郇松桦，刘秀丽,3

(1.中国科学院数学与系统科学研究院，北京 100190； 2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院预测科学研究中心，北京 100190)

许多国家和地区都面临着越来越严重的缺水问题，预计到2025年，世界上三分之二的人口将深受缺水困扰[1-2]。我国人均水资源量只有世界平均水平的四分之一，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。然而我国用全球7%的水资源养活了占全球21%的人口。据有关部门预测，中国缺水的高峰将在2030年出现，届时人口将达到峰值，全国实际可利用水资源量将接近合理利用水量上限，若不提前采取有效措施，因缺水对我国经济社会造成的损失将更加巨大。而地球上有超过96%的水资源属于海水，随着海水淡化技术的迅速发展，海水淡化已成为沙特阿拉伯、以色列等内陆国家淡水的重要来源，当地的IDE、SWCC等海水淡化公司颇负盛名。

海水资源利用作为新兴重要战略课题，在目前海水淡化研究中，淡化成本的研究逐渐成为研究热点[3-4]，其主要研究内容可分为海水淡化成本组成分析[5]、海水淡化成本与技术改进[6]两大类。

对于海水淡化成本组成分析，国内外多以理论计算为主，往往以特定规模为例。高玉屏[7]、王锐浩等[8]学者以日产万吨的海水淡化规模为例，根据国内技术水平与条件进行成本模拟测算，认为固定资产折旧与能源费用是造成海水淡化高成本的主要因素。Ziolkowska[9]对中国、澳大利亚、美国、以色列等国家的海水淡化成本进行研究，指出目前尤其是在缺水、经济不发达地区反渗透法(RO)的优越性。Kariman等[10]以海水淡化各系统为标准进行测算，指出阿布扎比、拉斯帕尔马斯和珀斯等城市海水淡化成本差异的主要来源为电力等能源费用。张明宇等[11]测算了淡化海水与再生水、自然水等其他水源的生产成本，指出淡化海水不能直接作为饮用水、日用水使用，或将投入更多资金使其转化为可饮用的淡水。

对于海水淡化成本与技术改进，国内探索新能源及改进工艺流程的研究较多，国外则更关注海水淡化核心技术革新及实践应用。吴洋等[12]等提出建立大型核能海水淡化中心向内陆城市输水，认为核能将有助于降低淡化成本，核能长距离输水可以解决内陆城市缺水问题。唐智新等[13]探究了多效蒸馏法(MED)海水淡化器替代汽轮机的可行性，并指出替代后将降低海水淡化成本。唐刚等[14]指出使用炼油厂余热进行MED海水淡化将大大节约海水淡化能源消耗，有益于社会、经济效益共同提升。类似地，Roberto等[15]指出使用太阳能等新能源将降低海水淡化成本。Park等[16]改进传统蒸馏方法，推荐使用成本更低的混合蒸馏，可同时进一步提升能源利用率等。

综上所述，国内外关于成本对比分析的内容较为粗略，未考虑不同规模、技术下成本差异的动态变化，尤其是价格因素对长时间跨度的成本影响。本文综述了海水淡化在国内外的发展现状，动态对比分析了1999—2017年RO、MED等在不同生产规模下的成本差异，通过实例分析了我国海水淡化成本的主要影响因素，并进行了淡化海水、自来水及再生水的成本对比分析。基于分析结果，提出了降低我国海水淡化成本的策略建议。

1 海水淡化业的全球发展现状

2018年6月，全球有超16 000个海水淡化厂在运营，它们每天生产8.75亿m3淡水并供给近3亿人[6]。特别是在沙特阿拉伯、阿拉伯联合酋长国和科威特，3个国家的海水淡化产量占据全球三分之一以上，由于当地水资源贫乏，海水淡化起步时间早，项目投入资金多，海水淡化是它们淡水的重要来源[17-18]。

