澳大利亚环境友好型海水淡化产业发展分析

刘 伟，张 铭

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

引 言

澳大利亚是全球最干旱的大陆，其海水淡化活动拥有漫长的历史，最初目的是为干旱的偏远社区供水，保障采矿业、国防、交通运输和旅游活动正常进行。近年来，随着气候变化的影响凸显，澳大利亚兴起了将海水淡化作为新水源的浪潮，致力于促进供水水源的多样化，市政和工业供水成为海水淡化的主要任务。

目前，海水淡化已成为澳大利亚沿海城市的重要饮用水源之一。相比于水坝、地表水调送等传统供水，淡化的社会和环境成本较低、不易受气候变化影响、产水水质稳定且特别适于工业应用，这些优势令澳大利亚日渐支持发展海水淡化产业。

1 澳大利亚海水淡化产业现状

1.1 发展海水淡化的背景

澳大利亚现将自然降水作为主要饮用水来源，依赖大坝蓄水供水。政府严禁使用地下水，因为地下水资源一旦开采很难恢复。自2006年起，厄尔尼诺现象影响扩大，导致降雨大幅减少，各大城市普遍缺水，因此政府颁布多项限制用水的法规，通过节水等措施渡过干旱。气候变化使该国出现巨大的水资源缺口，迫使政府和水务行业开发淡化海水等“非传统性水源”，澳大利亚的海水淡化产业因此迎来蓬勃发展的黄金时期，一批先进的大型反渗透海水淡化厂成功投产并为沿海城市供水。2008年后，干旱现象开始好转，东海岸的年降雨量亦恢复正常，很多大型淡化厂也随之转入“备用模式”。

1.2 海水淡化产业规模

澳大利亚的海水淡化起步于20世纪初，但其真正的大发展是进入21世纪后，特别是2006—2012年间澳大利亚的淡化产水能力实现指数增长（如图1所示），一系列独具特色的大型市政海水淡化厂投入运营并成功与可再生能源结合。至2015年8月，澳大利亚已建淡化厂276座，总产水能力共计约225.5万吨/日；其中海水淡化厂65座，产水能力约180万吨/日。反渗透是澳大利亚当前淡化业的主流优势技术（图2所示），占淡化产能的97.7%，淡化产水主要用于市政，其次为工业、发电等（如图3所示）[1]。

图1 澳大利亚2002—2012年海水淡化产业的增长情况Fig.1 Increase of the capacity and plant number of Australia's seawater desalination industry from 2002 to 2012

1.3 海水淡化厂运营情况

图2 澳大利亚各类淡化技术的应用比例Fig.2 Proportion analysis of the use of different desalination technologies in Australia

图3 澳大利亚淡化产水的用途Fig.3 Proportion analysis of the application of desalinated water in Australia

澳大利亚政府将淡化海水视为一种“灵活、独立于气候变化的保险水源”，因此当降水情况改善和恢复后，水务企业将优先使用成本更低的天然水源，并将大型反渗透海水淡化厂转入“备用模式”妥善维护，待到水源再度匮乏之时予以重启[2]。例如2012年12月，产水能力高达44.4万吨/日、可满足墨尔本1/3用水需求的维多利亚海水淡化厂投产；但与此同时，墨尔本大坝的水位在12月上旬达到81.3%，州政府表示2012—2013财年不需要任何淡化产水[3]。因此，澳大利亚实际淡化产水量要远低于其产水能力。

1.4 海水淡化立法与研发活动

随着新兴的海水淡化日渐盛行，澳大利亚积极完善相关立法，力图保护环境与人体健康，促进淡化产业高效发展。澳大利亚涉及开发淡化项目的立法可分为两大类：管理淡化基础设施选址、建设和运营的环境立法；涉及用水、取水权和水质的健康立法[4]。

