国际视野下海水淡化“大时代”的来临

宫 徽，王凯军

（清华大学环境学院，北京 100084）

国际视野下海水淡化“大时代”的来临

宫 徽，王凯军

（清华大学环境学院，北京 100084）

我国需要从国家战略角度，系统考虑和统筹海水淡化产业在水资源战略中的重要作用。在海水淡化行业数次技术“大”突破和产业中心“大”转移的历史背景下，在工程规模“大”型化和系统设计“大”集成的技术特征下，在日本、韩国、新加坡等亚太诸国技术联合“大”攻关的挑战格局下，我国海水淡化行业迎来“大”挑战与“大”机遇共存的新时期。我国海水淡化行业发展必须从“大”战略的新视角，迎接国际视野下海水淡化“大时代”的来临。

海水淡化；联合攻关；机遇与挑战

1 海水淡化是缓解21世纪水资源紧缺局面的重要手段

世界范围内的水资源紧缺一直是困扰人类社会的重大问题。早在2002年的南非约翰内斯堡可持续发展世界首脑会议上，水问题即被列为可持续发展的五大世界性挑战之首。根据2006年联合国颁布的人类发展报告，全球有约1/5的人口生活在水资源紧缺的环境中，同时还有约1/4的人口由于经济技术的限制而导致生活缺水。伴随着人口增长和人均用水量的激增，未来用水需求将面临持续增长，再考虑到目前水资源的退化情况（地下水过度开采，地表径流减少及水污染等），用水紧张的局面难以避免。根据联合国秘书长潘基文在2013年的全球水峰会上预测，到2030年，全球用水需求将增长40%，届时全球一半的人口都将面临水资源短缺的威胁。我国水资源紧缺的情况同样不容乐观，根据住建部的统计，目前全国657个城市中已经有300多个属于联合国人居环境署评价标准中的“严重缺水”和“缺水”城市。毫不夸张地说，保障水资源供给既是我国当前推进城镇化建设的战略需求，更是未来支撑我国社会下一轮经济发展的战略保证。

从海水中大规模获取淡水是人类千百年来希望实现的梦想。美国总统肯尼迪在上世纪中期曾指出，从服务

人类的角度来看，如果能够以较低的成本实现海水淡化，那将是使其他任何科学成就都黯然失色的伟大进步。面对当前水资源短缺的严峻局面，考虑到水资源的稀缺性和不可替代性，海水淡化以拓展可利用水资源总量为突出特征，是缓解21世纪水资源紧缺局面的重要手段。

2 海水淡化行业实现数次技术大突破

近50年来，海水淡化行业在世界范围内得到迅速发展。随着热法和膜法等海水淡化工艺的商业化，海水淡化工程规模不断上升。如图1所示，以多效蒸馏（Multiple-Effect Distillation，MED）和多级闪蒸（Multi-Stage Flash, MSF）为代表的热法海水淡化工艺自20世纪70年代问世后，在80年代的中东地区首次得到大量应用。从90年代起，反渗透（Reverse Osmosis，RO）工艺也实现历史性的技术突破，随着反渗透膜材料脱盐率和产水量的提高、核心装置包括高压泵和能量回收装置的问世以及大规模淡化厂系统集成技术如三个中心的成熟，反渗透膜法海水淡化逐步取代热法成为海水淡化市场的主流工艺。目前全球海水淡化总规模约在7000万m3/d，共计1.6万余座淡化水厂。其中，约60%产能采用的是RO工艺，而热法工艺约占34%，其中包括在行业统筹条件下实现的热膜耦合工艺。

图1 历年世界海水淡化市场新增规模和工艺发展情况

3 工程规模大型化是海水淡化行业发展的新趋势

日益增长的水资源需求决定了当前世界海水淡化产业发展呈现出工程规模大型化的特点。目前，海水淡化的成本已经持平甚至低于长距离跨区域调水，海水淡化行业也已经摆脱了早先仅仅为海岛或其他特殊情况供水的角色，成为人类社会重要的供水渠道之一。经过30余年的不断发展，以反渗透膜工艺为代表的海水淡化厂的常见规模已经从早先的1万～5万t/d，发展到如今的10万～40万t/d。大型化的海水淡化厂已成为未来海水淡化厂建设的新常态。目前世界范围内超过40万t/d的海水淡化厂已经有10余座，且基本都是在2009年后建成的。相应的，适用于大型海水淡化厂的16英寸大直径反渗透膜组件也得以开发，以取代原有的常规8英寸膜组件，单位组件的产水能力增长约为原组件的4倍。世界上首例使用16英寸大组件的海水淡化厂，正是目前世界规模最大的以色列Sorek海水淡化厂，其规模超过50万t/d。

