【數(shù)據(jù)】2020年全球/中國海水淡化最新進展

在全球人口增長和經(jīng)濟發(fā)展的背景下，淡水需求在未來幾十年呈增長趨勢，氣候變化進一步加劇了淡水的供需矛盾，制約了各地經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境發(fā)展。

據(jù)統(tǒng)計，自2010年至2019年底，全球已安裝的海水淡化容量以每年約7%的速度穩(wěn)步增長，特大型工廠數(shù)量雖然很少，但是容量卻占到了全球海水淡化總?cè)萘康囊淮蟛糠?。對于過去未真正開展海水淡化技術(shù)的地區(qū)，其海水淡化容量亦呈現(xiàn)出急劇上升的趨勢，包括歐洲和非洲在內(nèi)。了解這些趨勢有助于對未來海水淡化項目和研究發(fā)展做出明智的選擇。

1.1  全球海水淡化發(fā)展

由于全球?qū)π詢r比高的清潔水生產(chǎn)的需求，導(dǎo)致了海水淡化產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。1990年至2020年2月中旬，全球脫鹽水生產(chǎn)安裝容量為9 720萬m³·d^-1，其中以海水為給水水源的淡化容量為5540m³·d^-1，占比約為57%。

圖1顯示了過去三十年的全球海水淡化的增長趨勢，其中以海水為給水的海水淡化廠的全球累計裝機容量增加了813%。

圖1  不同給水水源的全球脫鹽安裝產(chǎn)能

在全球范圍內(nèi)，越來越多的政府機構(gòu)開始參與并主導(dǎo)海水淡化項目，尤其是市政應(yīng)用項目。

根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，沙特阿拉伯的海水淡化公司（SWCC）是一家半國營性質(zhì)的機構(gòu)，其擁有世界上最大的海水淡化能力，可生產(chǎn)超過550萬m³·d^-1淡水。

緊隨其后的是阿布扎比水電部（ADWEA，現(xiàn)為能源部）和科威特水電部，裝機容量分別超過了390萬m³·d^-1和290萬m³·d^-1。

阿拉伯聯(lián)合酋長國迪拜水電部（DEWA）的裝機容量分別超過了230萬m³·d^-1，其它擁有大規(guī)模海水淡化能力的機構(gòu)有以色列的Mekorot和阿曼水電采購公司（SAOC）。

大規(guī)模商業(yè)化海水淡化技術(shù)分為兩類：膜法海水淡化（主要是RO）和熱法海水淡化（MED和MSF）。

新興的海水淡化技術(shù)仍然處于研發(fā)階段，主要包括膜蒸餾（MD）、正滲透（FO）等。除了主要的單一型海水淡化技術(shù)以外，包括MSF-MED、MED-AD和RO-MSF在內(nèi)的組合型技術(shù)目前正被考慮，通過結(jié)合每種技術(shù)的優(yōu)勢來提高海水淡化裝置的效率，從而使組合型技術(shù)能夠克服單一技術(shù)存在的不足。

迄今為止，RO技術(shù)是最廣泛的海水淡化技術(shù)，累計裝機容量為3 060萬m³·d^-1。

MSF是工程容量排名第二的技術(shù)，約為1530萬m³·d^-1。

使用MED及其他技術(shù)的海水淡化能力為330萬m³·d^-1。

圖2顯示了不同技術(shù)（用于處理不同的給水來源）對全球脫鹽能力的貢獻情況。

圖2  海水淡化廠用于處理不同給水來源的主要技術(shù)

1.2   海水（苦咸水）項目成本

圖3顯示了1990年至2019年使用海水和微咸水淡化法生產(chǎn)淡水的成本趨勢。據(jù)報道，2012年和2004年海水淡化的最高和最低平均價格分別為$1.87 m^-3和$0.35 m^-3。這些價格可能取決于當(dāng)時供應(yīng)給大多數(shù)現(xiàn)有工廠的海水的鹽度范圍。

圖3  淡化水生產(chǎn)價格

（a）所示的海水和苦咸水淡化的平均成本趨勢

（b）基于技術(shù)和工廠規(guī)模的淡化水價格

據(jù)中國水利企業(yè)協(xié)會脫鹽分會不完全統(tǒng)計，截至2020年底，國內(nèi)已建成日產(chǎn)淡化水百噸以上海水淡化項目176個，產(chǎn)能達到180.34萬立方米/日（圖5）。

圖5 2010-2020年全國已建成海水淡化工程累積產(chǎn)能

其中，2020年全國新建成海水淡化項目4個（表1），新增產(chǎn)能5.05 萬立方米/日。依據(jù)《全國海水利用“十三五”規(guī)劃》目標，“十三五”末，全國海水淡化總規(guī)模達到220 萬噸/日以上，現(xiàn)有的海水淡化產(chǎn)能規(guī)模距離目標值還有一定的差距。

表1  2020年全國新建成的海水淡化項目

國內(nèi)已建成的海水淡化工程主要以反滲透和低溫多效蒸餾技術(shù)為主。

截至2020年底，已建成的海水淡化工程中，采用反滲透技術(shù)的工程項目有152個，產(chǎn)能為121.64萬立方米/日，占全國總產(chǎn)能的67.45%；采用低溫多效的工程項目有20個，產(chǎn)能為58.02萬m³/d，占全國總產(chǎn)能的32.17%（圖6）。

