尽管水脱盐是世界许多水系统的重要组成部分,但它从未达到其全部绝对潜力。高昂的成本、工艺效率低下和环境问题,这些都在某种程度上限制了其发展并产生了分歧。但这种局面可能会改变。更高的投资水平和开创性的技术进步最终将使水脱盐成为全球应对水资源短缺的关键。

作者:Fady Jameel – Abdul Latif Jameel 副总裁兼副主席

难以想象的水资源短缺现实

水资源短缺是一种人道主义、经济和生态危机。联合国粮食及农业组织 (FAO) 认为这是我们社会可持续发展所面临的最紧迫挑战之一。[1]根据联合国儿童基金会 (UNICEF) 和世界卫生组织 (WHO) 最近的一份报告,世界上有三分之一的人无法获得安全的饮用水。[2]

世界资源研究所的研究表明,17 个国家/地区(占世界人口的四分之一)面临着“极高”的基准水资源压力水平。[3]其中有 12 个国家/地区位于中东和北非,那里的干旱气候因不断增长的农业、工业和家庭用水量而变得更加复杂。[4]

水资源短缺确实是一个全球性问题。大量、快速增长的需求使美国、中国和印度处于危险境地。2018 年,南非开普敦市在不到 90 天的时间内用完水。[5]即使是水资源相对丰富的地区也会造成这一问题。

 作为欧盟 IMPREX 项目[6](改善极端水文事件的预测和管理)一部分开展的一项研究发现,欧盟有效用水量的 38% 发生在生产商品和服务的边界之外,而商品和服务通常是由直接受缺水影响的地区生产。[7]

淡水的供应量一直在稳步减少,而需求量却在稳步上升。20 世纪,全球人口翻了两番,但用水量却增加了六倍。[8]

到 2050 年,世界许多流域的水供应量减少可能高达 25%。[9]在接下来 30 年时间里,世界银行专家认为缺水可能会使某些地区的 GDP 损失高达 6%,并导致出现大规模移民和冲突。[10]相比之下,这些风险可以通过更好的方针决策来消除,一些地区可以通过改善水资源管理将增长率提高多达 6%。

ALJ Water Scarcity GDP

水资源短缺影响着 17 个联合国可持续发展目标 (SDG) 中的几个,包括清洁饮水和卫生设施 (SDG 6)、气候行动 (SDG 13)、经济适用的清洁能源 (SDG 7) 和零饥饿 (SDG 2)。[11]尤其是气候变化是引起关注的重要原因。

FAO 估计,“全球变暖每提高气温 1 度,全球 7% 人口的可再生水资源就会减少 20% 或更多”。[12]

答案是显而易见的。我们需要更多的水。幸运的是,我们周围都有水。

水,无所不在

但这里有一个小问题。虽然地球面积约 71% 被水覆盖,但只有 1% 的水适合人类消费。2% 的水是结冰的,其余的水则存在于海洋、湖泊、地下水等(同时带有大量的钠、各种其他矿物质、污染物和所有海洋生物)。

将海水中的水变为适合人类使用的水,更不用说直接消费,并没有人们想象的那么容易,这主要是因为海水中含有大量盐分和其他杂质。

水脱盐是从海水中提取盐以产生淡水的过程,淡水可以转化为适合饮用的超纯水或用于工业和农业的饮用水。

热脱盐和膜分离脱盐是两种最受欢迎的方法。

热脱盐利用热量使水蒸发并将水与盐分离。在膜分离脱盐中,反渗透技术 (RO) 利用渗透的自然过程,通过半透膜转移水以去除盐和其他杂质。许多脱盐厂还对水进行预处理,以提高效率。

Water Desalination in numbers

全球 174 个国家/地区共有 17,000 多家脱盐厂,每天生产 1.07 亿立方米的脱盐淡水。[13]没有它,许多国家根本无法运转。中东地区仅占总产能的一半,而亚洲、中国、美国和南美正在迅速扩大其脱盐能力。

