郇松樺，劉秀麗,3

(1.中國科學院數(shù)學與系統(tǒng)科學研究院，北京 100190； 2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院預測科學研究中心，北京 100190)

許多國家和地區(qū)都面臨著越來越嚴重的缺水問題，預計到2025年，世界上三分之二的人口將深受缺水困擾[1-2]。我國人均水資源量只有世界平均水平的四分之一，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。然而我國用全球7%的水資源養(yǎng)活了占全球21%的人口。據(jù)有關部門預測，中國缺水的高峰將在2030年出現(xiàn)，屆時人口將達到峰值，全國實際可利用水資源量將接近合理利用水量上限，若不提前采取有效措施，因缺水對我國經(jīng)濟社會造成的損失將更加巨大。而地球上有超過96%的水資源屬于海水，隨著海水淡化技術的迅速發(fā)展，海水淡化已成為沙特阿拉伯、以色列等內(nèi)陸國家淡水的重要來源，當?shù)氐腎DE、SWCC等海水淡化公司頗負盛名。

海水資源利用作為新興重要戰(zhàn)略課題，在目前海水淡化研究中，淡化成本的研究逐漸成為研究熱點[3-4]，其主要研究內(nèi)容可分為海水淡化成本組成分析[5]、海水淡化成本與技術改進[6]兩大類。

對于海水淡化成本組成分析，國內(nèi)外多以理論計算為主，往往以特定規(guī)模為例。高玉屏[7]、王銳浩等[8]學者以日產(chǎn)萬噸的海水淡化規(guī)模為例，根據(jù)國內(nèi)技術水平與條件進行成本模擬測算，認為固定資產(chǎn)折舊與能源費用是造成海水淡化高成本的主要因素。Ziolkowska[9]對中國、澳大利亞、美國、以色列等國家的海水淡化成本進行研究，指出目前尤其是在缺水、經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)反滲透法(RO)的優(yōu)越性。Kariman等[10]以海水淡化各系統(tǒng)為標準進行測算，指出阿布扎比、拉斯帕爾馬斯和珀斯等城市海水淡化成本差異的主要來源為電力等能源費用。張明宇等[11]測算了淡化海水與再生水、自然水等其他水源的生產(chǎn)成本，指出淡化海水不能直接作為飲用水、日用水使用，或?qū)⑼度敫噘Y金使其轉(zhuǎn)化為可飲用的淡水。

對于海水淡化成本與技術改進，國內(nèi)探索新能源及改進工藝流程的研究較多，國外則更關注海水淡化核心技術革新及實踐應用。吳洋等[12]等提出建立大型核能海水淡化中心向內(nèi)陸城市輸水，認為核能將有助于降低淡化成本，核能長距離輸水可以解決內(nèi)陸城市缺水問題。唐智新等[13]探究了多效蒸餾法(MED)海水淡化器替代汽輪機的可行性，并指出替代后將降低海水淡化成本。唐剛等[14]指出使用煉油廠余熱進行MED海水淡化將大大節(jié)約海水淡化能源消耗，有益于社會、經(jīng)濟效益共同提升。類似地，Roberto等[15]指出使用太陽能等新能源將降低海水淡化成本。Park等[16]改進傳統(tǒng)蒸餾方法，推薦使用成本更低的混合蒸餾，可同時進一步提升能源利用率等。

綜上所述，國內(nèi)外關于成本對比分析的內(nèi)容較為粗略，未考慮不同規(guī)模、技術下成本差異的動態(tài)變化，尤其是價格因素對長時間跨度的成本影響。本文綜述了海水淡化在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，動態(tài)對比分析了1999—2017年RO、MED等在不同生產(chǎn)規(guī)模下的成本差異，通過實例分析了我國海水淡化成本的主要影響因素，并進行了淡化海水、自來水及再生水的成本對比分析?；诜治鼋Y(jié)果，提出了降低我國海水淡化成本的策略建議。

