鄒川玲，劉淑靜，張拂坤

(國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，根據(jù)《2015年全國(guó)海水利用報(bào)告》，截至2015年底，全國(guó)已建成海水淡化工程121個(gè)，總裝機(jī)容量100.88萬(wàn)t/d。目前商業(yè)化應(yīng)用的海水淡化技術(shù)主要是反滲透、低溫多效和多級(jí)閃蒸，每一種技術(shù)都有各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，不同技術(shù)的對(duì)比研究一直是海水淡化領(lǐng)域研究方向之一，已有學(xué)者從技術(shù)原理及特點(diǎn)、能耗、經(jīng)濟(jì)成本等多個(gè)角度對(duì)不同海水淡化技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究[1-6]。其中技術(shù)原理及特點(diǎn)的對(duì)比多為定性分析；能耗分析通常只比較系統(tǒng)消耗的電力、蒸汽熱能，而海水、設(shè)備材料、化學(xué)藥劑等所包含的能量一般不予考慮；經(jīng)濟(jì)成本分析中的輸入輸出只包含了材料、能源等的社會(huì)屬性，即以資金形式體現(xiàn)的部分。實(shí)際上，海水，設(shè)備材料、化學(xué)藥劑等物資，電力和蒸汽能源以及資金都是海水淡化系統(tǒng)的投入，并且其自然屬性部分在生產(chǎn)過(guò)程中也做出了貢獻(xiàn)。因此若要很好地衡量系統(tǒng)投入和產(chǎn)出的真實(shí)價(jià)值，必須在考慮資金投入的同時(shí)，計(jì)入海水、材料、能源的自然屬性產(chǎn)生的價(jià)值。但由于物質(zhì)、資金、能源、勞動(dòng)力等性質(zhì)不同，表達(dá)、計(jì)量方式也不同，其長(zhǎng)期處于不可比較的狀態(tài)。

能值分析[7]方法是一種新的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)分析方法，以太陽(yáng)能為基準(zhǔn)，把不同類(lèi)型的能量、物質(zhì)、信息等轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，能夠全面分析系統(tǒng)中不同來(lái)源與性質(zhì)的自然環(huán)境資源與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)價(jià)值投入，從而定量評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值和可持續(xù)發(fā)展水平。筆者運(yùn)用能值分析方法，開(kāi)展海水淡化系統(tǒng)的投入產(chǎn)出分析及可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)，并對(duì)比反滲透、低溫多效、多級(jí)閃蒸3種技術(shù)海水淡化系統(tǒng)。

1 研究方法

能值分析的理論方法由美國(guó)著名生態(tài)學(xué)家Odum創(chuàng)立。能值是某種產(chǎn)品或服務(wù)在其生產(chǎn)過(guò)程中所消耗的另一種能量的總和，體現(xiàn)了產(chǎn)品或服務(wù)在生產(chǎn)過(guò)程中所消耗能量的歷史積累[7]。通常以太陽(yáng)能作為基準(zhǔn)，用太陽(yáng)能焦耳為單位度量不同類(lèi)型能量、物質(zhì)、信息等的能值。單位物質(zhì)或能量所具有的能值稱(chēng)為能值轉(zhuǎn)換率，其能夠體現(xiàn)能量的能質(zhì)等級(jí)和系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，單位sej/g或sej/J。數(shù)量乘以相應(yīng)能值轉(zhuǎn)換率就可以得到某一確定數(shù)量物質(zhì)或能量的能值。

能值分析為評(píng)價(jià)環(huán)境、資源、人類(lèi)勞務(wù)、信息提供了一種統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，使不同類(lèi)別的能量具有了可比性。同時(shí)，能值分析在計(jì)量自然資源的價(jià)值時(shí)考慮了免費(fèi)的自然環(huán)境的貢獻(xiàn)，反映了其真正的價(jià)值。因其能夠正確地分析自然與人類(lèi)、環(huán)境資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的價(jià)值和相互關(guān)系，在生態(tài)環(huán)境影響及可持續(xù)發(fā)展研究中有廣泛應(yīng)用。能值分析方法的應(yīng)用領(lǐng)域，在空間尺度上大到國(guó)家、流域，小到城市、鄉(xiāng)村、企業(yè)；在生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型上，既可以是自然生態(tài)系統(tǒng)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，也可以是工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，甚至是信息或服務(wù)系統(tǒng)[8]。

