海水淡化，应对水危机

辛妍

“水，到处是水，却无可饮之水。”英国诗人Samuel Taylor Coleridge的诗句描述了被不能喝的海水包围着的水手们口渴时的痛苦。200多年后，环保主义者用Coleridge的这一行诗描述了世界各地日益严重的水资源短缺问题。

水资源短缺是当今全球面临的最大的挑战之一。在下一世纪，人类所面临的水危机将比能源匮乏对人类活动的影响更大。据估计，世界上有五分之一的人口没有获得安全饮用水，而有超过三分之一的人口居住在供水紧张的国家；由于相对于水资源的人口迅速增长，这一比例仍将会增加，预计到2025年，这一数字会上升到三分之二。那些生活在沿海社区、干旱地区、以及其他供水有问题地区的人们正在寻找解决其水资源短缺问题的办法。地球表面有70%被海水覆盖，有前景的饮用水来源之一正是世界上几乎取之不尽的海水，而海水淡化也正在证明其自身是一个日益可行的解决方案。

海水淡化（脱盐）是指一种过程，该过程去除盐水或半盐水中的盐及其他矿物质，以生产饮用水，或者是用于灌溉和工业用的水。在过去十年，全球海水淡化市场呈现出上升趋势，水资源紧张国家的海水淡化设施建设大幅增长。Visiongain公司确认2012年全球海水淡化市场的价值达到了183.7亿美元。而GBI research公司预测，2010到2020年间，全球海水淡化累积合同市场容量有10.5%的年复合增长率，预计到2020年，全球海水淡化技术市场将超过520亿美元。

本文将从全球海水淡化市场的现状、先进技术和材料、所用能源以及对环境的影响等方面，探讨海水淡化技术未来的发展。

当前海水淡化市场及常用技术

海水淡化在亚洲和太平洋国家被广泛接受，如中国、印度和澳大利亚，在那里有大量人口居住在淡水资源有限的沿海地区。在北美地区海水淡化也有抬头，美国几乎所有的州都有海水淡化厂，其中大多数专门为工业用途设计。在欧洲，海水淡化主要用于市政目的，但在工业上的应用也在增加。西班牙是世界上顶尖的五个海水淡化国家之一。在欧洲，特别是西班牙的旅游业的增长，也推动了其提高海水淡化能力的需求。

2012年年中，全球饮用水的生产能力为8千万m3/天，而其中多数是在中东和北非地区。到2016年，全球通过海水淡化生产的水预计将超过380亿m3每年。目前全球产能的三分之二处理海水，另三分之一使用淡盐自流水。

中东地区在海水淡化市场占主导地位，并有望继续扩大其在海水淡化方面的种种努力。全球主要海水淡化国家包括沙特阿拉伯、美国、阿联酋、西班牙、科威特、阿尔及利亚、中国、卡塔尔、日本、澳大利亚和印度。世界上最大的海水淡化厂是位于阿拉伯联合酋长国的Jebel Ali海水淡化厂二期，其生产能力为94.8万m3/天。

当前主要的海水淡化技术有反向和正向渗透、多效蒸馏（MED）、多级闪蒸（MSF）、电渗析（ED）、电渗析逆转（EDR）和去离子（EDI）、替代和混合海水淡化。目前全球有超过14000个海水淡化厂，反向渗透厂主导市场，它占2011年全球产能的60%；在这之前最突出的是使用蒸汽的多级闪蒸热过程，2011年，多级闪蒸占全球产能的26%。就地区而言，反向渗透仍然在北美地区占主导地位，欧洲、澳大利亚和大洋洲都青睐反向渗透技术，但亚洲更倾向于使用反向渗透和多级闪蒸技术，并且多级闪蒸技术主导非洲。

至今为止，反向渗透是最节能的海水淡化技术，也是任何新的海水淡化技术的比较基准，其过程的核心是半透膜，它具有从海水中分离出纯净水的能力。业内人士预计反向渗透技术细分市场有望最具成长性，到2020年将达到394.6亿美元。以色列Hadera的海水淡化厂是世界上最大的反向渗透海水淡化厂。