1 海水淡化業(yè)的全球發(fā)展現(xiàn)狀

2018年6月，全球有超16 000個海水淡化廠在運營，它們每天生產(chǎn)8.75億m3淡水并供給近3億人[6]。特別是在沙特阿拉伯、阿拉伯聯(lián)合酋長國和科威特，3個國家的海水淡化產(chǎn)量占據(jù)全球三分之一以上，由于當?shù)厮Y源貧乏，海水淡化起步時間早，項目投入資金多，海水淡化是它們淡水的重要來源[17-18]。

我國海水淡化能力在2001—2005年間并沒有較大提升，而在此后海水淡化產(chǎn)能規(guī)模逐年攀升。2001—2018年中國海水淡化產(chǎn)能規(guī)模如圖1所示，其中2011年后的數(shù)據(jù)來自國家海洋局發(fā)布的《國家海水利用報告(2012—2018年)》， 其余數(shù)據(jù)來源于文獻[19]。至2018年末，我國已建成142座海水淡化工程項目，日產(chǎn)淡化水1 201 741 m3。我國的大部分海水淡化項目分布在天津、山東和河北等一些水資源匱乏的北部沿海省市，通常為電力和鋼鐵等高耗水行業(yè)供水。民用淡化項目主要分布在浙江、廣東等。

圖1 2001—2018年中國海水淡化產(chǎn)能規(guī)模

海水淡化技術多元，在全球范圍內(nèi)用于海水淡化的3種常用技術包括MED、RO和多級閃蒸(MSF)。MED是1960年代前的主要技術，該技術已應用于更大型的海水淡化項目中[20]。MSF在全球海水淡化總項目規(guī)模中占26%[21]。RO在1950年代用于海水淡化，近年來高性能膜、能量回收裝置等發(fā)展較快。參照《2018年中國海水利用報告》，我國實施RO的項目有121個，項目規(guī)模為825 641 m3/d，占項目總規(guī)模的68.7%；使用MED的項目有16個，項目規(guī)模為369 150 m3/d，占項目總規(guī)模的30.7%(圖2)。

圖2 2018年全國海水淡化工程技術應用情況分布

2 海水淡化生產(chǎn)成本對比分析

我國目前主要淡化技術可分為RO與MED，由于時間跨度大，價格指數(shù)對成本的影響不容忽視，故下文均采用可比價格(2017年為基年，使用PPI、固定資產(chǎn)投資價格指數(shù)進行折算)，區(qū)分海水淡化的技術、規(guī)模進行生產(chǎn)成本和細分成本的動態(tài)對比，并進一步對比淡化成本與常規(guī)水源、再生水的生產(chǎn)成本。

2.1 生產(chǎn)成本對比分析

本文收集了我國海水淡化的成本數(shù)據(jù)，區(qū)分不同生產(chǎn)技術和海水淡化生產(chǎn)規(guī)模，按照時間順序，使用可比價格對海水淡化生產(chǎn)成本進行了對比分析，結(jié)果見表1。

表1顯示，從海水淡化生產(chǎn)規(guī)模來看，隨著海水淡化規(guī)模逐漸提升，RO及MED的生產(chǎn)成本呈緩慢波動下降趨勢。從不同海水淡化的生產(chǎn)技術來看，RO的生產(chǎn)成本往往低于MED。MED的生產(chǎn)成本隨規(guī)模增加而下降的幅度較小。從時間角度來看，海水淡化成本基本呈逐年波動下降的趨勢，或與我國海水淡化技術的逐步提升有關。

2.2 生產(chǎn)成本組成的對比分析

為探究不同生產(chǎn)技術和規(guī)模下海水淡化生產(chǎn)成本的組成差異，基于表2和表3中相關文獻的測算結(jié)果及其生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)，并將它們轉(zhuǎn)化為可比價，對比結(jié)果如表2和表3所示。