我国海水淡化能力在2001—2005年间并没有较大提升，而在此后海水淡化产能规模逐年攀升。2001—2018年中国海水淡化产能规模如图1所示，其中2011年后的数据来自国家海洋局发布的《国家海水利用报告(2012—2018年)》， 其余数据来源于文献[19]。至2018年末，我国已建成142座海水淡化工程项目，日产淡化水1 201 741 m3。我国的大部分海水淡化项目分布在天津、山东和河北等一些水资源匮乏的北部沿海省市，通常为电力和钢铁等高耗水行业供水。民用淡化项目主要分布在浙江、广东等。

图1 2001—2018年中国海水淡化产能规模

海水淡化技术多元，在全球范围内用于海水淡化的3种常用技术包括MED、RO和多级闪蒸(MSF)。MED是1960年代前的主要技术，该技术已应用于更大型的海水淡化项目中[20]。MSF在全球海水淡化总项目规模中占26%[21]。RO在1950年代用于海水淡化，近年来高性能膜、能量回收装置等发展较快。参照《2018年中国海水利用报告》，我国实施RO的项目有121个，项目规模为825 641 m3/d，占项目总规模的68.7%；使用MED的项目有16个，项目规模为369 150 m3/d，占项目总规模的30.7%(图2)。

图2 2018年全国海水淡化工程技术应用情况分布

2 海水淡化生产成本对比分析

我国目前主要淡化技术可分为RO与MED，由于时间跨度大，价格指数对成本的影响不容忽视，故下文均采用可比价格(2017年为基年，使用PPI、固定资产投资价格指数进行折算)，区分海水淡化的技术、规模进行生产成本和细分成本的动态对比，并进一步对比淡化成本与常规水源、再生水的生产成本。

2.1 生产成本对比分析

本文收集了我国海水淡化的成本数据，区分不同生产技术和海水淡化生产规模，按照时间顺序，使用可比价格对海水淡化生产成本进行了对比分析，结果见表1。

表1显示，从海水淡化生产规模来看，随着海水淡化规模逐渐提升，RO及MED的生产成本呈缓慢波动下降趋势。从不同海水淡化的生产技术来看，RO的生产成本往往低于MED。MED的生产成本随规模增加而下降的幅度较小。从时间角度来看，海水淡化成本基本呈逐年波动下降的趋势，或与我国海水淡化技术的逐步提升有关。

2.2 生产成本组成的对比分析

为探究不同生产技术和规模下海水淡化生产成本的组成差异，基于表2和表3中相关文献的测算结果及其生产运营数据，并将它们转化为可比价，对比结果如表2和表3所示。

表1 区分不同生产技术和生产规模的海水淡化生产成本对比分析

表2 RO海水淡化生产成本的组成差异对比 单位：元/t

由表2可知，对典型的RO海水淡化项目，电费、固定资产折旧费等占比较大，与谭永文等[22]、王锐浩等[24]的成本测算结论一致。就具体案例来说，大连莱特莱德水处理系统有限公司与青岛百发海水淡化有限公司的化学药品费成本较低。主要原因是大连莱特莱德水处理系统有限公司的化学药品研究较成熟，逐步实现化学药品的合理化利用，如在淡化水质较好条件下使用成本较低的化学清洗剂及阻垢剂，而在较差水质下则采用专用化学清洗剂等。青岛百发海水淡化有限公司借鉴西班牙经验，向社会招标水处理药剂的实施方案，通过方案对比选优保证较低的化学药品费。

对于材料消耗费，大连莱特莱德水处理系统有限公司将材料消耗与化学药品相结合，根据不同淡化水质情况配套不同方案，且其超纯水机可以延长RO膜使用寿命。以色列阿什凯隆工厂借助技术革新与16英寸及24英寸海水淡化膜垂直排列技术，垂直排列的反渗透膜在减少占地面积、节省大量膜件的同时扩大淡化海水产水量。而浙江华能玉环电厂海水淡化材料消耗费明显偏高，其主要使用DOW、Tory、Hydranautics、科氏等多个国外厂商产品，对外依赖性高，加上自身海水淡化规模有限，或将造成较高的膜材料消耗费用。

