基于超滤-反渗透的海水淡化单位制水成本影响因素分析

陈方芳

（上海市政工程造价咨询有限公司，上海市200092）

0 引言

随着社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，全球淡水资源紧缺的局面正在逐渐显现。为解决日益严峻的淡水资源短缺问题，世界沿海国家和地区都大力发展海水淡化产业。近年来我国海水淡化工程总体规模也稳步增长，截至2017年底，全国已建成海水淡化工程136个，主要分布在沿海9个省市，产水规模118.91万t/d，大幅度地缓解了城市水资源短缺问题[1]。目前海水淡化的主要方法有多效蒸馏法（multi-effect distillation,MED）、多级闪蒸法（multi-stage flash,MSF）、压汽蒸馏法（vapor compression，VC）、电渗析法（electrodialysis,ED）和反渗透法（reverse osmosis,RO）等，而全球海水淡化技术中反渗透占总产能的65%，由于其能耗低、操作简便、投资少等优点，因此，反渗透法也成为海水淡化的主要方法。

然而，海水中含有大量的悬浮颗粒、有机物、金属盐和藻类等，对高浊度海水直接进行反渗透处理会导致膜污染严重，膜组件的寿命缩短。为了保证反渗透装置能够长期稳定地运行,还必须对海水进行预处理，而利用超滤（Ultra Filtration,UF）进行预处理，可以很大程度地降低海水浊度，避免反渗透膜的污染。现阶段，超滤-反渗透的海水处理工艺由于其良好的去除有机物、浊度等特点已经广泛应用于工程实践，并取得显著的成效。但超滤-反渗透的处理工艺的推广受成本限制极大，因此，分析其制水成本及其主要影响因素也是超滤-反渗透的海水淡化工程研究的重点，也为推广超滤-反渗透技术打下坚实的基础。

1 超滤-反渗透海水淡化处理工艺

超滤-反渗透的工艺流程为进水-超滤-反渗透-出水，由原水进入到超滤膜预处理单元。膜过滤是一种膜分离技术，其膜为多孔性不对称结构，用于溶液中大分子级别物质的分离。该处理工艺采用的预处理单元，膜过滤是一种膜分离技术，其膜为多孔性不对称结构，用于溶液中大分为过滤孔径 0.01～0.1 μm，具有抗污染、通量高、强度高、耐受高浓度氧化剂性能好等特点的污水回用处理专用中空纤维膜，用于去除海水中的大分子有机物等，大大地降低了海水的浊度，确保出水满足反渗透的进水要求。经过超滤后的反渗透的进水中投加适量的还原剂和阻垢剂，还原进入反渗透的水中含有的氧化性物质，保护反渗透膜不被氧化性物质所氧化，防止反渗透膜结垢[2]，反渗透后的浓盐水可以被能量回收装置进行回收，还可以作为反冲洗水利用。

2 超滤-反渗透海水淡化制水成本的构成与分析

超滤-反渗透海水淡化的总成本是指运营期内当期为生产淡水或提供淡水所发生的全部费用。总成本费用可以采用生产成本加期间费用估算法或生产要素估算法[3]。为方便经济评价的成本核算，供水项目的总成本费用采用生产要素估算法进行估算，具体内容包括水资源费、原材料费、动力费、职工薪酬、固定资产折旧费、修理费、无形资产和其他资产摊销费、其他费用和财务费用。其中，水资源费、原材料费和动力费有属于可变成本，其余的属于固定成本，而单位制水成本=年总成本/（年计算天数×出厂水规模/日变化系数）。

本文以山东某海水淡化工程为例进行成本计算和分析。该工程进水量规模27万m3/d，出厂水设计规模为10万m3/d。制水成本计算的基础数据：日变化系数1.0，超滤-反渗透吨水电耗3.5 kwh/m3/d，污泥处理电耗100 kwh/m3/d，电费单价0.555元/度，日污泥量48 t/d，职工定员20人，人年均工资15万元/年，工程总投资约6.6亿元，折旧年限分别按照土建25 a，设备20 a，固定资产净残值5%，固定资产综合折旧率4.38%，超滤膜考虑每五年更换一次，每次更换的费用2 500万元；反渗透膜每七年更换一次，每次更换的费用3 500万元；大修理费率由于供水行业的统计资料分析一般取2%～2.5%，由于海水淡化工程投资较大，因此该项目的大修理费率取1%，无形资产和其他资产率按2.5%考虑，流动资金借款年利率4.35%，一年考虑20 d的停产检修期，按345 d计算。

