低碳转型下 海水淡化技术如何突破能耗瓶颈？
为解决珠海高新区土地资源紧张的问题，珠海市北区水质净化厂二期采用全地埋形式建设，处理能力15万 m³/d，并将上部空间打造为集办公、交通、体育、休闲等公共设施于一体的综合利用空间。污水核心处理工艺为改良AAO生化池和磁混凝高效沉淀池，出水稳定达标。污水处理厂的再生水回用于地上公共设施，供给园区工艺系统用水、杂用水、灌溉园区景观等。项目极大地释放了土地价值，对我国的污水处理厂综合性开发建设具有重要的参考意义。
扫码免费注册阅读原文引用本文：陈红芳,胡磊,邹磊，等. 低碳背景下海水淡化技术发展前景分析［J］. 给水排水，2025，51（4）：158-166. CHEN H F，HU L，ZOU L，et al. Analysis on the Development Prospect of Seawater Desalination Technology under the Background of Low Carbon［J］. Water & Wastewater Engineering，2025，51（4）：158-166.
01海水淡化应用现状
海水淡化过程本质是去除原水中盐类物质、有机物等，获得符合相关用水水质标准的水处理技术。按驱动力不同可将海水淡化技术分为压力驱动、热力驱动、电势驱动（图1）。压力驱动利用跨膜压差，驱动水分子透过膜孔，拦截水中盐类物质，包括反渗透法（RO）、纳滤法（NF）、正渗透法（FO）等；热力驱动采用热源或冷源，利用不同物质熔点、沸点差异，分离海水中的水分与盐类物质，包括多效蒸馏（MED）、多级闪蒸（MSF）等；电势驱动利用电势差驱动阴、阳离子向正、负两级移动，实现离子与水分离，包括电渗析法（ED）、电容去离子技术(CDI)等。
图1 海水淡化技术类别
1.1 国际应用现状随着气候变化及水资源短缺问题日益严峻，国际逐步开始大规模开发海水淡化技术。表1统计了国际21项较大规模（≥25万m³/d）的海水淡化工程数量及规模。
表1 国际较大规模海水淡化技术分类
统计结果显示，单独采用RO工艺的海水淡化工程数量及规模均占比超过一半，总处理规模为653.39万m³/d，单独采用MSF工艺的海水淡化工程数量及规模占比分别为28.57%、19.22%，总处理规模为243.74万 m³/d。从应用数量及规模来看，海水淡化技术应用程度表现为RO>MSF>MED。
1.2 国内应用现状2019至2022年，国内9座沿海城市海水淡化工程规模统计如图2所示。统计的4年中，各沿海城市工程规模呈现稳步增长趋势，合计新建规模为78.33万 m³/d。
图2 2019至2022年我国沿海城市海水淡化工程规模统计
对国内2022年海水淡化工程进行工艺划分，如表2所示。
表2 国内海水淡化技术分类
国内采用RO技术工程数量及规模最多，占比分别为87.50%、64.91%，总处理规模为153万 m³/d，最大工程规模为30万m³/d。采用MED技术的工程有17个，总处理规模为82.05万 m³/d，最大工程规模为20万 m³/d。按应用数量及规模综合来看，国内海水淡化技术应用程度表现为RO >MED>MSF>FO。采用MSF、FO技术的工程数量及规模均较少。
张杉雪等通过归一化对RO、MED技术进行10个环境影响评价指标分析，结果显示MED所有归一化值均高于RO技术。这是因为MED平均电耗约是RO的2倍，且MED技术额外使用热耗。总体而言RO比MED技术更加环境友好和节能，因此RO技术目前是我国海水淡化的重点工艺。
02问题与挑战
海水淡化出水可以作为市政用水和工业用水的重要补充，缓解淡水资源紧张问题，但海水淡化技术工程化应用仍然存在较多亟待解决的难题，包括运行过程能耗高、设备运行维护成本高、浓盐水处理难度大等。
2.1 能源消耗无论采用何种驱动方式，海水淡化无法摆脱对燃料、电力的依赖，处理过程消耗大量能源，导致海水淡化过程碳排放量增加，违背双碳发展理念。几种海水淡化技术中，RO、ED、MVC、FM仅消耗电能，其余技术需要同时供应电能和热能（见表3）。RO与FM技术总耗能最低，MSF、ED技术综合总能耗较高。