海水淡化的新技术、新材料

新技术和新材料不断涌现，导致海水淡化更环保、更具成本效益。过去，海水淡化的高成本（主要是由于能源的集约使用）以及对与行业相关的环境问题的关注抑制了海水淡化市场的增长。但最近有些障碍已经，或者至少是轻微地被破除了，从而有助于海水淡化市场的业务增长。

新技术 2013年6月，美国得克萨斯大学奥斯汀分校（UTA）和德国马尔堡大学的化学家们发表了他们开发的一项技术，可以进行电化学介导的海水淡化，被称为是“无膜”海水淡化。到目前为止，该技术可以达到25%淡化，化学家们坚信他们可以达到99%淡化，从而满足饮用水的要求。目前大多数海水淡化方法依赖于昂贵且不易沾的膜，虽然新开发的无膜方法仍需加以完善和扩大规模，但如果成功，将能大规模地使用一个简单的，甚至是便携式的系统提供饮用水。

2012年10月，麻省理工的研究人员使用一种能研究液体在固体表面行为细节的新技术设计了一种表面，使水滴可以高速移动。这有可能会增加海水淡化厂生产淡水的速率，并且提高电力生产中的能源利用效率。

2012年3月，西班牙瓦伦西亚大学的研究人员领导了一个350万欧元的项目，通过使用新的无线细菌传感器，他们要设计可以优化污水处理和海水淡化厂运作的智能网络。使用该技术，可以将淡化水成本减少45%，能源消耗降低74%。这个为期三年的项目的目的是开发世界上第一个相互连接的生物传感器无线网络，它可以通过确定理想的注入水中的杀菌剂量来控制细菌的活动，而其最终目标是要从根本上提高生产力并降低净化水的成本。

传统的海水淡化过程——如反向渗透和电渗析——要消耗大量的能源。2010年4月，新墨西哥州立大学（NMSU）的研究人员开发了一种新的蒸发海水淡化系统，不仅能二十四小时不停地运作将盐水转换为纯净饮用水，而且其能源需求非常低，仅用太阳能就足以支持其运作。

同样应用太阳能，2010年10月，麻省理工学院领域和空间机器人实验室（FSRL）的一个团队设计了一个便携式海水淡化系统。该系统采用反向渗透的原理，可以在危机情况下用于生产饮用水，也可以被用于在能源和洁净水供给相对复杂和昂贵的偏远地区生产饮用水，如沙漠地区或发展中国家的农场或小村庄。

一种类似太阳能蒸发器工作，但是是在工业蒸发池规模上的新方法，叫做集成生物技术系统。它可以被视为“完全淡化”，因为它将所有摄入的盐水转换为蒸馏水。这种类型的太阳能供电的海水淡化的独特优势之一是内陆操作可行性。标准的优势还包括海水淡化厂没有空气污染，电厂的冷却水排放不会造成濒危的天然水体的温度升高。另一个重要优势是生产的海盐能有工业和其他用途。

新材料 2013年3月底，芬兰赫尔辛基Arcada大学的能源与材料科学系宣布，它们开发出一种制造纳米多孔膜的技术，能显著降低生产成本。这项新开发的技术生产的膜可以根据水中物质的大小和化学性质来过滤它们，能大大降低膜的价格，从而扩大膜技术在未来的应用。将可能被大量用于洁净水的生产和工业水处理，因为这些过程的目的是要分离出水中有价值的或者有害的物质。

2012年，麻省理工学院的研究人员提出了一种新方法，采用石墨烯（碳元素的只有一个原子厚的形式）作为过滤材料，可以比现有的海水淡化系统更有效率，而且可能成本更低。反向渗透使用膜从水中过滤出盐，膜越好，淡化过程中消耗的能源就越少；膜越薄，通过的淡水就越多。与当前基于聚酰胺的过滤器相比，石墨烯过滤器能大大减少水中的含盐量。同时，现有系统中使用的厚膜的厚度足有石墨烯的一千倍，因而需要极高的压力（因此能源消耗巨大）才能迫使水通过膜。而新的基于石墨烯的系统在相同的压力下，比当前的技术快数百倍；或者说，在相似的速度下，该系统可以在低得多的压力下运行，这有助于提高海水淡化厂的效率，因此成本远低于一般的净化水技术。加之石墨烯是一种已知的最强的材料，因此它比那些目前用于反渗透技术的膜更耐用。而由于海水淡化所需的材料不用像电子或光学方面那样要求几乎是纯净的，因此其获取也相对容易、经济。