表1 區(qū)分不同生產(chǎn)技術和生產(chǎn)規(guī)模的海水淡化生產(chǎn)成本對比分析

表2 RO海水淡化生產(chǎn)成本的組成差異對比 單位：元/t

由表2可知，對典型的RO海水淡化項目，電費、固定資產(chǎn)折舊費等占比較大，與譚永文等[22]、王銳浩等[24]的成本測算結(jié)論一致。就具體案例來說，大連萊特萊德水處理系統(tǒng)有限公司與青島百發(fā)海水淡化有限公司的化學藥品費成本較低。主要原因是大連萊特萊德水處理系統(tǒng)有限公司的化學藥品研究較成熟，逐步實現(xiàn)化學藥品的合理化利用，如在淡化水質(zhì)較好條件下使用成本較低的化學清洗劑及阻垢劑，而在較差水質(zhì)下則采用專用化學清洗劑等。青島百發(fā)海水淡化有限公司借鑒西班牙經(jīng)驗，向社會招標水處理藥劑的實施方案，通過方案對比選優(yōu)保證較低的化學藥品費。

對于材料消耗費，大連萊特萊德水處理系統(tǒng)有限公司將材料消耗與化學藥品相結(jié)合，根據(jù)不同淡化水質(zhì)情況配套不同方案，且其超純水機可以延長RO膜使用壽命。以色列阿什凱隆工廠借助技術革新與16英寸及24英寸海水淡化膜垂直排列技術，垂直排列的反滲透膜在減少占地面積、節(jié)省大量膜件的同時擴大淡化海水產(chǎn)水量。而浙江華能玉環(huán)電廠海水淡化材料消耗費明顯偏高，其主要使用DOW、Tory、Hydranautics、科氏等多個國外廠商產(chǎn)品，對外依賴性高，加上自身海水淡化規(guī)模有限，或?qū)⒃斐奢^高的膜材料消耗費用。

對于電費，以色列阿什凱隆工廠已實現(xiàn)電力等動力能源自給，逐步增加天然氣供電占比，海水淡化有單獨配套的發(fā)電廠，它們充分利用峰谷電價差，同時享受政府配套25年的長期購買協(xié)議，政府將保證購買多余的淡化海水。大連萊特萊德水處理系統(tǒng)有限公司一方面改進淡化裝置，降低系統(tǒng)動力能耗；另一方面借助地理優(yōu)勢，開發(fā)使用太陽能等能源，盡可能挖掘成本降低空間。而榮成萬噸級反滲透海水淡化示范工程[22]并未采取具體電水聯(lián)產(chǎn)措施，主要使用傳統(tǒng)配電供電方式為海水淡化提供能源動力，其電費等動力費用較高。

對于職工工資及福利費，浙江華能玉環(huán)電廠、以色列阿什凱隆工廠以及青島百發(fā)海水淡化有限公司海水淡化規(guī)模較大，當?shù)卣畬Ｋ聵I(yè)寄予厚望，設備自動化水平較高，員工數(shù)較少，海水淡化所需人力成本較低。而榮成海水淡化工程、大連萊特萊德、閆玉蓮等[23]以及王銳浩等[24]在計算工資及福利費時，一方面根據(jù)所在地物價水平劃定職工工資比例，物價受實際經(jīng)營情況的影響暫未考慮；另一方面萬噸級海水淡化廠的自動化程度與大規(guī)模淡化廠相比仍有一定差距，其職工工資及福利費有較大下降空間。

大連萊特萊德水處理系統(tǒng)有限公司與浙江華能玉環(huán)電廠的檢修費和固定資產(chǎn)折舊費相對較低，前者海水淡化流程及技術方案較為成熟，努力使用國產(chǎn)化設備并招聘國內(nèi)維護技術人員，在降低維修費和固定資產(chǎn)折舊費的同時積累了國產(chǎn)化設備應用經(jīng)驗。浙江華能玉環(huán)電廠與哈爾濱建筑大學在承擔的國家建設部課題中達成合作，積極進行科研成果轉(zhuǎn)化并吸取先進經(jīng)驗，實現(xiàn)降低淡化成本及合作雙贏。而以色列阿什凱隆工廠由于設備先進，維修難度大，所需維修技術及人員素質(zhì)要求高，且以色列勞動力平均成本高于國內(nèi)，或為該廠維修費高昂的原因之一。