表3 几种海水淡化技术能耗分析
RO技术淡化过程不发生相变，流程简单，能耗设备较少，因此能耗相对较低。由于处理规模和预处理的不同，RO技术处理能耗存在一定差异，总能耗范围在1~5 kW·h/m³。浙石化RO海水淡化工程处理规模10万m³/d，包括预处理、海水反渗透、淡水反渗透等，系统吨水电耗为2.894~2.897 kW·h/m³；曹伟新通过数学模型分析一级RO系统能耗为1.00~1.65 kW·h/m³，随着系统回收率升高，吨水能耗升高；闫玉莲等统计RO技术平均电耗为3.0~5.0 kW·h/m³。
FM技术通过冻结海水，水形成冰晶，高浓度盐水沿水体孔隙流出，最后提纯冰晶获得淡水。由于水汽化热值约是冰融化热值的7倍，因此冷冻法相对热驱动能耗较低，采用电力压缩机时，系统电耗为4.4 kW·h/m³ 。
ED技术利用电势驱动阴、阳离子向相反方向移动，从而达到去除盐分的目的，因此其能耗直接与海水盐浓度相关，总能耗为7~20 kW·h/m³。
MED技术多个蒸发器串联，可高效利用蒸汽压力和热量，达到连续蒸发但耗能较小的效果。MED效数越多，造水比越高，但效数增多传热效率下降，综合电耗会提高。出于对产水量和能耗的平衡考虑，系统效数一般不会太高，吨水电耗为0.9~1.8 kW·h/m³，包括热能消耗的综合总能耗为5.7~7.8 kW·h/m³。
MSF技术由多个闪蒸室串联，海水进入闪蒸室迅速汽化，因此热能消耗较大；各闪蒸室间需要利用循环泵使大量海水参与循环，以提高对热能利用效率。MSF技术运行过程同时消耗电力和热力，综合总能耗为12.7~15.0 kW·h/m³。
VC技术通过外力压缩蒸汽产生驱动力，实现盐水分离，原水利用率可达16%~40%。根据外力不同分为机械蒸汽压缩（MVC）、热蒸汽压缩（TVC）等。MVC对预处理要求低，操作温度一般低于70℃，总能耗为6.2~10 kW·h/m³，TVC同时消耗热力和电力，综合总能耗为5.6 kW·h/m³。
2.2 制水成本目前，沿海城市淡化海水定价高于水价，在市政用水市场缺乏竞争力。工业采用淡化海水受限于工厂位置及工艺，输送距离越远，淡化海水应用成本越高。海水淡化规模进一步扩大面临的成本问题不容忽视，对不同海水淡化技术制水成本进行分析，可针对提出成本优化措施。制水成本包括能耗费（含电力费、热力费）、药剂费、材料费、人工费、检修管理费、折旧及利息等。表4对不同处理规模的几种技术进行成本对比。
表4 几种海水淡化技术成本组成对比
RO技术制水成本在4.03~6.79元/m³，根据设备、规模及处理流程不同有所差异。戴诚怿等对浙石化RO海水淡化工程技术进行成本分析，该项目运行成本（未含折旧与利息）为3.10元/m³，电力费、膜材料费、药剂费占比分别为60.78%、20.12%、9.46%；山东省某海水淡化工程采用RO技术，处理出水规模10万 m³/d，制水成本为4.34元/m³ ，电力费、膜材料费、药剂费各占比44.85%、7.15%、9.21%。闫玉莲等对海水淡化技术进行成本分析，RO技术的工程建设投资在6 000~8 000元/m³，制水成本4.03~6.79元/m³，电力费、药剂费、膜材料费各占45%、10%、9%。
RO技术中电力费约占制水成本的一半，因此其制水成本直接与电价相关，受制于设备能效；膜元件是RO技术中易耗品，更换周期为2~3年，滤芯更换周期3~4个月，废弃膜量较大，对其回收利用可降低膜使用成本。
MED技术在我国海水淡化市场规模约占三分之一，建设投资在7 000~10 000元/m³，制水成本4.92~7.43元/m³，其中热力费、电力费、药剂费各约占35%~50%、5%~15%、1%~7%，采用低品质热源可进一步降低热耗成本。大连市某MED海水淡化工程处理规模为1万m³/d，制水成本为5.32元/m³，热力费、电力费、材料费各占比51.9%、5.1%、1.3%。张忠梅对某规模2.5万 m³/d的MED海水淡化工程进行总结，该工程制水成本为5.39元/m³，热力费、电力费、药剂费占比分别为49.2%、6.3%、5.2%。MED技术热耗费用占比最大，制水成本主要与热源类型、热源单价、造水比等因素相关，造水比提高，产品水相对总蒸汽输入的比例越高，制水成本降低。
