吨的印度洋海水,满足珀斯17%的用水需求,自建成后在国内外获得诸多荣誉。奎那那海水淡化厂的最大亮点,在于其消耗的电能来自功率为8万千瓦的鸸鹋高地风电场,实现了海水淡化能源供给的绿色化。
  淡化水有的指标优于自来水
  核能用于海水淡化也已有数十年的历史,其中比较著名的有位于哈萨克斯坦境内的BN-350反应堆。这座钠冷却快速反应堆1973年开始发电,既为阿克套市供电,又为附近的海水淡化厂(12万吨/日)供电。因为缺乏资金购买核燃料, BN-350反应堆在1999年被关闭。
  在日本,约有10座淡化设施和核电压水堆连接,每天淡化1.4万吨水,这些水用于核反应堆自身冷却。踏入核俱乐部时间不久的印度、巴基斯坦两国迎头赶上。2002年,印度在马德拉斯核电站实施了1个核能淡化验证项目,2010年,巴基斯坦在卡拉奇核电站启用了一座淡化能力为4800吨/日的多效蒸馏淡化厂。
  2010年6月,辽宁红沿河核电站海水淡化系统正式启用,这是中国核电站海水淡化系统中的第一个,淡化能力为10080吨/日,所产淡水的电导率等指标优于当地自来水,满足了红沿河核电一期工程4台核电机组生产、生活用水需求。红沿河海水淡化项目不但缓解了当地水资源缺乏的状况,也为国内有效解决沿海核电站淡水资源问题开辟了新路。 

 

图为辽宁红沿河核电站海水淡化厂房内反渗透装置


  另外,也有人在积极探索利用以风能、太阳能、波浪能等新能源进行海水淡化。风能作为技术发展最为成熟、产业化程度最高的可再生能源技术,是驱动海水淡化作业的理想能源。
  在利用太阳能的光效应和热效应进行海水淡化方面,国内外也做了很多有益的尝试。1870年,第一个太阳能蒸馏装置专利在美国获得批准。1872年,瑞典工程师查尔斯?威尔逊开始在智利的拉斯萨利纳斯建造第一个太阳能蒸馏淡化装置,每天生产淡化水22.7吨,供矿山工人使用,这套装置持续运行了40年。20世纪六七十年代,希腊在几个海岛上建设了太阳能蒸馏淡化厂,淡化能力为2000吨/日至8500吨/日,证明了太阳能淡化在海岛上的适用性。
  尽管新能源海水淡化有着环保上的突出优势,前景诱人,但是稳定性、能源转化率和成本上的缺陷,限制了商业化发展,使其长期以来走不出“高贵冷艳”的小众局面。
  海水淡化也有环境隐忧
  海水淡化厂对环境的不利影响,主要体现在排出的大量浓盐水、预处理化学物质和副产品等对海洋环境的危害方面。有文献表明,浓盐水排放会对海洋浮游植物的生长繁殖能力和细胞形态产生影响,这种危害在水体交换不畅的内海地区尤其值得重视。为解决淡化厂排放造成的环境危害,专家们提出了将排放的浓盐水与海水充分混合、实现水电盐联产的循环经济模式等解决方案。
  海水淡化厂的取水方式对环境的影响,比较容易被忽视。因为海水淡化厂进水中的金属元素含量受取水方式的影响显著,间接造成排放的浓盐水中的某些重金属元素含量高,为避免发生此类问题,开放式深海取水和沙滩井取水等方式,会降低大部分金属元素的含量。
  在这方面,国外更多地考虑取水可能对海洋生物造成的伤害,澳大利亚国内至今仍对此争论不休。为此,澳大利亚的黄金海岸、克内尔和奎那那的三家海水淡化厂在抽水作业时,水泵抽水速度只有0.1米/秒,速度之慢足以让鱼类逃生。
  淡化水有望占北京用水1/3
  1985年1月16日的《人民日报》,刊登了中国第一座海水淡化工程――西沙海水淡化站在西沙群岛永兴岛建成投产的消息。该工程是我国自行设计制造的,淡化能力为每天200吨。经过20多年的急起直追,我国建设了一批示范工程和大中小型海水淡化工程,缓解了我国沿海地区淡水资源短缺的问题,也为我国海水淡化技术和产业发展奠定了基础。
  截至2010年底,我国共建成投产海水淡化装置76套,淡化能力总计55.78万吨/日,各省市分布情况为:浙江23套,山东21套,辽宁14套,河北6套,天津5套,广东3套,其他沿海省市4套。为更好更快地推进海水淡化产业发展,国务院2012年发布了《关于加快发展海水淡化产业的意见》,提出了到2015年,我国海水淡化能力达到220万吨/日至260万吨/日,“海水淡化原材料、装备制造自主创新率达到70%以上;建立较为完善的海水淡化产业链,关键技术、装备、材料的研发和制造能力达到国际先进水平”等目标,任务可谓艰巨。
  今年4月,备受瞩目的曹妃甸海水淡化进京项目有了积极进展。据国内媒体报道,该项目有望在今年底开工。曹妃甸海水淡化项目总投资170亿元人民币,其中制水工程一期投资70亿元,形成每天100万吨的淡化能力;曹妃甸至北京铺设270公里长的输水管道,投资100亿元。淡水输送进京后可满足北京三分之一的用水需求。更令人瞩目的是,为了避免项目对渤海海洋环境造成不良影响,曹妃甸在海水淡化过程中整合区域资源,由唐山三友化工企业和南堡盐场全部接收该项目排放的浓海水,用于盐的生产。
  (本文写作过程中参考了《可再生能源用于海水淡化的研究进展》、《核能淡化的经验、需求和前景》文献,以及国际脱盐协会、世界核能协会、水世界、澳大利亚环境保护和第一产业部门、维基百科、美国内政部、伦斯勒理工学院、华尔街日报等网站,在此一并致谢。)
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