对于电费，以色列阿什凯隆工厂已实现电力等动力能源自给，逐步增加天然气供电占比，海水淡化有单独配套的发电厂，它们充分利用峰谷电价差，同时享受政府配套25年的长期购买协议，政府将保证购买多余的淡化海水。大连莱特莱德水处理系统有限公司一方面改进淡化装置，降低系统动力能耗；另一方面借助地理优势，开发使用太阳能等能源，尽可能挖掘成本降低空间。而荣成万吨级反渗透海水淡化示范工程[22]并未采取具体电水联产措施，主要使用传统配电供电方式为海水淡化提供能源动力，其电费等动力费用较高。

对于职工工资及福利费，浙江华能玉环电厂、以色列阿什凯隆工厂以及青岛百发海水淡化有限公司海水淡化规模较大，当地政府对海水淡化事业寄予厚望，设备自动化水平较高，员工数较少，海水淡化所需人力成本较低。而荣成海水淡化工程、大连莱特莱德、闫玉莲等[23]以及王锐浩等[24]在计算工资及福利费时，一方面根据所在地物价水平划定职工工资比例，物价受实际经营情况的影响暂未考虑；另一方面万吨级海水淡化厂的自动化程度与大规模淡化厂相比仍有一定差距，其职工工资及福利费有较大下降空间。

大连莱特莱德水处理系统有限公司与浙江华能玉环电厂的检修费和固定资产折旧费相对较低，前者海水淡化流程及技术方案较为成熟，努力使用国产化设备并招聘国内维护技术人员，在降低维修费和固定资产折旧费的同时积累了国产化设备应用经验。浙江华能玉环电厂与哈尔滨建筑大学在承担的国家建设部课题中达成合作，积极进行科研成果转化并吸取先进经验，实现降低淡化成本及合作双赢。而以色列阿什凯隆工厂由于设备先进，维修难度大，所需维修技术及人员素质要求高，且以色列劳动力平均成本高于国内，或为该厂维修费高昂的原因之一。

由上述分析知，在RO中，合理利用化学药品及淡化耗材，尽可能实现大规模电水节约/联产，充分发挥规模效应，并不断革新技术，提升淡化装备国产化、自动化水平以及寻求政府、国内高校科研院所的政策技术人才支持将对海水淡化成本节约大有裨益。

由表3可知，对典型的低温多效MED海水淡化工程生产成本，李雪民[26]测算的化学药品费是最低的，采取聚磷酸盐类阻垢剂，保持水的回收率为50%，并周期性加入液氯作为杀生剂，装置每年清洗一次，根据结垢程度加药，合理控制化学药品消耗，可节约化学药品的使用。

对于蒸汽费及电费等动力费用，西班牙Las Palmas四期海水淡化厂积极提升低温高效蒸馏技术，在实现设备更新的同时尝试使用新型清洁能源(氢能、太阳能等)，虽设备折旧费用较高，但蒸汽费、检修费、动力能源费用等降低程度相对可观。大连莱特莱德水处理系统有限公司与李雪民[26]测算的动力费用也较低，它们均考虑与发电厂达成合作协议，使用发电厂第五级透平的乏蒸汽作为MED的能源来源之一，在保证造水比的同时尽可能均衡蒸汽费与电费成本。而华能威海海水淡化厂的主要能源为煤炭，主要与建筑公司开展合作以实现成本补偿，其淡化海水的蒸汽费是同等规模下西班牙海水淡化厂的2.50倍。

对于职工工资及福利费，西班牙Las Palmas四期海水淡化厂自动化程度相对较高，人工需求少。华能威海电厂海水淡化(一期)对海水淡化自动化重视程度较高，并积极引入高素质人才，讲求海水淡化员工的“少而精”，进一步缩减海水淡化成本；李雪民[26]测算以自动化MED装置为主，人员配备采用3班12人制，进而实现海水淡化单位成本的节约等。