4 系统设计大集成是海水淡化行业发展的新特征

海水淡化工程系统设计大集成的发展趋势主要是追求更低系统能耗。目前主流的反渗透膜法工艺包括取水、预处理、反渗透脱盐、泵系统、能量回收、后处理、浓盐水处理等流程，其中反渗透脱盐环节是主要的耗能过程。早期反渗透脱盐环节的能耗非常高，在1970年高达15～17kW·h/m3。近年来反渗透工艺实现了技术突破，具体表现为膜材料性能的提高、能量回收装置的广泛采用和高效高压泵的发展，反渗透环节的能耗也随之大幅降低。2008年的典型海水淡化工程实现了反渗透脱盐环节的能耗稳定在1.8kW·h/m3，该数值已经接近最低理论能耗（含盐35,000ppm的海水以50%回收率计算，脱盐的最低理论能耗约为1.06kW·h/m3），且在工艺总体能耗中所占比例已经可以低于50%[1]。 这一方面说明反渗透脱盐环节的能耗已经降低到了比较低的水平，进一步下降的空间有限，另一方面从侧面说明降低海水淡化总体能耗需要从系统集成的角度出发，利用高级调控技术，综合提高系统效率，从取水、预处理、后处理等各个流程环节寻求突破，这也凸显了未来海水淡化厂系统集成化的发展趋势。未来大型甚至超大型海水淡化厂的建设更迫切需要高级系统集成技术的支持。

此外，在传统反渗透过程脱盐环节能耗已经接近理论最低值的情况下，为了进一步降低能耗，除了通过加强系统集成、提高系统效率外，开发新型脱盐技术在促进未来海水淡化行业的发展上显示出巨大潜力。目前，包括正渗透技术、膜蒸馏、仿生膜材料等新型脱盐技术

的研发都取得长足进展。

5 产业中心大转移是海水淡化行业发展的新阶段

世界海水淡化行业中心现正悄然发生着从中东地区迁往亚太地区的大转移。历史上，海水淡化产业最早在中东地区得到长足发展，尤其以热法和热膜耦合工艺为典型，在中东各国得到大量应用，这可以视为是世界海水淡化行业发展的第一个阶段。可以看到，中东的淡水需求和欧美的技术支持主导了该阶段的发展，如商务市场主要由以色列的IDE和法国的SIDEM等公司所主导。近年来，亚洲（中国、新加坡、印度、日本、韩国）、欧洲（西班牙）、北美（美国）以及大洋洲（澳大利亚）等地区的海水淡化行业发展迅速，尤其是亚太地区既存在人口和经济增长带来的水资源需求，又拥有较强的海水淡化技术产业基础，在世界海水淡化行业新兴市场中显示出巨大活力。随着海水淡化研究机构和企业研发中心不断在亚太地区成立，世界海水淡化行业中心逐步向亚太地区倾斜，这可以视作世界海水淡化行业发展的第二个阶段。在此新阶段，亚太地区的海水淡化需求和技术都得到长足发展。目前，新加坡已经成功推动以反渗透为主导的技术工艺，海水淡化成为该国四大供水渠道之一。在行业市场上，新加坡凯发集团、日本东丽公司、韩国斗山重工、印度WABAG集团等亚太公司都已经积累了可观的海水淡化业绩，反映出亚太各国海水淡化产业蓬勃发展之势。