澳大利亚政府十分重视海水淡化的研发活动，支持不同学科背景的科学家与研究机构合作解决错综复杂的挑战，旨在令澳大利亚在新型膜法淡化发展中保持世界领先地位。

表1 澳大利亚主要的海水淡化相关立法Tab.1 Main laws and regulations related to seawater desalination in Australia

表2 澳大利亚政府组织的淡化研发活动Tab.2 Major research and development activities for desalination organized by the Australian government

此外，澳大利亚各大学也积极参与新兴淡化科技研发。例如，维多利亚大学可持续发展与创新研究院的一个研究团队在2011年底的3个月中利用余热运行了一座产水量为240升/日的试验性工厂，论证膜蒸馏工艺利用重工业余热淡化高盐度废水的潜力，其结果表明膜蒸馏系统具有长寿命和健全性，可在30℃的低温条件下生产高品质水且无需增加温室气体排放[5]。

澳大利亚国家水务委员会认为，阻碍淡化产业发展的一个紧迫问题是在科学与工程领域出现的技能短缺。澳大利亚已确认淡化产业对各学科领域专业人才的需求，计划加强学校与职业培训、提升水务行业形象并实行灵活的人力资源管理，使淡化产业能够留住人才[4]。

2 澳大利亚海水淡化工程特色

由于潜在的环境影响，澳大利亚民众对海水淡化存在一些担忧，主要包括：化石能驱动淡化厂导致空气污染物和温室气体排放，加剧气候变化；浓盐水排海对珊瑚礁、红树林等敏感生态系统造成威胁；淡化厂建设破坏生态景观等。澳大利亚新建淡化厂采取针对性、系统化的解决方案，实现了良好的生态经济效益。

2.1 发展可再生能源淡化

澳大利亚位于南太平洋和印度洋之间，地处南半球的西风带和东南信风带，拥有充沛的太阳能、风能等可再生能源。由于享有得天独厚的条件，澳大利亚在可再生能源利用方面一直处于世界领先地位。海水淡化是以能源换淡水的过程，传统能源的消耗不可避免地会造成碳排放等环境问题，因此澳大利亚的很多淡化工程采用了可再生能源供能。澳大利亚2007—2012年间投产的六大反渗透海水淡化厂均间接使用可再生能源作为全部动力来源，主要技术方式是将风电场和太阳能电场生产的电能供入智能电网，间接为淡化厂提供动力，这也解决了风能和太阳能强度间断与多变的问题。澳大利亚是全球可再生能源淡化产水能力最高的国家。

大洋洲民众普遍承认气候变化将导致不利影响，因此可再生能源淡化在政治上得到支持，获取了大量潜在资金来源。澳大利亚政府实施了一整套改革和法规措施，促进可再生能源和水务部门发展，特别是淡化技术、基础设施和研发活动的融资机制显著增强了行业实力[6]。

表3 澳大利亚六大可再生能源海水淡化项目概况Tab.3 Profile of Australia's"Big Six"renewable energy powered seawater desalination projects

例如，西澳大利亚州的鸸鹋唐斯风电场共有48座涡轮机（80兆瓦），生产的电力并入西部电力公司的电网，为珀斯海水淡化厂供应充足的绿色电能。珀斯淡化厂的能耗量约为4.1千瓦时/吨产水，自2007年4月投入运营以来已生产了超过1亿吨的淡水，并促进了澳大利亚可再生能源认证体系建设[6]。

澳大利亚在淡化与可再生能源直接耦合领域也取得了长足进步。例如，皇家墨尔本理工大学2007年开发了一个太阳能热法淡化研究项目，论证利用太阳热能通过多级闪蒸和多效太阳能蒸发技术进行海水淡化的潜力。在金字塔造盐公司的现场示范中，该工艺可高效生产盐和淡水，产水量可达1万～2.5万吨/日。

图4 珀斯海水淡化厂浓盐水排放示意图Fig.4 Sketch map of concentrated brine discharge from the Kwinana Seawater Desalination Plant located south of Perth