对于检修费，西班牙Las Palmas四期海水淡化厂设备流程稳定，技术工艺成熟，定期开展设备检查，避免了突发设备事故及维修支出，进而减少了海水淡化成本费用；而李雪民[26]测算严格按照标准，其大修及检修费严格按照固定资产原值的一定比例提取，或可能造成检修费的高额支出。

对于杂费，伊朗布什尔IDE海水淡化厂响应当地能源部号召，尽可能使用当地电厂废热作为一部分海水淡化能源，大规模海水淡化项目将不再是环境污染问题的源头，海水淡化所需的杂费得以减少；李雪民[26]测算的杂费主要为管理费用，其严格控制杂费支出，主要以职工工资及福利费的20%进行划拨。

由上述分析可知，对MED海水淡化，加快海水淡化厂高度自动化、智能化建设，实现技术+新能源动力的淡化应用，并重视缩减淡化杂费将有助于减少海水淡化成本。

根据表2、表3的数据可以得出不同年度我国海水淡化成本构成的占比。对于RO，电费、固定资产折旧费等占比呈波动趋势，职工福利费等占比逐渐下降，检修费、财务费、材料消耗费、杂费占比略有上升，化学药品费占比基本稳定；对于MED，蒸汽费、电费、化学药品费、固定资产折旧费、职工福利费等占比稳中有降，财务费、杂费、检修费等占比略有上升。

由表2和表3中王锐浩等[24]的核算结果可知，对于RO，成本组成中占比较高的依次为电费(45.17%)、固定资产折旧费(20.91%)、材料消耗费(8.61%)以及化学药品费(8.14%)等；对于MED(低温多效蒸馏)，成本组成中占比较高的依次为蒸汽费(36.25%)、固定资产折旧费(20.26%)、电费(18.90%)以及检修费(8.73%)等。由此可知，动力费用、固定资产投资是海水淡化成本节约的重要突破口。

表3 MED海水淡化生产成本组成的差异对比 单位：元/t

2.3 投资建厂期的成本对比分析

由表4可知，从目前我国重点建设的10万m3/d级的海水淡化项目来看，在企业投资建厂期，工程投资及预备费在总投资中占比最高，其中MED工程投资费平均占总投资的87.12%，预备费占4.60%；RO工程投资费平均占总投资的86.85%，预备费占4.60%。从RO来看，反渗透膜国内外技术差距较大，且进口设备价格不菲，使用进口设备的各项费用都不低于使用国产设备的费用，其中，进口工程投资费用较国产高23 218万元，其他费用高1 160.9万元，预备费高1 218.34万元，建设期利息高895.73万元；从MED来看，进口工程投资费用较国产高26 517.4万元，其他费用高1 325.87万元，预备费高1 355.09万元，建设期利息高1 016.7万元，总投资差额主要源于工程投资费用、预备费等。而目前我国海水淡化技术有70%属于RO，30%为MED，企业逐渐偏向于RO等膜法海水淡化[7]，若企业想要长久合理经营，则需充分规划投资建设方案。

表4 10万m3/d级海水淡化厂投资估算

采用进口设备虽初期投资价格高昂，但相较于国产设备，带来的后续经营优势明显。一方面，进口设备使用周期长、质量好、技术先进。如利比亚在2003年率先使用2205双相不锈钢作为多级闪蒸装置壳材料，其在耐蚀性和经济性两方面均优于早期316 L不锈钢，类似地，254SMO由阿联酋首次使用，因其优异的耐蚀性和较低的成本逐渐成为RO高压泵的主流材料。而直到2020年，我国山西省太原钢铁有限公司双相不锈钢中标国内最大海水淡化厂；另一方面，自动化程度高，人均产水比高。如以色列索雷科海水淡化厂，其日产淡水62.4万m3，在满负荷运行的夜晚一般仅两名员工上班，所需人力物力可控，人均产水比极高。而我国海水淡化自动化水平参差不齐，青岛百发海水淡化有限公司日产淡水10万m3，全部员工有38名；同时进口设备知名度高，IDE、SWCC等老牌海水淡化设备深受公众信任，已形成良好外部声誉。综上来看，国产设备应主要在设备质量以及技术水平等方面赶超进口设备，努力提升自动化水平，尽快实现突破式创新，并形成良好的外部声誉。