Desalination by Region

沙特阿拉伯正在扩大本来就很出色的脱盐基础设施。就个人而言,我很自豪地说,Abdul Latif Jameel 开始通过 Almar Water Solutions 在这方面发挥越来越重要的作用。

Almar Water Solutions 是一家专业的水基础设施开发技术提供商,包括设计、融资和运营。它已被证明是我们旗舰可再生能源事业部 Fotowatio Renewable Ventures (FRV) 的理想互补型姐妹公司,两者都是 Abdul Latif Jameel Energy 旗下的公司。

2019 年 1 月,Almar Water Solutions 获得在沙特阿拉伯开发 Al Shuqaiq 3 IWP 的合同,这也是世界上最大的反渗透脱盐厂之一。

该项目位于红海城市 Al Shuqaiq 附近,它 6 亿美元的投资将用于建设一个占地 34 个足球场大小的工厂。当 2021 年建成时,根据一项与 SWPC 达成的 25 年自主运营计划,它每天将提供 450,000 立方米的清洁水。超过 180 万人将从该工厂获得淡水,同时将创造 700 个工作岗位。

在我们获得建造肯尼亚第一个大型脱盐厂的合同后不到八周,就传出了我们参与其中的消息。该项目一旦投入运营,将向肯尼亚沿海城市蒙巴萨的 100 多万人提供 100,000 立方米的饮用水,其中这里的严重水危机已导致供水中断多年。

用少许盐进行脱盐

几乎无限的原料供应使水脱盐成为一种潜在的重要工艺资源,用以减少对水的依赖,并为世界上一些最贫穷的国家/地区带去保障和繁荣。可惜的是,这也很昂贵,需要大量能源。

每处理一千加仑水,反渗透装置的平均耗电量多达 13 千瓦小时。[14]这种能量如今大部分来自化石燃料。到 2020 年,以碳为材料的脱盐厂产生的全球二氧化碳排放量可能达到 2.18 亿吨。[15]显然,排放更多的二氧化碳来解决很大程度上是由气候变化引起的问题本身,显然是不可持续的,也是自欺欺人的。

具有讽刺意味的是,在最需要水脱盐的地区,脱盐通常是最不经济的做法。除了巨大的能源成本外,水相对于其价值来说,很重且运费高昂。这意味着脱盐厂通常位于沿海和使用点附近,可满足相对富足的工业、商业或家庭需求[16],从而使更匮乏的内陆地区相对更加“处于困境”。

根据联合国大学水、环境和卫生研究所的资料,为了能在低收入和中低收入国家/地区推出价格合理且环保的脱盐系统,必须进行技术创新,还要有能够支持此类计划可持续性的创新财务机制。[17]

环境问题

人们还对水脱盐的主要副产品(即被称为盐水的高盐浓度废水)表示担忧。一些批评家表示,盐水会大大减少海水中的氧气含量,并且可能对海洋生物有害,因此需要大面积扩散以最大程度减少影响。联合国大学最近的一份报告指出,脱盐厂排放的盐水比原先想象的要多 50%,这足以每年将佛罗里达州置于水下 30 厘米。[18]

但是,国际脱盐协会 (IDA) 却淡化了这些担忧,表示:“世界范围内的长期经验表明,脱盐厂的排放对环境安全,不会导致水生动植物发生改变。”[19] 

Desalination process许多专家都认为盐水无毒。它不过是最初在海水中的盐,然后在经过膜分离过滤后再回到海中。在需要将盐水扩散到较大面积以进行稀释方面,他们指出这样一个事实,即脱盐厂输出的所有水(即脱盐淡水和盐水)最终都会作为正常水循环的一部分回到大海,因此稀释水平自然保持不变。此外,雨水进一步加强了这种稀释,从而确保海洋保持自然的盐浓度水平。