由上述分析知，在RO中，合理利用化學藥品及淡化耗材，盡可能實現(xiàn)大規(guī)模電水節(jié)約/聯(lián)產(chǎn)，充分發(fā)揮規(guī)模效應，并不斷革新技術，提升淡化裝備國產(chǎn)化、自動化水平以及尋求政府、國內(nèi)高校科研院所的政策技術人才支持將對海水淡化成本節(jié)約大有裨益。

由表3可知，對典型的低溫多效MED海水淡化工程生產(chǎn)成本，李雪民[26]測算的化學藥品費是最低的，采取聚磷酸鹽類阻垢劑，保持水的回收率為50%，并周期性加入液氯作為殺生劑，裝置每年清洗一次，根據(jù)結(jié)垢程度加藥，合理控制化學藥品消耗，可節(jié)約化學藥品的使用。

對于蒸汽費及電費等動力費用，西班牙Las Palmas四期海水淡化廠積極提升低溫高效蒸餾技術，在實現(xiàn)設備更新的同時嘗試使用新型清潔能源(氫能、太陽能等)，雖設備折舊費用較高，但蒸汽費、檢修費、動力能源費用等降低程度相對可觀。大連萊特萊德水處理系統(tǒng)有限公司與李雪民[26]測算的動力費用也較低，它們均考慮與發(fā)電廠達成合作協(xié)議，使用發(fā)電廠第五級透平的乏蒸汽作為MED的能源來源之一，在保證造水比的同時盡可能均衡蒸汽費與電費成本。而華能威海海水淡化廠的主要能源為煤炭，主要與建筑公司開展合作以實現(xiàn)成本補償，其淡化海水的蒸汽費是同等規(guī)模下西班牙海水淡化廠的2.50倍。

對于職工工資及福利費，西班牙Las Palmas四期海水淡化廠自動化程度相對較高，人工需求少。華能威海電廠海水淡化(一期)對海水淡化自動化重視程度較高，并積極引入高素質(zhì)人才，講求海水淡化員工的“少而精”，進一步縮減海水淡化成本；李雪民[26]測算以自動化MED裝置為主，人員配備采用3班12人制，進而實現(xiàn)海水淡化單位成本的節(jié)約等。

對于檢修費，西班牙Las Palmas四期海水淡化廠設備流程穩(wěn)定，技術工藝成熟，定期開展設備檢查，避免了突發(fā)設備事故及維修支出，進而減少了海水淡化成本費用；而李雪民[26]測算嚴格按照標準，其大修及檢修費嚴格按照固定資產(chǎn)原值的一定比例提取，或可能造成檢修費的高額支出。

對于雜費，伊朗布什爾IDE海水淡化廠響應當?shù)啬茉床刻栒?，盡可能使用當?shù)仉姀S廢熱作為一部分海水淡化能源，大規(guī)模海水淡化項目將不再是環(huán)境污染問題的源頭，海水淡化所需的雜費得以減少；李雪民[26]測算的雜費主要為管理費用，其嚴格控制雜費支出，主要以職工工資及福利費的20%進行劃撥。

由上述分析可知，對MED海水淡化，加快海水淡化廠高度自動化、智能化建設，實現(xiàn)技術+新能源動力的淡化應用，并重視縮減淡化雜費將有助于減少海水淡化成本。

根據(jù)表2、表3的數(shù)據(jù)可以得出不同年度我國海水淡化成本構(gòu)成的占比。對于RO，電費、固定資產(chǎn)折舊費等占比呈波動趨勢，職工福利費等占比逐漸下降，檢修費、財務費、材料消耗費、雜費占比略有上升，化學藥品費占比基本穩(wěn)定；對于MED，蒸汽費、電費、化學藥品費、固定資產(chǎn)折舊費、職工福利費等占比穩(wěn)中有降，財務費、雜費、檢修費等占比略有上升。