其他技术在我国工程化应用较少，多处于中试研究或小规模应用阶段。MSF技术出水品质较好、单机容量大，但其操作温度较高，对设备防腐要求高，因此投资成本和运行成本高。ED技术仅对带电离子去除效果显著，原水中有机物、微生物及其他不带电污染物需要增设其他工艺去除，因此总成本较高，工程上多将ED与其他技术耦合。FM技术脱盐效率与原水含盐量、搅拌速率、原水与冷却水温差等因素相关，脱盐率最高可达95%，脱盐率越高，可降低后续处理负荷，缩短处理流程，从而降低处理成本。
我国沿海缺水城市采用远程调淡水成本约为6.5~7.9元/m³，包括管道维护及漏损的总成本或可超过10元/m³。淡化海水后送达市政用户总成本7~8元/m³。因此，对海水淡化技术成本进行控制，可有效扩大淡化海水在用水市场份额，提高市政供水的竞争力。
2.3 浓盐水处理海水淡化获得淡水资源的同时，会产生大量浓盐水，浓盐水的组成及特征与处理海水水质、技术类型及参数、投加药剂种类等相关，主要表现为含盐量高、有机组分含量高、密度大、重金属超标等特征。以RO技术为例，浓盐水中钾、钠、镁、钙离子是原海水的2倍左右。表5对比了国内两项RO海水淡化工程的原海水及浓盐水成分。
表5 海水及浓盐水成分对比
目前针对浓盐水的处置包括直接排海、深井注射、蒸发塘、排入地表水或污水处理厂等方式。其优缺点如表6所示。
表6 海水淡化浓盐水的处理方式
直接排海无需增加处理工艺，处理成本极低，是目前采用最多的浓盐水处置方式，但浓盐水直接排放可能影响排放区动植物耐受及数量构成，处理过程投加的阻垢剂、还原剂等化学物质会导致海洋环境富营养化，污染海洋水体；采用其他处置方式成本高，同样存在污染水体的风险。
03海水淡化低碳技术发展现状及趋势
3.1 低能耗技术在海水淡化各技术中，能耗成本约占制水成本的一半，海水淡化低碳运行首要工作是降低能耗。张杉雪归一化结果表明，为尽量减少制水成本及对环境的影响，应优化能源供给，开发低能耗海水淡化技术、使用清洁能源。
目前，海水淡化技术仍然以RO、MED为主，随着低碳工艺的不断发展，冷冻法（FM）、膜蒸馏（MD）、正渗透（FO）等技术逐渐在海水淡化领域得到应用。FM技术在夏、冬季可额外提供冷量和热量，作为经济效益的补充，运行利润率高达146%～152%。MD结合了膜技术和蒸发工艺优势，具有运行压力低、设备简单等特点，可利用低品位热源，降低运行成本。倪伟铭对MD技术进行组件优化和系统集成，该系统利用工业余热比蒸汽供热吨水成本下降86.7%。这些低碳技术均表现出成本和能耗优势，在未来发展中，可将其与现有工艺结合，发挥各工艺优势，实现低碳环保运行。
海水淡化技术采用太阳能、风能、核能、海洋能等作为能源补充，可有效减少对传统能源的依赖，增加系统碳汇量，从而减少全流程总碳排放强度。太阳能直接蒸馏海水淡化可以最大程度利用能量，节省MED技术能耗成本，具有较好的经济效益；太阳能光伏板储电可完全满足供应海水淡化技术电力需求；海水淡化与火电厂烟气余热、风能、太阳能联合，可同步实现产水和产电目的，提高系统的经济效益。沿海城市拥有丰富的海洋能源，利用海洋能源具有能效高且成本低的特点，例如，RO技术利用潮汐能相较电驱动可节约20.71%电耗成本。核反应堆产生的电能和热能可满足各种形式海水淡化技术的能耗需求，海水淡化系统也可为核电站提供所需淡水，实现资源互补。