能值分析基本方法通常包括5個(gè)步驟[9]：收集資料，分析研究對(duì)象的輸入輸出種類(lèi)；繪制系統(tǒng)能流圖；編制能值分析表，計(jì)算各能流能值；建立能值評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算能值指標(biāo)；系統(tǒng)發(fā)展評(píng)價(jià)。系統(tǒng)能流輸入種類(lèi)確定后一般將能流按來(lái)源類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)于海水淡化系統(tǒng)，主要為3個(gè)方面的輸入：本地可更新資源輸入(R)，即海水；購(gòu)買(mǎi)的不可更新資源輸入(P)，即設(shè)備材料、化學(xué)藥劑等；資金輸入(S)。由于沒(méi)有煤、金屬礦物等直接使用的不可更新資源輸入，因此系統(tǒng)本地不可更新資源輸入(N)為零。筆者采用能值分析常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：凈能值產(chǎn)出率、環(huán)境負(fù)載率、能值可持續(xù)性指標(biāo)。

1.1 凈能值產(chǎn)出率(εEYR)

系統(tǒng)產(chǎn)出能值Y與經(jīng)濟(jì)反饋能值F之比。反饋能值F來(lái)自人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)，包括燃料和各種生產(chǎn)資料及人類(lèi)勞務(wù)。即

(1)

凈能值產(chǎn)出率是表征系統(tǒng)產(chǎn)出對(duì)經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)大小的指標(biāo)，與經(jīng)濟(jì)分析中“產(chǎn)投比”(產(chǎn)出/投入)相似，是衡量系統(tǒng)生產(chǎn)效率的一種標(biāo)準(zhǔn)。εEYR越高，表明系統(tǒng)投入一定經(jīng)濟(jì)能值產(chǎn)出的產(chǎn)品能值越高，即系統(tǒng)的生產(chǎn)效率越高。

1.2 環(huán)境負(fù)載率(εELR)

系統(tǒng)不可更新資源投入能值總量與可更新資源投入能值總量之比。對(duì)于海水淡化系統(tǒng)，無(wú)本地不可更新資源能值輸入，因此

(2)

εELR描述了系統(tǒng)在自身生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)本地環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的影響，可用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)周?chē)鷳B(tài)系統(tǒng)的環(huán)境壓力，εELR越高，表明系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的壓力越大。

1.3 能值可持續(xù)性指標(biāo)(εESI)

能值指標(biāo)體系中，εEYR用以評(píng)價(jià)系統(tǒng)的產(chǎn)出效率，εELR用以評(píng)價(jià)系統(tǒng)的環(huán)境壓力。兩者分別評(píng)價(jià)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能的2個(gè)方面。為填補(bǔ)原有指標(biāo)體系中評(píng)價(jià)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能的綜合指標(biāo)空缺，美國(guó)生態(tài)學(xué)家Brown等[10]于1998年提出了能值可持續(xù)指標(biāo)εESI，并定義為系統(tǒng)能值產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)載率之比，即

(3)

εESI反映了系統(tǒng)在一定環(huán)境負(fù)荷下的能值產(chǎn)出效率，其值越高意味著單位環(huán)境壓力下的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益越高，系統(tǒng)可持續(xù)性越好。

2 研究對(duì)象

以我國(guó)南方某擬建的5.1萬(wàn)t/d反滲透海水淡化工程、5.1萬(wàn)t/d低溫多效海水淡化工程以及已建的0.6萬(wàn)t/d多級(jí)閃蒸海水淡化工程為例，開(kāi)展海水淡化系統(tǒng)能值分析研究。反滲透海水淡化系統(tǒng)采用超濾預(yù)處理，兩級(jí)反滲透設(shè)計(jì)，產(chǎn)品水TDS為10ppm左右，反滲透膜采用芳香聚酰胺膜，壓力容器材質(zhì)為玻璃鋼，能量回收裝置外殼為玻璃鋼、轉(zhuǎn)子為陶瓷材質(zhì)。低溫多效海水淡化系統(tǒng)為3套裝置，每套產(chǎn)水量1.7萬(wàn)t/d，7效蒸發(fā)器設(shè)計(jì)，造水比為10，傳熱管采用鋁黃銅管和鈦管。多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)為大港電廠海水淡化工程，2套裝置，每套產(chǎn)水量0.3萬(wàn)t/d，1992年投運(yùn)，39級(jí)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)，造水比為10，傳熱管采用鋁黃銅管和鈦管。