由表2和表3中王銳浩等[24]的核算結(jié)果可知，對于RO，成本組成中占比較高的依次為電費(45.17%)、固定資產(chǎn)折舊費(20.91%)、材料消耗費(8.61%)以及化學藥品費(8.14%)等；對于MED(低溫多效蒸餾)，成本組成中占比較高的依次為蒸汽費(36.25%)、固定資產(chǎn)折舊費(20.26%)、電費(18.90%)以及檢修費(8.73%)等。由此可知，動力費用、固定資產(chǎn)投資是海水淡化成本節(jié)約的重要突破口。

表3 MED海水淡化生產(chǎn)成本組成的差異對比 單位：元/t

2.3 投資建廠期的成本對比分析

由表4可知，從目前我國重點建設的10萬m3/d級的海水淡化項目來看，在企業(yè)投資建廠期，工程投資及預備費在總投資中占比最高，其中MED工程投資費平均占總投資的87.12%，預備費占4.60%；RO工程投資費平均占總投資的86.85%，預備費占4.60%。從RO來看，反滲透膜國內(nèi)外技術差距較大，且進口設備價格不菲，使用進口設備的各項費用都不低于使用國產(chǎn)設備的費用，其中，進口工程投資費用較國產(chǎn)高23 218萬元，其他費用高1 160.9萬元，預備費高1 218.34萬元，建設期利息高895.73萬元；從MED來看，進口工程投資費用較國產(chǎn)高26 517.4萬元，其他費用高1 325.87萬元，預備費高1 355.09萬元，建設期利息高1 016.7萬元，總投資差額主要源于工程投資費用、預備費等。而目前我國海水淡化技術有70%屬于RO，30%為MED，企業(yè)逐漸偏向于RO等膜法海水淡化[7]，若企業(yè)想要長久合理經(jīng)營，則需充分規(guī)劃投資建設方案。

表4 10萬m3/d級海水淡化廠投資估算

采用進口設備雖初期投資價格高昂，但相較于國產(chǎn)設備，帶來的后續(xù)經(jīng)營優(yōu)勢明顯。一方面，進口設備使用周期長、質(zhì)量好、技術先進。如利比亞在2003年率先使用2205雙相不銹鋼作為多級閃蒸裝置殼材料，其在耐蝕性和經(jīng)濟性兩方面均優(yōu)于早期316 L不銹鋼，類似地，254SMO由阿聯(lián)酋首次使用，因其優(yōu)異的耐蝕性和較低的成本逐漸成為RO高壓泵的主流材料。而直到2020年，我國山西省太原鋼鐵有限公司雙相不銹鋼中標國內(nèi)最大海水淡化廠；另一方面，自動化程度高，人均產(chǎn)水比高。如以色列索雷科海水淡化廠，其日產(chǎn)淡水62.4萬m3，在滿負荷運行的夜晚一般僅兩名員工上班，所需人力物力可控，人均產(chǎn)水比極高。而我國海水淡化自動化水平參差不齊，青島百發(fā)海水淡化有限公司日產(chǎn)淡水10萬m3，全部員工有38名；同時進口設備知名度高，IDE、SWCC等老牌海水淡化設備深受公眾信任，已形成良好外部聲譽。綜上來看，國產(chǎn)設備應主要在設備質(zhì)量以及技術水平等方面趕超進口設備，努力提升自動化水平，盡快實現(xiàn)突破式創(chuàng)新，并形成良好的外部聲譽。

2.4 與其他供水水源生產(chǎn)成本的對比分析

常規(guī)水與再生水是人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|頻繁的2種水源。表5對比了相近生產(chǎn)規(guī)模下3種供水水源與淡化海水的生產(chǎn)成本。