渴求创新

尽管面临挑战,但我坚信有很多理由值得肯定。技术和研发方面的最新进展表明,水脱盐即将迎来可能改变全球水系统的重大突破。

自 20 世纪 70 年代以来,持续的创新已将反渗透的能耗降低 10 倍,成本在接下来 20 年时间里预计将下降高达三分之二。[20]对预处理、纳米技术过滤和电化学方法的广泛研究有望使脱盐效率更高。其中许多研究都集中于提高用于反渗透和其他膜分离脱盐工艺的膜的效率。

纳米结构的膜已实现将生产效率提高 20%。在反渗透膜中使用紧密排列的碳纳米管能在十年内将脱盐成本降低到传统水处理技术的水平。[21]

Graphene sieve seawater to drinking water
图片来源:©曼彻斯特大学

曼彻斯特大学的科学家最近开发了一种石墨烯筛网,可将海水转化为饮用水,扩大规模的话将具有巨大的潜力。[22]曼彻斯特大学 Rahul Reveendran Nair 教授在同行评审期刊 Nature Nanotechnology 中评论说:“实现低至原子级的均匀孔径的可伸缩膜是向前迈出的重要一步,将为提高脱盐技术的效率开辟新的可能。”[23]

另一家英国公司 G20 也在使用氧化石墨烯来提高现有基于聚合物的薄膜过滤器的效率。[24]

向大自然学习

大自然也提供了很多化学课程。

其中一些最令人兴奋的研究正在尝试仿效由发展进化带来的独创性水运输解决方案。尽管仿效微生物的具有水通道蛋白结构的仿生膜处于研究的早期阶段,但可能会在低能耗脱盐方面带来突破。[25]

正渗透是植物从土壤中吸收水的过程,已经用于工业废水处理,可能对脱盐也是可行的。与利用压力的反渗透不同,正渗透是一种低能耗工艺。“可转换盐”从海水中提取纯净水,将其沉积在膜的另一侧。然后强迫加热的空气流过盐水添加剂将其转化为气体,气体可以在高能效回路中收集和再利用。[26]

研究人员尝试报答植物为他们提供的这种思路。缺水意味着农业越来越依靠水脱盐。尽管如此,使用的主要技术仍是反渗透技术,它会浪费大量水,还会去除必须通过肥料重新加进来的有用养分。不过,前沿研究也在这方面开发潜在的新的解决方案。

智能选择性电渗析 (ISED) 有选择地从水中去除植物不喜欢的离子,例如钠和氯离子等一价(单电荷)离子,同时保留钙和镁等有用养分。”麻省理工学院 (MIT) Abdul Latif Jameel Water and Food Security Lab (J-WAFS) 博士生 Kishor Govind Nayar 如是说。“我们认为,与反渗透相比,该解决方案可以节省多达 25% 的用水量和 30% 的化肥用量,”Kishor 补充说。

反渗透的主要问题之一是盐和生物活性物质对反渗透膜的污染(生物污染)。[27]对进水进行化学预处理不仅昂贵、费时,而且只有部分效果。绿色脱盐的趋势越来越强烈,也就是通过使用先进的预处理设计和操作来减少脱盐过程中使用的化学物质。Xuanhe Zhao 教授是 J-WAFS 的另一位研究人员,他和他的团队正在开发振动式反渗透膜清洗技术,有可能提高反渗透膜的效率和使用寿命并降低反渗透的成本。

麻省理工学院 (MIT) 机械工程系 Noyce 职业发展教授 Xuanhe Zhao

所有这些提高效率的技术将使得提高产量变得更加容易。

还有一大堆的创新关注使脱盐过程本身“更清洁”。

所谓的“零液体排放”[28] (ZLD) 系统减少了盐水的产生,例如,通过循环利用来处理废水,然后进行回收和再利用来实现工业目的。

Desalination typical zero liquid process虽然目前 ZLD 的工艺成本很高,但它却通过从排放物中回收盐和其他可能有用的矿物,为取得经济效益铺平了道路。

海洋蕴藏着世界上最大的锂储量,以及其他有价值的矿物质,例如钙、钠、镁和钾等。人们希望,将来可以使用一些技术来分离这些矿物质并产生副产品的脱盐淡水,用于工业、家庭和农业,从而帮助解决缺水问题。