圖6 采用不同技術(shù)的海水淡化項目產(chǎn)能比較

沿海9個省市的海水淡化產(chǎn)能見（圖7），淡化水主要用于電力、石化和鋼鐵等高耗水行業(yè)、工業(yè)園區(qū)及缺水地區(qū)的市政供水（圖8）。

圖7 全國沿海省市海水淡化工程分布

圖8 已建成海水淡化項目產(chǎn)水用途

2.2   國內(nèi)海水淡化技術(shù)研究進展

云南大學(xué)萬艷芬、楊鵬等人設(shè)計并制備了一種新型的復(fù)合材料，包括具有等離子體效應(yīng)的金(Au)納米錐、鉬酸鉍(Bi₂MoO₆)半導(dǎo)體和生物質(zhì)碳點(CDs)三種組分，這種三元復(fù)合材料實現(xiàn)了有效電荷轉(zhuǎn)移，提高了材料光熱轉(zhuǎn)換效率，這為高效光熱轉(zhuǎn)換材料的研究提供了重要實驗依據(jù)，同時也為海水淡化和新能源器件及系統(tǒng)研發(fā)帶來新思路。

由澳大利亞、美國和中國科學(xué)家組成的研究團隊制備出一種金屬有機框架材料，這種特殊的材料能夠模仿生物細胞膜的過濾功能，高效地過濾海水中的鹽以及分離海水中金屬離子。相比目前廣泛采用的反滲透膜技術(shù)，新材料可以過濾特定離子，比傳統(tǒng)方法更加經(jīng)濟節(jié)能。

深圳先進院喻學(xué)鋒研究員課題組以天然玄武巖為原料，設(shè)計并制備了一種便宜、穩(wěn)定且耐腐蝕的玄武巖纖維光熱膜，用于光熱海水淡化以及水凈化領(lǐng)域。玄武巖纖維光熱膜在海水淡化方面中體現(xiàn)了出色的蒸發(fā)和分離性能，組裝的太陽光蒸發(fā)系統(tǒng)可以連續(xù)有效地進行海水淡化。

上海交大ITEWA創(chuàng)新團隊與麻省理工學(xué)院合作，研發(fā)的裝置在太陽輻照條件下，創(chuàng)紀錄地實現(xiàn)了385%的效率和5.78 L m^-2 h^-1的海水淡化產(chǎn)水率。除此之外，該裝置可以通過毛細作用進行被動補水，通過鹽分在夜間的反向擴散實現(xiàn)被動排鹽，保證長效穩(wěn)定的被動式工作。

中科院化學(xué)所綠色印刷重點實驗室科研人員與美國麻省理工學(xué)院的Nicholas Fang教授課題組合作，利用3D打印技術(shù)構(gòu)造了三維錐形不對稱結(jié)構(gòu)蒸發(fā)體系，在高鹽度下實現(xiàn)了高效太陽能利用和高速水蒸發(fā)。

2.3   2020年發(fā)布的海水淡化相關(guān)政策和標準

2020年8月山東省人民政府辦公廳發(fā)布了《關(guān)于加快發(fā)展海水淡化與綜合利用產(chǎn)業(yè)的意見》。意見提出，計劃到2022年，全省海水淡化產(chǎn)能超過100萬噸/日。總體布局是：一區(qū)、兩園、多點、群星。全省整體創(chuàng)建全國海水淡化與綜合利用示范區(qū)；建設(shè)青島百發(fā)、煙臺海陽兩個具有輻射供水功能和全產(chǎn)業(yè)鏈的綜合性產(chǎn)業(yè)園；在東營、煙臺、濰坊、威海、日照、濱州6市沿海工業(yè)園區(qū)配套建設(shè)14個海水淡化基地，在濰坊建設(shè)2個海水淡化與綜合利用基地，實現(xiàn)水鹽聯(lián)產(chǎn)；根據(jù)需求在全省32處有居民海島建設(shè)海水淡化站，500余艘遠洋船舶配備海水淡化裝置。

2020年12月，由自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所牽頭編制的《海水淡化水后處理設(shè)計指南》（GB/T 39219-2020）、《海水淡化利用工業(yè)用水水質(zhì)》（GB/T 39481-2020）、《多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)設(shè)計指南》（GB/T 39222-2020）和《反滲透海水淡化阻垢劑阻垢性能試驗周期濃縮循環(huán)法》（GB/T 39221-2020）等4項國家標準，獲得國家標準化管理委員會批準并正式發(fā)布。標準的發(fā)布對于海水淡化工程的安全可靠設(shè)計及穩(wěn)定運行提供了有力支撐，進一步健全了海水利用標準體系。

雖然我國的海水淡化工程規(guī)模和海水淡化技術(shù)發(fā)展都取得了很大的進展，但是總體利用規(guī)模還比較小，還存在一些卡脖子技術(shù)。今后應(yīng)不斷完善政策標準，健全市場機制體制，繼續(xù)加大科技創(chuàng)新力度，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，強化示范推廣和應(yīng)用，大力推進海水淡化規(guī)?；瘧?yīng)用，為推動國民經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展最出貢獻。

（來源：《中國脫鹽》雜志，2021年01期《海水淡化最新進展》）