表5 3種供水水源的生產(chǎn)成本對比 單位：元/t

表5顯示，在1萬～2萬m3/d的產(chǎn)水規(guī)模下，淡化海水的單位制水成本約為自來水的1.28倍、再生水的1.20倍，主要成本差異在于能源動力費及材料消耗費等。淡化海水的材料消耗費明顯低于常規(guī)水及再生水，具有成本優(yōu)勢。而淡化海水的能源動力電費投入高昂，是影響提高淡化海水市場競爭力的關鍵因素。

3 降低海水淡化成本的策略建議

a. 實現(xiàn)科學投資運營。在投資建廠前合理規(guī)劃運營規(guī)模并明確經(jīng)營目的，根據(jù)運營需求確定設備、材料購買渠道(如國產(chǎn)、進口、混合使用等)；經(jīng)營過程中通過實際盈收情況簽訂供水、保底合同，盡可能與電廠、供暖公司及工業(yè)企業(yè)等達成協(xié)議，實現(xiàn)企業(yè)間的良性互動合作；根據(jù)市場競爭情況不斷完善淡化海水的定價機制，保證自身市場競爭力，努力實現(xiàn)海水淡化的成本補償，盡快收回初期投入資金；充分發(fā)揮規(guī)模效益，對接當?shù)爻鞘杏盟枨?，逐步擴大海水淡化規(guī)模，保證海水淡化設備物盡所用。

b. 加快海水淡化技術創(chuàng)新進步。支持海水淡化基礎工程技術的提高創(chuàng)新，減少對外的淡化技術依賴，努力豐富海水淡化相關研究(如高效率滲透膜、全自動化海水淡化線、海水淡化配合遠程調(diào)水等)，積極推動創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，關注海水淡化技術的集成應用(如RO+MED綜合使用)；RO海水淡化要提升滲透膜效率，增強膜抗污染性能及抗氧化性能，同時提高配套設備裝置性能，延長使用年限等；MED海水淡化需不斷完善工程優(yōu)化技術，充分利用蒸汽“余熱”，提高淡化廠運營自動化、智能化水平等。

c. 完善淡化海水成本費用結(jié)構(gòu)。盡可能減少對火力、燃料動力的依賴，多使用核能、風能等新能源；推進技術設施的“國產(chǎn)化”“無人化”，積極響應我國 “工業(yè)4.0”等發(fā)展政策，降低人工費與設備維護費用等；合理調(diào)配海水淡化中的電水、土地資源利用(如實現(xiàn)電廠合建、電水聯(lián)產(chǎn))，以RO為主的海水淡化企業(yè)需盡可能實現(xiàn)電水節(jié)約與聯(lián)產(chǎn)；以MED為主的海水淡化企業(yè)需加快技術+新能源動力(如核能、風能、氫能等)的開發(fā)利用。

d. 積極補齊人才短板。因地制宜，著力探索海水淡化人才培養(yǎng)機制。加快校企協(xié)同發(fā)展，針對性地籌建海水淡化校企研究中心，推進“科教融合”、海水淡化企業(yè)進校園，鼓勵新生代年輕人才投身海水淡化事業(yè)；充分使用人才落戶政策，對特別優(yōu)秀的海水淡化人才，給予充足的物質(zhì)激勵、信心及安全感。

e. 加強政府引導支持。充分發(fā)揮政府的引領帶頭作用，加大財稅政策支持力度，對表現(xiàn)良好、海水淡化成績卓越的企業(yè)定期按產(chǎn)水規(guī)模給予補貼，使其享受政策紅利，杜絕違規(guī)批準不符合規(guī)定的海水淡化項目；將電價優(yōu)惠與工程建設投資政策真正落實到海水淡化企業(yè)，適時將海水淡化管道并入城市供水管道網(wǎng)中，鼓勵居民逐步接受使用淡化海水作為日常生活水源；加強有關污染物排放管理，確保當?shù)睾Ｋa(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。