3.2 多技术组合利用不同海水淡化技术的特点，采用多种技术组合，达到优化系统运行、节省能耗及成本投入、实现资源回收等目的，从而减少运行过程碳排放，实现低碳运行。采用反渗透（RO）、正渗透（FO）、微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）等膜工艺集成方式，优化系统运行。常规RO技术膜污染严重，UF+RO耦合技术利用UF膜进行预处理，可有效缓解膜污染程度。UF+RO耦合技术成本构成中，电力费、药剂费、膜材料费分别为1.95、0.40、0.31元/m³，同规模的RO技术电力费、药剂费、膜材料费分别为1.88、0.29、0.62元/m³，可见UF+RO技术耦合可延长膜使用寿命，减少膜更换频率，从而减少膜摊销成本。FO+RO集成，FO作为RO的预处理，系统水回收率可达到99%。
采用不同驱动方式的工艺组合，可节省系统总能耗，实现资源回收，降低制水成本。MSF+RO热膜耦合技术中，MSF系统部分排水作为RO进料水，可回收余热，提高RO工艺膜通量，该耦合系统制水成本为4.68元/m³，不同耦合形式的MSF-RO热膜工艺可降低17%~24%制水成本。CDI+ED+RO耦合技术在满足产水要求前提下，可在单独采用RO工艺基础上降低39%的能耗；ED+RO耦合技术利用ED技术回收的酸、碱，对RO膜组件进行清洗，延长膜使用寿命，减少清洗药剂的投入，降低运行成本。RO+MED耦合技术相对独立运行的RO和MED技术可节省9.2%的电耗。NF+ED耦合技术可回收高纯度镁盐，NF工艺减少了ED工艺回收MgSO4中的杂质，同时减少后续ED工艺电耗投入，实现了制水成本和资源回收成本同步降低。
3.3 装备、材料改进与研发目前针对海水淡化技术有较多装备、材料的研制与开发，不同驱动方式核心元件不同，优化的角度有所区别。压力驱动核心部件为膜元件、能量回收装置，热力驱动核心部件为传热器。
3.3.1 压力驱动海水淡化技术优化（1）膜元件。膜元件优化包括膜材料更替优化和膜材料改性优化。
MF、UF、NF多采用有机膜材料，在稳定性及抗污染性上均有不足，陶瓷膜具有丰富孔隙结构，比表面积大，稳定性高，采用陶瓷膜代替有机膜，可提高膜材料使用寿命，延长膜组件更换周期，从而减低膜材料使用量，目前陶瓷膜已作为海水淡化预处理装置投入使用；目前主流RO膜材料为聚酰胺膜，由于淡水需求日渐增大，对膜性能要求不断提高，新型聚酯反渗透膜在耐氯性及离子脱除效率上均显著优于聚酰胺膜膜，可节省海水淡化预处理后的脱氯工艺，同时提高膜使用寿命。
膜材料改性优化主要是在膜表面添加有机抗污染涂层，实现保持渗透率的同时，达到有效防结垢的目的。对膜进行改性，也可提高其抗污染能力，包括纳米金属银涂层改性、高聚合有机物改性等方式，例如，RO膜片经海因衍生物改性后，膜通量提高了9.5%，改性材料保护分离层聚酰胺，具有可再生的耐氯抗菌性。
（2）能量回收装置。RO技术中加压装置电力费占运行成本40%左右，对浓盐水压力进行能量回收循环。应用较多的两种能量回收装置包括“水力透平能量回收（Turbo）”和“正位移式功交换式能量回收（PX）”，均接在高压泵后端。不采用能量回收装置的加压系统比能耗约3.67 kW·h/m³，采用TURBO比能耗约2.57 kW·h/m³，采用PX比能耗约2.26 kW·h/m³，由此可见，能量回收装置可降低加压系统能耗，且PX运行能耗和成本更低，但Turbo无须再接增压泵，投资成本较低，工程应用时可根据处理规模进行经济比较。目前，已有相关研究对能量回收装置进一步改进，高压泵与Turbo耦合形成能量回收一体机，加压系统比能耗可达1.51~1.88 kW·h/m³，进一步降低能耗，但一体机运行过程转子的平衡稳定性有待加强。
3.3.2 热力驱动海水淡化技术优化(1) 传热材料。
传热材料优化包括结构优化和材质优化。对换热管结构进行改造，采用薄壁传热管、异形传热管，可有效提高传热性能。超薄壁钛焊管总传热系数高，表面不易结垢，其表面氧化膜具有强烈钝化倾向，耐腐蚀性优于铜合金和不锈钢；将波纹管取代光滑直筒管，以获得更小的传热阻性，从而提高传热性能。