海水淡化的新能源

海水淡化一直由于其巨大的能源消耗而遭到批评。目前大多数的海水淡化使用化石燃料，其热电能源——反向渗透海水淡化厂的主要能源来源——会造成空气污染和温室气体排放，进一步加剧气候变化。为了最大限度地减少温室气体排放，可以用可再生能源直接为海水淡化厂供电。另外，也有一些间接补偿或弥补措施，比如安装可再生能源发电厂将能源加入国家电网，也能用于海水淡化工厂，这同时可以解决风能和太阳能的间歇性和可变强度的问题。

为满足日益增长的饮用水需求，利用核能进行海水淡化也是一种可行的选择。最近由国际原子能机构协调进行的研究项目中的案例表明，利用核能进行海水淡化是解决水资源匮乏地区的水需求和短缺问题的一个真正的选择。虽然在受水资源紧缺问题的国家大规模部署核能海水淡化所面临的主要挑战是缺乏基础设施和资源，然而，这些国家对利用核能淡化海水来获得可持续的水资源相当感兴趣。

现代阿联酋自创建以来，大部分的用水需求已经通过海水淡化得到满足。如果海水淡化工厂可以与核电厂相连，那将是对阿联酋的水和能源安全的一个重大推动。Masdar科学与技术研究所的学术院长、Youssef Shatilla教授指出，核能海水淡化是一项众所周知的技术，目前在世界各地运行的工厂显示了其优势。核能海水淡化与传统淡化基本相同，只是能源的来源是核电厂。在世界各地都已经部署了核能海水淡化厂，从发达国家到发展中国家，并已取得巨大的成功。这些能给人信心的事实表明，如果实施的话，必定是对阿联酋的水和能源安全的巨大补充。

在澳大利亚，用水量的增加和低降雨量/干旱相结合，使得其州政府转向海水淡化。虽然海水淡化能帮助安全供水，但由于澳大利亚以煤炭为基础的能源供应，导致海水淡化的能源密集和高碳足迹。为此，澳大利亚一直致力于寻找可再生能源进行海水淡化。

在澳大利亚西海岸的花园岛上，正在开始建设一个利用波浪能的海水淡化示范试点工厂。Ceto海水淡化试点与Carnegie珀斯的波浪能项目（PWEP）共同位于花园岛上，将现成的反渗透海水淡化技术与PWEP的基础设施相结合。该工厂将直接由Carnegie Ceto波浪能系统的液压能量离岸供电。项目的目的是要证明Ceto海水淡化技术有显著并可持续地减少能耗的潜力，因此也能大大减少与海水淡化厂相关的温室气体排放的产生。

在澳大利亚的Perth的一个海水淡化厂的能源供给有一部分来源于由Emu Downs风电厂提供的可再生能源。而在新南威尔士州Bungendore的风电场是专门为悉尼海水淡化厂建造的，能为其提供足够的可再生能源，以抵消海水淡化的能源使用，从而缓解对有害温室气体排放的关注。

2012年6月6日，西澳大利亚大学（UWA）宣布其研究人员将调查在西澳大利亚利用地热能来淡化地下水。该项目将为西澳大利亚州政府和工业界提供地热能和水生产的经济、技术和市场分析，并确定在该州可以最佳应用此技术区域。

海水淡化对环境的影响及解决方案

除了温室气体的排放，海水淡化还对环境造成其他方面的影响，比如对海洋生物的影响、对海洋生态的影响等。

与海水摄入相关联的一个主要问题是对海洋生物的撞击和夹带。美国法院于2011年裁决了《清洁水法》，规定如果不将海洋中的浮游生物、鱼卵和幼鱼的死亡率降低90%的话，就不能再取海水。虽然海洋系统中幼虫的自然死亡率很高，夹带对海洋生物问题的影响并不清楚，但无可否认，夹带可以杀死大批青少年阶段的鱼。表面开放摄入是大型海水淡化厂常用的解决方法，它可以通过适当的筛选与低摄入速度相结合来减小对大的有机体的撞击。通过将摄入口定位在远离生物生产区，比如定位在离岸更远的更深的海里，或者是使用地下海滩井，可以极大地减少或消除对小浮游生物（如幼虫、卵）的夹带。