2.4 与其他供水水源生产成本的对比分析

常规水与再生水是人们日常生活中接触频繁的2种水源。表5对比了相近生产规模下3种供水水源与淡化海水的生产成本。

表5 3种供水水源的生产成本对比 单位：元/t

表5显示，在1万～2万m3/d的产水规模下，淡化海水的单位制水成本约为自来水的1.28倍、再生水的1.20倍，主要成本差异在于能源动力费及材料消耗费等。淡化海水的材料消耗费明显低于常规水及再生水，具有成本优势。而淡化海水的能源动力电费投入高昂，是影响提高淡化海水市场竞争力的关键因素。

3 降低海水淡化成本的策略建议

a. 实现科学投资运营。在投资建厂前合理规划运营规模并明确经营目的，根据运营需求确定设备、材料购买渠道(如国产、进口、混合使用等)；经营过程中通过实际盈收情况签订供水、保底合同，尽可能与电厂、供暖公司及工业企业等达成协议，实现企业间的良性互动合作；根据市场竞争情况不断完善淡化海水的定价机制，保证自身市场竞争力，努力实现海水淡化的成本补偿，尽快收回初期投入资金；充分发挥规模效益，对接当地城市用水需求，逐步扩大海水淡化规模，保证海水淡化设备物尽所用。

b. 加快海水淡化技术创新进步。支持海水淡化基础工程技术的提高创新，减少对外的淡化技术依赖，努力丰富海水淡化相关研究(如高效率渗透膜、全自动化海水淡化线、海水淡化配合远程调水等)，积极推动创新成果转化，关注海水淡化技术的集成应用(如RO+MED综合使用)；RO海水淡化要提升渗透膜效率，增强膜抗污染性能及抗氧化性能，同时提高配套设备装置性能，延长使用年限等；MED海水淡化需不断完善工程优化技术，充分利用蒸汽“余热”，提高淡化厂运营自动化、智能化水平等。

c. 完善淡化海水成本费用结构。尽可能减少对火力、燃料动力的依赖，多使用核能、风能等新能源；推进技术设施的“国产化”“无人化”，积极响应我国 “工业4.0”等发展政策，降低人工费与设备维护费用等；合理调配海水淡化中的电水、土地资源利用(如实现电厂合建、电水联产)，以RO为主的海水淡化企业需尽可能实现电水节约与联产；以MED为主的海水淡化企业需加快技术+新能源动力(如核能、风能、氢能等)的开发利用。

d. 积极补齐人才短板。因地制宜，着力探索海水淡化人才培养机制。加快校企协同发展，针对性地筹建海水淡化校企研究中心，推进“科教融合”、海水淡化企业进校园，鼓励新生代年轻人才投身海水淡化事业；充分使用人才落户政策，对特别优秀的海水淡化人才，给予充足的物质激励、信心及安全感。

e. 加强政府引导支持。充分发挥政府的引领带头作用，加大财税政策支持力度，对表现良好、海水淡化成绩卓越的企业定期按产水规模给予补贴，使其享受政策红利，杜绝违规批准不符合规定的海水淡化项目；将电价优惠与工程建设投资政策真正落实到海水淡化企业，适时将海水淡化管道并入城市供水管道网中，鼓励居民逐步接受使用淡化海水作为日常生活水源；加强有关污染物排放管理，确保当地海水淡化产业与生态环境协调发展。