传统传热材料以铜合金、铝合金为主，这些合金容易形成内部裂纹，影响管材强度，合金表面一旦出现缺陷，容易导致化学腐蚀，影响使用寿命。目前多采用其他耐腐蚀金属材料或非金属材料进行优化。钛材强度大，年腐蚀率小于0.0003mm，污堵系数小，金属表面不易结垢，作为传热材料可大大较少热阻。氟塑料传热材料具有耐高温、耐腐蚀的优点，可在250℃以下长期使用，同时具有优异的防污垢性能，采用塑料传热材料，前期投资及运行维护费用均大幅度降低，从而降低海水淡化成本。
利用太阳能的加热装置，需要提高其对太阳能的光吸收。对光热材料进行碳基、半导体、共轭聚合物、等离子体金属等方式改性，可提高能量转化率达80%~99%。
（2）管道、装置材料。海水含盐量高，海水加热后会加剧设备、管道电化学腐蚀，影响海水淡化的产水量和水质，因此提高处理设施防腐性能是非常必要的。防腐性能提升主要通过添加镀层或合成新型合金材料来实现。与铝合金管道、普通不锈钢材质相比，双相不锈钢、钛合金、镍基合金腐蚀管垢极少，其防腐性能均相对有所提升，但其成本随之提升，实际工程应用时应结合具体海水水质、工艺类型进行综合经济分析，选择可行、经济的结构与材料。
3.4 采用智能调控技术对海水淡化工程前期规划、设计施工、运行监测及管理维护等过程进行科学分析和调控监管，可实现设备自动、高效运行，节约能耗及成本投入。
李雁飞等利用PLC对RO技术从设备选型、程序开发等各方面进行自动化控制研究，大大提高了系统效率，降低处理能耗。李虎利用物联网远程终端-光储微电系统对海水淡化技术进行科学调控和监管，提高了系统稳定性和运行维护成本，该系统在马尔代夫已实现200 m³/d工程应用。徐健玮建立Aspen Plus+NLP数学模型，分析结构、规模及运行参数对MD海水淡化系统经济效益的影响，计算最佳运行工况。刘世佳基于LADRC温控器进行仿真模拟，并采用远程监控系统实时监测设备运行状态，节省了人力与物力成本。
未来还可在药剂配比、集成运行方面进行变量分析，进一步提高系统能效，降低制水成本。
04展 望
海水淡化技术在保障处理出水稳定性及运行有效性外，还应考虑技术经济性和环保性。在水资源日益短缺背景下，海水淡化技术的优化与开发将越来越重要，从低碳角度考虑，海水淡化技术应着重在降低运行能耗、减少材料消耗、提高系统效能等方面优化，以减少运行过程碳排放，未来研究的重点可以在以下几个方面展开：
（1）开发新设备。随着低能耗海水淡化技术的发展，FM、MD、FO等技术在浓盐水、海水淡化领域得到应用，目前多作为预处理或浓盐水处理工艺，达到减少主体工艺处理负荷或降低后续处理难度的效果，从而减少全系统运行能耗;新能源技术应用在海水淡化工程中，可增加全系统碳汇量，实现低碳运行，目前新能源技术应用存在不可避免的能量损耗，在后续研究工作中，可考虑根据不同新能源技术特点，开发一体化设备，提高系统运行能效，进一步增加碳汇量，减少全系统碳排放。
（2）应用新材料。新材料研究成果较多，采用高性能膜组件、传热材料、管道、设备，可以提高处理能效，延长材料、设备使用寿命，在降低运行成本的同时，减少系统碳排放量。目前相关成果多处于实验室或中试规模的试验研究阶段，因此，在未来工程实践中，在保证稳定处理效果前提下，可考虑新材料的使用，实现海水淡化系统低成本、高效能运行。
（3）耦合多技术。目前工程应用中已实现不同海水淡化技术组合，利用多种技术特点，达到优化系统运行、节省能耗及成本投入、实现资源回收等目的，但同步实现能耗节省与资源回收应用较少。因此，可在后续工作中加大这一方向的研究和工程应用，例如考虑ED、CDI电势驱动技术与RO、MED等热膜工艺组合，集成太阳能、风能等清洁能源，在实现低能耗运行同时，回收海水中可利用的资源，增加系统碳汇量。
（4）调控智慧化。目前智能调控主要起到仿真、监测、预警和数据分析的作用，具有一定的经济效益和实用价值，但是针对具体故障的诊断、多系统交互仍缺乏深入研究和工程应用，后续工作中需要加强对调控措施的工程实践，为海水淡化工程调控智能化、智慧化提供稳定、精准的控制策略，进一步优化药剂投加、提高系统运行效能，从而实现低碳运行。