联合国大学最近的一份报告呼吁增加投资以开发具有成本效益的方法,以便提取对许多行业都至关重要的此类物质。[29]

位于沙特阿拉伯的盐水转化公司脱盐技术研究所 (SWCC) 是最大的脱盐技术用户之一,最近获得了双盐水浓缩装置的专利,该装置可从海水中产生两条高矿物质含量流。[30]盐水中的钙也可用于脱盐淡水的后处理,从而减少了对市售化合物的依赖。[31]

美好的未来

尽管这些新兴技术令人鼓舞,但未来的饮用水取决于现在是否采取行动。

为了实现真正的可持续和成本效益,水技术需要在提高效率的最佳实践以及至关重要的是可持续能源方面增加投资。

国际脱盐协会 (IDA) 全球清洁水脱盐联盟设定了一个目标,即在 2020 年至 2025 年之间,将有 20% 的新工厂由可再生能源提供动力。[32]该联盟汇集了能源和脱盐行业、水务工程、政府、金融机构、学术界和研发机构的主要利益相关者,“目标是减少现有水脱盐厂产生的二氧化碳排放,并通过协调行动扩大清洁脱盐技术的使用。”[33]

具有前瞻意识的政府已开始动员起来。沙特阿拉伯已经提出“2030 年愿景”目标,即到 2023 年产生 9.5GW 可再生能源。在西澳大利亚州,已经要求所有新脱盐厂都必须使用可再生能源。珀斯海水淡化厂 (SWRO) 是澳大利亚首家此类脱盐厂,由风电场产生的电量提供动力。

节能设计

提高工厂效率的方法主要有三种:协同定位、热电联产和混合技术。

协同定位的工厂使用附近发电厂的冷却水作为给水。由于这样的水已经被加热,因此这种工艺使用的能源更少。副产品水然后被加到发电厂的冷却水流出物中,在稀释后回到海中。例如,佛罗里达州的 Tampa Bay Seawater RO Desalination Facility 就使用了来自 Tampa Electric (TECO) Big Bend Power Station 冷却系统的多达 4.44 亿加仑的温暖海水。[34]

热电联产厂将发电厂的废汽用作额外的能源,以减少化石燃料的使用。

混合处理厂结合不同的处理方法来优化工厂性能,例如,用反渗透方法处理微咸水,用离子交换法[35]处理有机物含量高的水,这些都在北卡罗来纳州 Cape Hatteras 脱盐厂得到使用。[36]

高效的设计固然必不可少,但真正的机会在于用可再生能源替代化石燃料。水力、地热能和核能都是成熟的技术,可以提供水脱盐所需的高度一致的能量。直到最近,太阳能和风能还被认为太过昂贵而无法为脱盐厂提供动力,但现在这种状况正在迅速发生改变。

释放太阳能的潜力尤为重要,因为(当然)许多最缺水的国家/地区有着最多的太阳光。

幸运的是,技术的进步让太阳能的前景成为现实。

J-WAFS 和中国的研究人员开发的一种被动式太阳能脱盐系统每小时能从一平方米的太阳能板生产超过 1.5 加仑的新鲜饮用水。这种高效的系统利用每个阶段释放的热量为下一阶段提供动力。据 MIT 称,“此类系统有可能为管网外干旱的沿海地区提供高效、低成本的水源。”[37]

许多以可再生能源为动力的开发项目得到了相关组织的支持,这些组织帮助负担不起这些项目的社区。非营利性的 GivePower 为全球贫困社区提供由电池提供动力的太阳能脱盐系统。[38]肯尼亚就有这样一家脱盐厂,两年来每天提供多达 19,800 加仑的饮用水,足够约 25,000 人使用。[39]

GreenPower Kenya
GivePower 在肯尼亚的首家太阳能脱盐厂。图片来源:© GivePower

可再生能源为中低收入国家带来了特别的好处。转变到使用太阳能进行脱盐不仅提供了碳中性能源,同时还释放了石油用于出口,促进了经济发展。这也意味着脱盐作业可以更靠近城镇,而不是发电厂,从而降低了配电成本和浪费的风险。

