影响海水淡化成本的主要原因分析

影响海水淡化成本的主要原因分析

李志勇, ,孙玮

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司

【摘要】海水淡化正在越来越多的国家得到使用,如何降低其成本成为了关键因素,本论文通过对其成本构成因素进行初步分析,指出了影响其成本的主要因素,并就如何降低成本做了一些思考。

【关键词】反渗透原理、预处理、电力消耗、运行成本、成本控制

海水淡化是为分离海水中的水和盐而生产淡水的方法。根据盐水分离过程的不同, 海水淡化技术分为化学方法和物理方法，物理方法包括多级闪蒸、多效蒸馏、压汽蒸馏、冷冻法、增湿除湿、反渗透和电渗析等。近年来，由于更好的给水预处理、更好的水处理技术、膜价格下降、膜寿命延长等原因，反渗透水处理成本持续下降，国际上新建的大型海水淡化厂大都采用了反渗透技术，目前约占全球海水淡化项目的60%。

一、反渗透法原理（Reverse Osmosis, RO）

反渗透法原理是在进水（浓溶液）侧施加操作压力克服自然渗透压，从而使进水（浓溶液）中的水分子部分通过膜成为稀溶液侧的净化产水。反渗透工艺主要包括以下几个子系统：预处理系统、反渗透系统、后处理系统。

预处理系统是将海水中的悬浮物、胶体、细菌、藻类等物质通过絮聚、过滤、超滤等工艺进行去除，常规的预处理过程包括澄清或石灰软化，多介质过滤及UV杀菌等。

反渗透是海水淡化的核心工序，其工作原理是运用特制的高压水泵提高原水侧压力，使原水在压力的作用下渗透反渗透膜。反渗透膜是实现反渗透的核心元件，是一种模拟生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜。一般用高分子材料制成，表面微孔的直径一般在0.5～10nm之间。

后处理系统是调节产品淡水的水质的工艺，常用方法包括投加石灰、苏打或火碱以提高碱度或硬度。

图（一）反渗透（RO）工艺流程图

二、影响海水淡化成本的主要因素

目前大型海水反渗透 (SWRO) 项目的成本在每立方米 0.79 美元至 2.38 美元之间变化，全球处理成本最低的水厂做到了0.53 美元/方（以色列Ashkelon 海水淡化厂（33 万吨/天）），这种巨大的差异是由于许多成本因素和变量造成的。影响海水淡化主要因素包括海水淡化技术、原水和产水水质、进出水口类型、工厂或项目的位置、使用的能量回收类型、电价、后处理需求、存储、分配、当地基础设施成本和环境法规。

1. 水处理技术

目前，主要的海水淡化技术包括膜处理（60%）和热处理（35%），每种技术的系统在占地面积、结构材料、设备、预处理要求、电力和蒸汽要求等方面都有很大差异，从而导致处理成本存在很大差异。

2. 项目建设地点

建造海水淡化设施的地点会对项目的总成本产生重大影响。对于 SWRO淡化厂，工厂应尽可能靠近海水取水源，以避免取水管道和复杂取水结构的成本增加。最佳的项目选址还将减少浓盐水排放回海的管线，从而导致价格差异非常大。从施工的角度来看，在选择水厂建设地点时应仔细考虑当地工程地质、施工水源和电源距离、施工交通条件、施工建筑材料供应等。

3. 原水水质

原水质量会对所需的预处理步骤的数量和类型以及脱盐厂的整体规模产生重大影响。原水的总溶解固体 (TDS) 直接影响运营成本，运行压力通常随着原水盐度的增加而增加，更高的原水盐度也可能降低每加仑原水的可行产品水回收率。在 SWRO 工艺中，在小海湾、海湾或渠道等区域，可能具有更高的局部盐度水平、更高的总悬浮固体、更高的温度变化以及更高的有机负荷和生物活性。所有这些因素都会增加设计和施工的复杂性，从而显着增加建设和运营成本。

4. 进水口和出水口

海水淡化厂的进水口是工厂性价比设计和优化运行的最重要的技术考虑因素之一，合适的进气口类型（浸没式与开放式进气口）、进气口相对于工厂的距离、进气屏的类型、进气结构的类型、进气管道的类型（埋地与地面）等对成本影响很大。取水系统的成本可能从开放式取水口的低至0.13 美元/吨/天到复杂结构0.7美元/吨/天的成本不等（WRA，2012）。

出水口类型和位置也是影响成本的一个重要因素，位于对盐度高度敏感的地方的排放需要精心设计的浓缩排放扩散器系统，其成本可能超过项目总支出的30%。相比之下，位于自然混合非常高的沿海地区的浓缩物排放水生产成本最低，或者与发电厂排放口结构相结合，这些工厂的进出水设施成本通常不到海水淡化厂总成本的10%（WRA，2012 年）。

5. 预处理

预处理成本受预处理系统的类型和复杂性的影响。所需的预处理类型取决于项目现场的原水质量，一些原始海水或微咸地表水源具有高水平的有机物和生物活性，需要更强大的预处理技术，例如 DAF（溶解空气浮选）和 UF（超滤）。根据相关研究，预处理成本通常在每千立方米/天 0.13 美元到 0.40 美元之间。进水水质越差预处理成本越高，如果水源是废水，预处理步骤会更复杂，成本通常会更高，例如需要去除高钙和镁（硬度）水平，增加氯化和脱氯步骤以破坏微生物，或使用超滤去除高分子量有机化合物的必要性。  