所有的海水淡化过程都会产生大量的浓缩物，而且可能随着温度的增加而增加，这包含预处理和清洁化学品的残留物、它们反应的副产品和一些由于腐蚀产生的重金属。当反向渗透海水淡化后的高盐度海水（约是海水的两倍）和预处理及膜清洗中使用的化学品被排放到的海洋环境时，会对环境构成风险。由于溶质浓度较高，所以这些高浓度盐水比海水的密度高。因为盐水下沉并会保持很长的时间，因此足以破坏海洋底部的生态环境。

谨慎地放归可以将这一问题最小化。例如，对从2007年底开始在悉尼建造的海水淡化厂和海洋出口结构，水务当局表示，海洋出口将会设置在海底，从而最大限度地分散浓缩的海水，以确保在出口处50米到75米处无差别。典型的外海海洋条件可以迅速稀释这些浓缩的副产品，从而尽量减少对环境的危害。

若要限制这些高浓度盐水流回海洋对环境造成的影响，也可以将其与另一股水一起流入海洋从而达到稀释的作用，比如废水处理或火力发电厂的排污。另一种减少海水盐度增加的方法是在混合区域通过扩散器混合盐水。海滩水井也是一种解决方案，但问题是这需要更多的能源，而且成本较高，加之底层含水层的渗水性限制了吸水率，使得输出量受限，因此很难在大规模的海水淡化厂实施。

当然，更有效的方法是消除预处理阶段或降低预处理要求，因为这将大幅减少能源消耗、资本成本以及海水淡化厂对环境的影响，但这需要开发具有特定表面性质的耐污染的膜，并且需要与改进的流体动力混合的膜模块。

海水淡化的未来发展

除去人口和水资源供应因素，城市化的快速发展、工业扩张、旅游产业的增长以及含水层中盐水侵入的增加，都驱动全球海水淡化能力不断增长。但到目前为止，要广泛使用的话，海水淡化技术还是过于昂贵，因此现在的大多数兴趣专注于开发具有成本效益的方式提供淡水为人类所用。海水淡化技术才出现50年左右，有大量的可改进空间。比如反渗透膜系统通常比热蒸馏使用的能量少，这导致过去十年中海水淡化整体成本的降低。

对一些供水紧张的地区，淡化海水可能是一个解决方案，但这可能并不适用于那些穷困、在大陆内部深处、或者是海拔高的地方。然而不幸的是，这包括了一些地方水问题最为严重的地区。在离海远的地方（比如印度的新德里），或者海拔高的地方（如墨西哥城），高昂的运输成本会添加到已经很高的海水淡化成本中。在相对离海较远同时相对较高的地方（比如利雅得），淡化的水也很昂贵。

海水淡化成本的决定因素包括设施容量和类型、位置、给水、劳动力、能源、融资和浓缩液处理等。海水淡化目前仍然需要控制压力、温度和盐水浓度以优化效率。如果规模很大，核动力的海水淡化可能具有经济性。但核能海水淡化在商业基础上的大规模部署将主要取决于经济因素。联合国的国际原子能机构（IAEA）正在促进这一问题上的研究和协作。

2013年2月25日，在德克萨斯州的San Antonio举行的AMTA/AWWA膜会议之前召开了一个研讨会，会上全面回顾并评审了一些低能源的和可再生能源的海水淡化系统中的最新思维。会上评审了正向渗透、膜蒸馏、电容去离子、微生物海水淡化细胞以及循环太阳能与地热联合作为动力的海水淡化系统。显然，目前这些技术中没有任何一个可以在商业世界中全面应用，但如果给予时间和恰当的应用，这些技术将会持续发展，甚至取代现有的热门技术。