6 组织大型联合技术攻关是亚太地区各国发展海水淡化产业的新格局

以日本、韩国为代表的亚太诸国都充分意识到世界海水淡化产业格局的变化，以及在这新历史时期下所带来的机遇和挑战，因此不约而同地形成了大型海水淡化联合攻关的新格局，及拟通过联合科技攻关的方式应对支持海水淡化大时代的发展和挑战，大型化的海水淡化时代已经到来。日本将培育海水淡化产业竞争力提高到国家战略层面。日本政府在2000 年提出“50 年内产生30 名左右的诺贝尔奖获得者”的目标后，推出了“世界尖端科技研发项目（Funding Program for World Leading Innovation R&D on Science & Technology，FIRST 项目）”，遴选了30个有可能在未来3～5年冲击世界一流水平的科研团队及领军科学家，投入2000亿日元科研经费（约合160亿元人民币）。其中，针对未来大规模海水淡化需求的“百万吨级别综合海水淡化系统研究（Mega-ton water system）”即为该计划支持的项目之一[2]。项目由曾担任亚太脱盐协会会长的栗原优（Masaru Kurihara）主持，分别针对反渗透脱盐过程（高效大型分离膜研究、海水取水技术、正渗透膜发电技术、高效能量回收装置研究、低成本耐腐蚀输水管研究）和系统集成技术（百万吨级规模大型海水淡化工程设计及优化研究，革新的资源生产型海水淡化/污水整合膜处理系统）开展相关研究（见图2）。项目总体目标希望实现海水淡化综合成本下降50%。项目同时提出了16英寸大组件、甚至24英寸超大组件的应用研发，以及基于正渗透系统的海水淡化与污水处理组合系统的研究。

图2 隶属FIRST计划的日本百万吨级别综合海水淡化系统研究项目

韩国不仅重视海水淡化前沿技术的研发，同时格外关注本国海水淡化产业化的发展。目前以光州科学技术研究院为承担单位，在约合9.15亿元人民币科研经费的支持下开展了SeaHero项目（见图3），对反渗透海水淡化技术从预处理到后处理进行全流程研究。项目紧密联合了韩国国内科研院所和以韩国斗山重工为代表的具有行业领先实力的重要企业，注重推动产业的整体发展。

图3 韩国SeaHero海水淡化联合科技攻关研究项目

7 我国海水淡化行业迎来大挑战与大机遇共存的新时期

我国早在1967～1969年期间就由国家科委和国家海洋局共同组织了全国海水淡化会战。“七五”以来，反渗透海水淡化技术的开发研究一直列入国家重点攻关项目，也曾获得“863”项目和国家科技支撑计划课题的支持。然而，虽然我国海水淡化技术研发起步很早，但行业整体一直没有实现良好的产业化突破。

面对我国海水淡化行业发展不足的现状和世界海水淡化市场发展的新局面，海水淡化产业目前已经获得国家层面的政策支持。中共“十八大”报告首次提出建设海洋强国，并指出我国应“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”。海水淡化产业在提供水资源的同时，还可以带动上下游产业乃至海洋产业的发展，是我国海洋战略的组成部分。一方面，海水淡化通过扩展水资源供给可以支持我国沿海近海地区的下一轮社会和经济发展；另一方面，海水淡化产业本身体量大，且具有盐化工等上下游延伸产业链，是吸纳投资、拉动投资的理想着手点。2012年2月，国务院办公厅发布了《关于加快发展海水淡化产业的意见》。12月，国家发改委发布海水淡化产业发展“十二五”规划，明确提出海水淡化是水资源的重要补充和战略储备[3]。同时提出明确的近期发展目标，即到2015年，我国海水淡化产能达到220万m3/d以上，并提高海水淡化产业的整体水平。目前，我国海水淡化大工程的建设已经取得初步进展，天津已建成亚洲最大的大港新泉海水淡化工程，河北曹妃甸建成了日产5万吨的海水淡化示范工程。2013年国家发改委启动了第一批产业发展试点地区，深圳市和浙江舟山市入选海水淡化试点城市，天津滨海新区、河北沧州渤海新区入选试点园区。北京、天津、大连等地近期也将工程规划提上议程。我国海水淡化的工程建设已呈方兴未艾之势，未来的累积海水淡化工程量预期有望大大超出原有220万m3/d的规划规模。我国海水淡化行业将迎来大挑战与大机遇共存的新时期。