可再生能源利用得到政府的大力鼓励，不仅出资推动研发示范，还进行长期运行财政补贴。例如联邦政府资助的肯布拉港试验项目2005年成功投产，使用Oceanlinx Mk3 WEC波浪能海水淡化装置，在落潮期间运转，能够生产饮用水并向500个家庭供电。2013年初，工业部为卡内基波浪能开发公司补助127万美元，支持科克本湾CETO波浪能海水反渗透示范工程的设计和建造[7]。

2.2 优化浓盐水排海系统，执行持续监测

澳大利亚六大反渗透海水淡化厂的浓盐水排放总量超过150万立方米/日。通过开展科学研究，优化浓盐水排放系统的设计，这些淡化厂有效缓解了对海洋生态系统的影响。以珀斯海水淡化厂为例，其排放系统位于半封闭、水环流受限的科克本湾，由于排放区自然交混效应较弱，淡化厂采用具有多端口扩散器的海洋排放系统。排放管道末段200米设有40个彼此间距5米的扩散器排放端口，以60度角喷射浓盐水，此处离岸约500米、水深10米、距海床表面约0.5米。此设计令浓盐水羽流升至8.5米高后因其密度而沉降，在缺少环境横流的条件下羽流可延伸约50米到达混合区边缘，那里羽流厚度为2.5米[8]，参见图4所示。

珀斯项目团队通过实时监测、染料试验、毒性测试、环境调查等综合措施，紧密追踪淡化厂对海洋环境的影响。自2006年11月起，科克本湾海底沙床上的传感器开始不间断测量溶解氧浓度，监测结果表明浓盐水排放对溶解氧无明显影响。项目组还将52升红色荧光染料加入排放的浓盐水，试验表明染料约扩散1.5千米，远在距扩散器5千米的科克本湾深水保护区外。项目组针对许多幼年阶段物种进行的一系列毒性测试结果表明，在初始稀释区边缘达到9.2︰1至15.1︰1的浓盐水稀释率即可保护敏感物种，实际扩散器系统则达到45︰1[8]。此外，项目组还完成了排放区的大动物群落与底栖生境调查，表明底栖群落无可归因于排放的变化，海洋水质无明显影响，仅底层盐度增至1 ppt，在背景盐度波动范围内。淡化厂运营1年后在扩散器处摄取的照片表明，尽管浓盐水具有56.2～64.5 ppt的高盐度，扩散器周围区域的海洋生命丰富，对水质变化敏感的海马也栖息于初始稀释区内。迄今所有研究和监测均表明，淡化厂未对海洋环境产生显著影响。

2.3 淡化工程与周边环境相容

在充分考虑并采纳环境保护组织与淡化厂周围居民的意见后，澳大利亚政府要求新建淡化厂对建设过程中破坏的生态景观进行修复，鼓励采用生态绿色设计概念，尽可能减少工程对周边环境的各类影响。

南方海水淡化厂距海岸线约1 300米，围绕淡化厂的东南边缘建有8米高、1 100米长的阶地，作用是掩蔽淡化厂，将光污染和噪声对附近居民的影响降至最低。在淡化厂和海滩之间设有一条220米宽、植被覆盖的“野生动物走廊”，能够为环尾负鼠等野生动物在薄荷林和按树林间的迁移提供便利[9]。

南半球最大的墨尔本海水淡化厂以全澳最大的“生物降解材料绿色屋顶”为特色，绿色屋顶掩蔽了主要厂区，可提供良好的热控制、抗腐蚀保护、隔音效果并减少维护需求。淡化厂周围设有缓冲区，因此建设和运营活动不会对当地植被和海岸生境造成显著影响。为保护海洋环境，淡化厂的取水和排放隧道建于沙丘和海床下15～20米处。淡化厂以外的项目区将建可持续性生态景观，建设中清除的植被将通过补种300万株植物的方式得到恢复。为将淡化厂融入毗邻环境、尽可能减少视觉冲击和噪声影响，还利用挖掘出的土壤改建了海岸沙丘[10]。