6. 能量回收

在SWRO技术中需要使用高压泵来克服原水的渗透压。一些 SWRO 工厂可能需要高达 70 bar的进料压力，该工艺产生的 RO 浓缩盐水流包含可回收的压力能，以降低整个RO系统的能源需求。能量回收技术减少了整体能量输入，从而减少了运营支出。

7. 电力消耗

电力消耗约占海水淡化厂运营费用的 50%，项目所在地能源价格、传输距离、连接费用是影响电力供应价格的主要因素。对于非常大的热脱盐厂，应考虑将海水淡化厂与发电厂放在一起。此外在有条件建设自备电站的地方，应考虑将海水淡化厂与自备电站相结合来降低成本。

8. 后处理

最终产品水质要求将决定所需的特定后处理类型，例如是否需要采取特殊的后处理技术或者是否需要进行第二次渗透。研究结果表明，两道反渗透系统的成本通常比单道反渗透系统高15%到30%（WRA，2012 年）。此外，产品水的稳定通常需要调节 pH 值和添加碳酸氢盐碱度，这可以使用二氧化碳、石灰和/或氢氧化钠的组合来完成。   

9. 当地基础设施成本

基础设施成本包括土方工程、混凝土、钢材、结构、排水和建筑材料等项目。根据工厂的位置、当地市场物质供应情况、市场价格水平等，不同国别和地区，这些成本可能会有比较大的差异。

10. 环境调节费用

每个国别都有自己的环境规则和法规，即使在同一个国家不同地区之间也会有不同的规定，这些规定导致办理环境的许可成本差别很大。此外更长的环境审查期也会延长项目进度，从而导致更高的项目成本。

11. 建造费用

建造费用分为直接成本和间接成本两大类。直接成本包括设备、建筑物和其他结构、管道和设施建设费用，通常占总资本支出的 50% 到 85%。间接成本包括融资利息和费用、工程、法律和行政成本以及或有事项。大多数海水淡化厂的典型建造成本可进一步分为九部分：取水和原水输送；预处理；脱盐处理；后处理；产品水的抽取和储存；电气和仪表系统；厂房、场地和土建工程以及厂房的平衡；盐水排放和固体处理。反渗透工艺大致建造成本比例如下图（二）所示：

图（二）反渗透（RO）工艺建造成本组成

12. 运行成本

海水淡化厂运营成本一般分为两大类：固定成本（如人工、行政、设备和膜更换成本，以及物业费/税[当地适用]等）和可变成本（如电力 、化学品和其他消耗品。典型运营成本又可以细分为九个部分，包括：电力消耗、消耗品、固体废物、化学品、劳动力、 维护、设备保修、工厂和公用设施余额以及其他固定成本（管理、备件、应急等）。反渗透工艺大致建造成本比例如下图（三）所示：

图（三）反渗透（RO）工艺运营成本组成

13. 生命周期成本

海水淡化厂的生命周期成本也称为单位生产成本或年化成本，是海水淡化生产一立方米水的成本，并考虑所有建造成本（包括偿债）和运营成本，并可能预测或实际工厂进行调整经营因素。由于涉及的因素太多，这些年化成本计算比较复杂，不同项目之间的单位生产成本差异无法直接比较，但整体上来说工厂规模越大单位产品的生命周期成本越低。根据对全球已完成 RO 项目的年化成本统计，对于超大型工厂可以低至0.53美元，对于小型工厂则最高可以达到2.38美元。 

三、总结

综上所述，海水淡化设施的开发、建设和运营成本受很多因素影响，取决于工厂的位置、原水的类型和质量、进水口和排水口的类型、使用的工艺技术和能量回收系统、建造成本、任何所需的后处理和储存、运行电力、环境法规等。为了更好的降低成本，需要从多方面努力，一是提高工艺的先进性，从而提高出水效率和出水水质，减少二次处理成本；二是通过优化选址降低建造成本，选址时综合考虑原水水质、当地地质条件、建造资源供应情况等；三是通过多种手段降低用电成本，合理配置电源供应结构，逐步采取自动化运维方式，降低运维人员数量。

李志勇（1978-），男，硕士研究生，高级工程师，研究方向：国际市场开发和国际项目管理，E-mail: lizhiyong@chidi.com.cn.  邮编：610000

参考文献

1、郑智颖，李凤臣，李倩，王璐，蔡伟华，李小斌，张红娜，“海水淡化技术应用研究及发展现状”，科学通报，2016年 第61卷  第21期：2344-2370

2、Arun Subramani, Joseph H. Jacangelo, “Emerging Desalination technologies for water treatment: Acritical review” , Water Research, Volume 75, 15 May 2015, Pages 164-187

3、Khaled Elsaid, Mohammed Kamil, Enas Taha Sayed, Mohammad Ali Abdelkareem, Tabbi Wilberforce, A.Olabi, “ Environmental impact of desalination technologies: A review” Water Research, Volume 748, 15 December 2020, 141528

4、谭永文、谭斌、王琪，“中国海水淡化工程进展”，《水处理技术》2007年第1期；

5、侯勇、王桂华，“海水淡化技术现状与发展”，《吉林电力》2011年第1期；