8 我国海水淡化行业发展大战略的新视角

近年来，为应对海水淡化“大时代”的挑战，海水淡化技术的研发和产业化都被推向新的战略高度。北京、天津、大连等沿海或近海城市及省份，纷纷依托本地的产业基础和市场需求培育促进海水淡化产业发展。例如北京市通过整合北控水务集团、赛诺水务科技有限公司、清华大学等重点企业和科研院所，组建了“中关村新能源海水淡化技术创新联盟”，北京市科委也启动了“海水淡化重大科技专项”。然而，在国家层面尚欠缺对海水淡化产业发展的统筹思考和顶层设计。参照国内外发展趋势，从海水淡化行业发展大战略的新视角出发，提出以下发展目标和建议：

（1）建设百万吨级海水淡化工程，构成海水淡化新型产业大格局

北京百万吨级海水淡化工程一期日产100万吨，其规模为世界之最。预期水厂建设投资约100亿元，管线投资约300亿元。工程远期规模预期达到日产300万吨，厂网积累总投资近千亿元。如果再考虑海水淡化产业链下游盐化工等产业，百万吨级海水淡化工程带动的投资总规模可达几千亿元。在大工程的示范带动作用下，海水淡化作为战略新兴产业有望成为名副其实的经济发展新增长点，形成海水淡化新型产业新的战略格局。

（2）以科技大攻关、产业大联盟的形式，集聚和打造国内领先、世界一流的海水淡化技术综合能力

借鉴国外科技联合大攻关的模式，通过国家层面组织重大科技专项，充分利用我国在经济、科技以及人才领域的储备，调动社会有效资源，形成具有强大国际竞争力的海水淡化人才战略高地，最终打造成国内领先、世界一流的海水淡化工程技术研发中心。同时，利用产业联盟的行业带动作用，例如美国的政府、企业和研究机构成立了致力于实现可接受海水淡化价格的脱盐联盟（ADC，Affordable Desalination Collaboration），以成立产业大联盟的形式，集聚和打造国内领先、世界一流的海水淡化技术综合能力。

（3）构建面向百万吨级的海水淡化战略产业与技术体系，主导海水淡化新兴战略产业发展

利用百万吨海水淡化工程的市场优势，整合海水淡化产业链上下游资源，聚集培育一批技术领先、资金雄厚、研发能力强的企业、水务公司和科研院所，促进我国海水淡化产业和市场的发展和成熟。以发展战略产业的角度，从国家层面施行产业系统的顶层设计，构建面向百万吨级的海水淡化战略产业与技术体系，利用后发优势主导海水淡化产业新一轮发展，甚至影响世界海水淡化市场的发展。

总之，我国水资源严重短缺，且面临时空分布严重

不均、水环境污染等问题，无论从历史上看，还是从眼下乃至未来，水资源都是影响我国社会发展的重要限制因素。因此，必须从国家战略角度系统得考虑和统筹我国水资源问题。

海水淡化是水资源战略的重要组成部分，拓展淡水资源总量的特征更凸显了其难以替代的战略地位。良好的产业基础、迫切的市场需求和清晰的政策导向，将指引我国海水淡化行业发展迎来新的机遇期。与此同时，在海水淡化行业数次技术“大”突破和产业中心“大”转移的历史背景下，在工程规模“大”型化和系统设计“大”集成的技术特征下，在日本、韩国、新加坡等亚太诸国技术联合“大”攻关的挑战格局下，我国海水淡化行业迎来“大”挑战与“大”机遇共存的新时期。我国海水淡化行业发展必须从“大”战略的新视角，迎接国际视野下海水淡化“大时代”的来临。

[1]Elimelech, Menachem, and William A. Phillip. “The future of seawater desalination: energy, technology, and the environment.” Science 333.6043 (2011): 712-717.

[2]Kurihara, Masaru, and Masayuki Hanakawa. “Mega-ton Water System: Japanese national research and development project on seawater desalination and wastewater reclamation.” Desalination 308 (2013): 131-137.

[3]国家发展改革委.关于印发海水淡化产业发展“十二五”规划的通知（发改环资[2012]3867号）[Z].2012-12-9.

Approach of “Big Age” of Sea Water Desalination under International Perspective

GONG Hui, WANG Kai-jun

X171

A

1006-5377（2015）08-0030-05