3 海水淡化系統(tǒng)能流分析

海水淡化系統(tǒng)的輸入主要包括：①海水。②設(shè)備及建材。其材質(zhì)類(lèi)型有鋼鐵、樹(shù)脂/塑料、玻璃鋼、混凝土、陶瓷等。③化學(xué)藥劑，包括混凝劑、殺菌劑、阻垢劑、消泡劑、清洗劑等。④能源。反滲透海水淡化系統(tǒng)能源為電力，低溫多效和多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)的能源除電力外還需蒸汽熱能。⑤資金投入。用于購(gòu)買(mǎi)設(shè)備、生產(chǎn)材料、能源，以及建設(shè)、運(yùn)行期間支付勞動(dòng)力工資等[11]。海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)品是淡化水，同時(shí)還產(chǎn)生濃海水排放到環(huán)境或用于綜合利用。應(yīng)用能值語(yǔ)言，繪制海水淡化系統(tǒng)的能流圖，如圖1所示。

圖1 海水淡化系統(tǒng)能流示意圖

按來(lái)源類(lèi)型對(duì)海水淡化系統(tǒng)的輸入輸出進(jìn)行分類(lèi)。其中可更新資源為海水，無(wú)本地不可更新資源，購(gòu)買(mǎi)的不可更新資源為設(shè)備材料及建材、化學(xué)藥劑、能源等，此外還有建設(shè)投資、運(yùn)行費(fèi)用等資金投入。產(chǎn)出僅為產(chǎn)品水，本研究假定濃鹽水直接排放，不產(chǎn)生新的價(jià)值。

表1、表2、表3為反滲透、低溫多效、多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)能值分析計(jì)算表，其定量描述了各種能流輸入輸出的能值具體數(shù)據(jù)。

對(duì)比分析3種海水淡化系統(tǒng)的能流。從能流種類(lèi)角度分析，海水、鋼鐵、樹(shù)脂/塑料、化學(xué)藥劑、電力以及資金是各系統(tǒng)均有的能值投入。根據(jù)各自的技術(shù)原理特點(diǎn)，反滲透增加了陶瓷的輸入，其是能量回收裝置中轉(zhuǎn)子的材料；作為蒸餾法海水淡化技術(shù)，低溫多效和多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)中有銅、鈦的傳熱管材料輸入以及作為熱源的蒸汽輸入。從能值總輸入角度分析，生產(chǎn)相同產(chǎn)量的海水淡化水，低溫多效海水淡化系統(tǒng)的能值總輸入明顯高于反滲透海水淡化系統(tǒng)；本研究中多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水量?jī)H為0.6萬(wàn)t/d，若按比例擴(kuò)大至反滲透、低溫多效海水淡化系統(tǒng)相同的規(guī)模，能值總輸入將達(dá)到 4.47×1020sej，高于低溫多效海水淡化系統(tǒng)的能值總輸入。

表1 反滲透海水淡化系統(tǒng)能值分析[8，12-14]

注：1. 假定系統(tǒng)生命周期為30年；2. 反滲透膜元件及超濾膜元件更換周期為5年。

表2 低溫多效海水淡化系統(tǒng)能值分析[8，12-15]

注：假定系統(tǒng)生命周期為30年。

表3 多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)能值分析[8，12-13，15-17]

注：1. 假定系統(tǒng)生命周期為30年；2. 年固定資產(chǎn)投入和年運(yùn)行支出以1996年測(cè)算值為基準(zhǔn)。

將系統(tǒng)的輸入分為海水、設(shè)備及建材、化學(xué)藥劑、能源以及資金五類(lèi)，計(jì)算單位產(chǎn)品水中包含的各類(lèi)輸入能值以及總能值，如圖2所示。結(jié)果顯示，3個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)品水中包含的能值，能源均為最主要的能值來(lái)源，占比超過(guò)了70%，其次為資金投入。低溫多效和多級(jí)閃蒸海水淡化技術(shù)由于有相轉(zhuǎn)變，能源消耗遠(yuǎn)高于反滲透海水淡化技術(shù)，導(dǎo)致單位產(chǎn)品水的總能值也明顯較高。因此從能值角度，低溫多效和多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)能源消耗遠(yuǎn)高于反滲透海水淡化系統(tǒng)。同時(shí)，對(duì)比能流分析表(表2、表3)中數(shù)據(jù)，2種蒸餾法海水淡化系統(tǒng)，即低溫多效和多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)，蒸汽能值均遠(yuǎn)高于電力能值，其在輸入總能值中占比分別達(dá)到了84.64%和74.20%，是熱法海水淡化系統(tǒng)最主要的能值投入。