经过计算分析，该工程的海水淡化年总成本为14 872.42万元，其中可变成本为8 680.37万元，固定成本6 192.05万元；海水淡化单位制水成本为4.31元/吨。海水淡化的各项成本的计算结果及比例见表1所列。

由上述计算分析可知，超滤-反渗透的海水淡化单位制水成本中，动力费成本最大，主要是超滤-反渗透处理的电耗量较高，占单位总制水成本的44.85%，其次是固定资产折旧费，占18.02%；药剂费占9.21%，再次是膜摊销费占7.15%；其余污泥处置费、职工薪酬、大修理费、运营期借款利息支出、无形资产摊销、管理及其他费用占比合计为20.77%。

其中，动力费主要与超滤-反渗透的电耗、日变化系数、电费单价有关；由于厂站项目的固定资产残值率一般取5%，折旧年限也为固定值，因此固定资产折旧费主要取决于工程建设投资的大小；药剂费主要与超滤-反渗透处理的药耗投加量及单价有关；而膜摊销费与超滤膜及反渗透膜的更换年限及费用有关，其余的费用占比较小，对成本的影响不大。

表1 海水淡化各项制水成本构成一览表

因此，影响超滤-反渗透的海水淡化单位制水成本的主要因素是：超滤-反渗透处理的电耗、日变化系数、电费单价、建设投资；次要因素是药耗投加量、超滤膜及反渗透膜的更换年限。

3 海水淡化单位制水成本的主要影响因素分析

为了分析单位制水成本主要影响因素发生变化时对单位制水成本的影响，通过敏感性分析，确定以上主要影响因素的影响程度，在供水项目中，通常采用单因素敏感性分析，变动因素分别为超滤-反渗透的吨水电耗、日变化系数、电费单价及建设投资。

3.1 超滤-反渗透的吨水电耗的影响因素分析

该工程超滤-反渗透的电耗所需的动力费占总动力费的99.7%，因此超滤-反渗透的吨水电耗是影响单位制水成本影响主要因素，考虑这项因素的可能变化幅度为±10%～±20%。因此，超滤-反渗透的吨水电耗发生变化时对单位制水成本的影响如2所列。

表2 超滤-反渗透吨水电耗敏感性分析表

3.2 日变化系数的影响因素分析

日变化系数主要是根据供水规模、用水量组成、生活水平、气候条件，结合当地相似供水工程的年内供水变化情况综合分析确定，日变化系数=最高日用水量/平均日用水量，它的取值对制水成本有重要影响，考虑这项因素的可能变化幅度为10%～20%，日变化系数的吨水电耗发生变化时对单位制水成本的影响如表3所列。

表3 日变化系数敏感性分析表

3.3 电费单价的影响因素分析

海水淡化的工艺都需要使用大量的电力，一般情况下，反渗透海水淡化工艺的吨水电耗为3.0～5.0 kwh/m3/d，而电费单价对超滤-反渗透工艺的影响更为显著，考虑这项因素的可能变化幅度为±10%～±20%。因此，超滤-反渗透的电费单价发生变化时对单位制水成本的影响如表4所列。

表4 电费单价敏感性分析表

3.4 建设投资的影响因素分析

建设项目总投资包括固定资产投资（即工程造价）和流动资产投资（即流动资金），而固定资产投资又包括建设投资和建设期利息，建设投资包括工程费用、工程建设其他费用及预备费。考虑这项因素的可能变化幅度为±10%～±20%。当工程投资发生变化时对单位制水成本的影响如表5所列。

表5 建设投资敏感性分析表

由上述定量分析可知，基于超滤-反渗透的海水淡化单位制水成本主要影响因素的程度由大到小依次为：建设投资，电费单价和超滤-反渗透的吨水电耗，日变化系数。其中电费单价可以向政府争取优惠电价降低动力费，电耗通过综合分析设备工艺性能和经济性能进行优化。

4 结论

本文基于超滤-反渗透的海水淡化处理工艺的分析，分解和量化单位时间内海水淡化的制水成本，得知海水淡化单位制水成本主要影响因素包括超滤-反渗透的吨水电耗、日变化系数、电费单价和建设投资；并通过对这些主要影响因素的敏感性分析，分别得出主要影响因素影响程度的大小。为今后设计人员在选择海水淡化处理工艺的同时，结合其制水成本综合考虑，使工程设计更经济更合理，也为类似工程提供参考依据。