人人有水

水脱盐现在很重要,随着供水压力不断增加,脱盐只会变得越来越关键。政治稳定、经济增长以及数百万人的持续生存都取决于它。

尽管应对缺水挑战需要采取协调一致的努力,以减少消耗并开发更有效的废水回收利用方式,但水脱盐仍是我们用以确保地球未来的一系列工具的必要组成部分。

对于水危机,人人都有责任;我们完全有理由相信我们可以一起解决这个挑战。

政治和个人责任将推动议程的发展。可再生能源方面的投资和创新将为那些最需要的人提供可靠的水脱盐服务,同时减少我们对化石燃料的依赖并减轻气候变化的影响。新兴技术预示着生产力、效率和废物管理方面将取得突破,帮助确保所有人都有可持续的未来。

 

[1] http://www.fao.org/about/en/

[2] https://www.who.int/news-room/detail/18-06-2019-1-in-3-people-globally-do-not-have-access-to-safe-drinking-water-unicef-who

[3] https://www.wri.org/news/2019/07/release-updated-global-water-risk-atlas-reveals-top-water-stressed-countries-and-states

[4] https://www.wri.org/blog/2019/08/17-countries-home-one-quarter-world-population-face-extremely-high-water-stress

[5] https://www.weforum.org/agenda/2019/08/cape-town-was-90-days-away-from-running-out-of-water-heres-how-it-averted-the-crisis/

[6] http://www.imprex.eu/

[7] 欧洲经济在水资源方面依赖于世界其他地区

[8] https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability/our-insights/water-a-human-and-business-priority

[9] https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability/our-insights/climate-risk-and-response-physical-hazards-and-socioeconomic-impacts

[10] https://www.worldbank.org/en/topic/water/publication/high-and-dry-climate-change-water-and-the-economy

[11] https://www.un.org/sustainabledevelopment/sustainable-development-goals/

[12] http://www.fao.org/zhc/detail-events/en/c/880881/

[13] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf

[14] https://www.nationalgeographic.com/environment/2019/01/desalination-plants-produce-twice-as-much-waste-brine-as-thought/

[15] 节能脱盐,全球水峰会,2018 年 1 月 15 日至 18 日

[16] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf

[17] https://www.unenvironment.org/news-and-stories/story/towards-sustainable-desalination

[18] https://unu.edu/media-relations/releases/un-warns-of-rising-levels-of-toxic-brine.html

[19] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/10/EEC-White-Paper-10-13.pdf

[20] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf

[21] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf

[22] https://www.manchester.ac.uk/discover/news/graphene-sieve-turns-seawater-into-drinking-water/

[23] https://www.nature.com/articles/nmat5025

[24] https://www.theguardian.com/world/2019/apr/10/desalination-world-clean-water-crisis

[25] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6161077/

[26] https://www.herox.com/blog/162-the-challenge-of-desalination

[27]处理移动目标:有害的藻花

[28] https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/zero-liquid-discharge

[29] https://unu.edu/media-relations/releases/un-warns-of-rising-levels-of-toxic-brine.html

[30] https://saudigazette.com.sa/article/571985

[31] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/10/EEC-White-Paper-10-13.pdf

[32] https://idadesal.org/

[33] http://climateinitiativesplatform.org/index.php/Global_Clean_Water_Desalination_Alliance_(GCWDA)

[34] https://www.waterworld.com/home/article/14071194/desalination-opportunities-and-challenges

[35] https://www.researchgate.net/publication/283276150_Desalination_by_Ion_Exchange#:~:text=Ion%20exchange%20is%20the%20most,combined%20with%20selective%20ion%20exchange.

[36] https://www.waterworld.com/home/article/14071194/desalination-opportunities-and-challenges

[37] http://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desalination-0207

[38] https://givepower.org/projects-2/

[39] https://bigthink.com/technology-innovation/solar-power-desalination