图5 珀斯海水淡化厂扩散器排放口附近的海洋生命Fig.5 Marine organisms adjacent to the multiport diffuser outfall of the Perth Desalination Plant

图6 澳大利亚海水淡化典型工程生态景观设计俯瞰图Fig.6 Aerial view of the eco-friendly landscape designs of typical seawater desalination projects in Australia

3 澳大利亚经验对中国的启示

澳大利亚政府承认在全球气候变化的背景下优化水源结构的重要性，明确了海水淡化的定位与作用，通过系统的政策促进产业高速、高质量发展，同时强化政府和企业的环境责任。凭借市场需求、政策支持、技术实力，以及卓有成效的研发和立法活动，海水淡化在澳大利亚蓬勃发展，并走上了环境友好的发展道路，实现了良好的社会经济效益，得到了国际淡化业界的广泛赞誉，也为我国提供了宝贵的经验借鉴。结合澳大利亚的成功经验，可对我国自有海水淡化业提出发展建议如下：

（1）完善有关海水淡化等新兴产业的政策和立法体系，明确海水淡化在保障国家水安全中的作用，针对海水淡化所引发的环境与健康新问题健全现有法规和标准，并严格监督执法，实现环境经济效益。

（2）注重前瞻性研究，统筹国家现有研发资源和智库，制定科学的淡化技术发展路线图，为我国淡化产业健康发展提供有效的引领，特别要关注在正渗透、石墨烯海水淡化等新兴技术领域抢占先机。

（3）制定长期人才建设规划，鼓励合作和创新，使各种学科背景的专业人才能够为海水淡化业的发展贡献聪明才智，形成合力。

（4）将可再生能源开发利用及其基础设施建设作为新兴产业方向，加快建设可调控、可测量的智能输变电网，实现可再生能源的大规模接入，提高清洁能源在供电体系中的比重，并研究为海水淡化等产业间接供能的可行性，以取之不尽的清洁能源和海水置换宝贵的化石能和淡水。

（5）通过技术防治措施缓解淡化设施取水、浓盐水排放和工程建设所导致的环境影响，吸收国外淡化厂的先进设计理念。在海水淡化厂建设前应进行试验性研究并收集基线数据，在建成投产后还要继续监测、追踪沿海生态系统的变化，收集翔实可靠的数据，为科学立法提供支撑。

[1] Global Water Intelligence.Desal Data[DB/OL].http：//desaldata.com.projects.

[2] Global Water Intelligence.Australia Ozwater 2013 [J].Water Desalination Report，2013，49（18）：1-2.

[3] Global Water Intelligence.Australia$3.5 Billion SWRO Is Operational[J].Water Desalination Report，2012，48（47）：1.

[4] UNESCO Centre for Membrane Science and Technology，University of New South Wales.Emerging Trends in Desalination：A Review[R].2008.

[5] Desalination&Water Reuse.MD Desalination Pilot Successfully Used with Waste Heat[N/OL].2012-3-20.http：//www.desalination.biz/news/news_story.asp?id=6425

[6] PRODES.Renewable Desalination Market Analysis：Oceania，South Africa，Middle East&North Africa[R/OL].2010.http：//www.aquamarinepower.com/sites/resources/Reports/2470/Renewable%20desalination%20market%20analysis%20-%20Oceania%20South%20Africa%20Middle%20East%20and%20North%20Africa.pdf

[7] Global Water Intelligence.Renewable Energy：Wave-Powered SWRO Demo Funded[J].Water Desalination Report，2013，49（10）：3.

[8] Water Reuse Association.Seawater Concentrate Management：White Paper[R].2011.

[9] Global Water Intelligence.Australia：Phase 2 of SSDP Makes Water[J/OL].Water Desalination Report，2013，49（4）：1.

[10] Water Technology.Wonthaggi Desalination Plant，Victoria，Australia [N/OL].2012.http：//www.water-technology.net/projects/wonthaggidesalination/.