圖2 海水淡化系統(tǒng)單位產(chǎn)品水能值分析

輸入總能值與產(chǎn)水量的比值為單位產(chǎn)品水的能值，也即產(chǎn)品水的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率。太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率反映了商品在能量等級(jí)中的位置以及生產(chǎn)該商品的效率，其值越低，生產(chǎn)過(guò)程的效率越高。不同海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)品水的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率，反滲透系統(tǒng)最低，為3.32×1012sej/m3，低溫多效系統(tǒng)其次，為2.06×1013sej/m3，多級(jí)閃蒸系統(tǒng)最高，為 2.40×1013sej/m3。由此表明從能值分析角度，不同技術(shù)海水淡化系統(tǒng)的生產(chǎn)效率由高到低依次為反滲透、低溫多效、多級(jí)閃蒸。

4 海水淡化系統(tǒng)能值評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

各海水淡化系統(tǒng)能值評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

a.εEYR：εEYR反映了系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，其值越大表示系統(tǒng)單位經(jīng)濟(jì)能值投入得到的能值產(chǎn)出越大，由此系統(tǒng)生產(chǎn)效率越高，競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng)。相比于低溫多效和多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)，反滲透海水淡化系統(tǒng)設(shè)備及建材少，不需要蒸汽熱源，經(jīng)濟(jì)能值投入較低，因此能值產(chǎn)出率最高。

表4 不同技術(shù)海水淡化系統(tǒng)的能值評(píng)價(jià)指標(biāo)

b.εELR：εELR描述了系統(tǒng)對(duì)本地生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的影響，用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)的環(huán)境壓力。εELR大表示系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的壓力較大，εELR小則對(duì)周?chē)h(huán)境的壓力較小。筆者研究的3種海水淡化系統(tǒng)，可更新資源均只有海水，其余為資金投入及購(gòu)買(mǎi)的不可更新資源，均沒(méi)有本地不可更新資源輸入。因此，系統(tǒng)海水能值輸入越多，資金及購(gòu)買(mǎi)資源能值輸入越少，則系統(tǒng)εELR越低。反滲透海水淡化系統(tǒng)由于購(gòu)買(mǎi)的不可更新資源能值投入相對(duì)較低，因此其εELR低于低溫多效和多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)，為94.90，其對(duì)周?chē)h(huán)境的壓力較小。與低溫多效海水淡化系統(tǒng)相比，多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)級(jí)數(shù)多導(dǎo)致設(shè)備及建材投入多，動(dòng)力消耗大，化學(xué)藥劑消耗多，即系統(tǒng)購(gòu)買(mǎi)的不可更新資源能值輸入多，因而其εELR高于低溫多效海水淡化系統(tǒng)。

c.εESI：εESI是一個(gè)復(fù)合指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性能，其值越高，可持續(xù)性能越好。與普通化學(xué)處理生產(chǎn)飲用水系統(tǒng)[18]和污水處理系統(tǒng)[19]相比，筆者研究的3個(gè)海水淡化系統(tǒng)的εESI均較低，其中反滲透海水淡化系統(tǒng)最高，多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)最低，即反滲透海水淡化系統(tǒng)的可持續(xù)性最高，多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)的可持續(xù)性最低。根據(jù)能值分析的結(jié)果，從可持續(xù)發(fā)展角度，相比于低溫多效和多級(jí)閃蒸海水淡化技術(shù)，反滲透海水淡化系統(tǒng)能值產(chǎn)出率高，環(huán)境負(fù)載率低，能值可持續(xù)性指標(biāo)，因此建議新建海水淡化項(xiàng)目?jī)?yōu)先采用反滲透海水淡化技術(shù)。

5 結(jié) 論

應(yīng)用能值分析理論開(kāi)展了反滲透、低溫多效、多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)的能值分析及可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)。與傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析或能耗分析不同，能值分析不僅涉及經(jīng)濟(jì)投資所產(chǎn)生的價(jià)值，還考慮了海水、設(shè)備材料、能源等的自然屬性在海水淡化水生產(chǎn)過(guò)程中所做的貢獻(xiàn)。能值分析計(jì)算結(jié)果顯示，能源是海水淡化系統(tǒng)最主要的輸入能流，其中反滲透海水淡化系統(tǒng)能源輸入僅為電力能值，低溫多效和多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)能源輸入中蒸汽能值遠(yuǎn)高于電力能值。對(duì)比3種海水淡化系統(tǒng)，反滲透海水淡化系統(tǒng)單位產(chǎn)品水的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率最高，表明該系統(tǒng)生產(chǎn)效率最高；多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)品水太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率最低，生產(chǎn)效率最低；由于反滲透海水淡化系統(tǒng)設(shè)備投入相對(duì)較少，無(wú)蒸汽熱能輸入，其εEYR最高，而εELR最低，由此εESI最高。因此從能值分析和可持續(xù)發(fā)展角度，新建海水淡化項(xiàng)目可優(yōu)先采用反滲透海水淡化技術(shù)。

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