水与能源：迎接可持续发展的挑战
□  朱曾惠
  　水和能源对人类至关重要，人类生存、经济发展、社会进步和生活质量提高都离不开水和能源。产生能源需
要用水，而水的利用需要能源，水和能源两者之间存在互相关联的关系。面对可持续发展的挑战，要了解水-能
源相互关系(Water-energy nexus)才能使两者同时都能有效和可持续发展。2011年2月，美刊《化学工程进展》
（CEP）发表了一篇文章从此观点论述水和能源问题。
  　2009年世界经济论坛（WEF）年会上，全球企业和政府领导人研究并提出在未来20年内将发生水的问题，世
界将迅速走向“水的崩溃”(Water bankruptcy)——当世界人口增长，食物、能源和清净水将变得逐渐稀缺。水
的供应问题，不论是饮用水或是工业用水都受到限制，有些供应将短缺。发达国家对水需求量很大，2/3用于农
作物的灌溉。在美国西部，干旱条件下每英亩农用土地灌溉用水每年超过100万加仑，而发展中国家面临的挑战
是可供饮用的清洁水供应量有限。世界卫生组织（WHO）指出世界人口中1/6不能安全地取得饮用水，也就是说
11亿人缺少饮用水。与此同时，世界也面临很大的能源挑战，增长的人口需要更多的水，也需要更多的能源，在
收入水平和能源需求之间存在紧密的关系。根据壳牌最近的一份报告，当人均GDP达到3000美元，由于工业化
和个人活动增大而使能源需求急速上升，直到人均GDP达到10000美元能源需求增长逐渐停止；另根据CIA World
Factbook数字，2009年全世界191个国家中仅55个国家人均GDP高于10000美元。

一、水和能源：两者密不可分
　　清洁水和能源是人类重要的需求，两者密不可分。具有生产活力的健康社会都需要水和能源，更重要的是水
和能源是互为依存的，因此提出一个专用名词“水与能源的密切关系”(Water-energy nexus)。
　　1.生产能源需要水  大多数的透平机发电都要用水，直接运用如水力发电、地热发电等，间接用水如清洗、
冷却等。
　　2.要用水就需要能源  勘深开发水源、输送、处理、分配、应用和废水排放都要用能源，主要用机械能和电
能，当然有些时候是用人力和畜力。
　　但是，不幸的事是水与能源的密切关系常成为恶性循环。由于缺乏技术，管理不妥或效率低等原因相互造成
负面影响。例如发电厂发电效率不高就可能造成水消耗量增大，因此，要了解原动力和反馈效果的关系，要有效
和可持续应用水和能源，就要考虑两者相互关系的循环，规划满足未来发展的需要。为了同时对水和能源进行管
理，工程师们就要考虑最大限度用能的同时要最大限度地降低水的使用量，反之亦然，在最大程度开发水源和应
用时要尽量减少能源消耗。

二、在能源生产中，尽量减少水的用量
    能源生产中要用大量的水（见表1）：热电厂要冷却、水力发电、采矿和勘探、燃料生产以及排放物的控制都
要用大量的水。按美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）数据，由化石燃料和核能发电每天要用1900亿加
仑水，约为全国新鲜水的39%，其中72%是用于相关化石燃料能源生产，煤在美国能源生产中占52%。
    由此可见能源生产中的用水量很大，但是对水的质量要求也很高，详见表2。
　  所有热循环装置（核能、煤、天然气、太阳热能）都需要用大量的水进行冷凝，当锅炉温度升高时，需水量
则下降。因此，用煤燃烧的温度很高，效率高因而比用其他燃料时用水量小。自然湿冷塔在许多核电和大型化石
燃料发电厂都建有大型双曲线型冷却装置，通过水蒸发向大气中释放废热。在水源限制地区，由于成本和环境因
素则不采用水蒸发而取水，而用干式、空气冷却塔或靠必要的辐射冷却，但是这些方法效率低、耗能高。当经济
和环境允许时，电力公司则直接从湖泊、河流或冷却池中用水，替代冷却水，这可以减少冷却塔建设投资，但从
放出的水中带出的废热可使水源温度有所提高，因此发电厂如用自然水源进行冷却必须在设计中预防微生物进入
冷却循环，从环境考虑适应电厂水温中的微生物，当在较冷气候条件下停机则会受害。
　　热循环装置需要水进行冷却，但并不需要用新鲜水，邻近海洋的电站可用海水不需要建冷却塔，放出的水温
对环境影响很小。
　　化学工业不断创新——循环回收利用中水，美国陶氏化学利用城市废水在荷兰与当地政府合作，每天城市废
水经处理后产生260万加仑中水，由当地水厂将城市民用废水先行除去污染物，陶氏工厂则用70%此种中水生成
高压蒸汽，在工艺过程使用后，此水再通过冷却塔循环回送，直到最后蒸发入大气，这是第一个工业大规模利用
城市废水的范例，过去每年有300万t水排入北海，现在进行两次以上的循环利用，工厂的能耗比用海水脱盐要
节省65%能源，相当于每年减少CO2排放5000t。
表1  不同方法能源生产所耗用的水量  加仑/百万瓦小时
动力资源       新鲜水平均耗用量    
地热                 2900  
水力                 1430  
太阳热                 1060  
核能                400~720
煤                      390  
生物质                  390  
天然气                  140  
光伏                   30  
风力                    1  

　　　　　　　　　表2  各能源生产部门对水的质量要求
      能源部门                    对水量的要求               对水质的要求
1.能源提取和生产            
  油、气开发                钻井全过程用水                影响地下水质量
  油、气生产                生产与相应工作用大量水        产生的水影响地表水和地下水
  煤和铀的采矿                采矿操作产生大量水            开采用水排出影响地表和地下水
2.电力生产        
  热电(化石、生物质、核)    冷却和喷洗用地表和地下水    热和气体排放影响地表和地下水
  水电                        水库蒸发损失大量水            影响水温、水质和生态
  太阳光伏和风力            运行中不用水，板叶清洗用水    
3.炼制和加工        
  传统油、气炼制            油气炼制需用水                最终使用可能影响水质
  生物燃料和乙醇            植物生长和炼制要用水        炼制废水需要处理
  合成燃料和氢                合成和蒸汽转换要用水        废水要处理
4.能源输送和存贮        
  能源管道                    水力测定时需用水            废水需要处理
  煤浆管道                    煤浆输送用水不能回收        最后水质量很差，要处理
  能源作货物输送            运送河道及相关工作影响        泄漏事故影响水质
  油气存贮库                需要用大量水                淤浆废弃物影响水质和生态

三、在水的生产中，尽量降低能耗
    供应水需要能源，水的开发、提取、处理和分配都需要耗能，而且在废水的收集、处理和废弃中也需要能源。
在美国，4%的电力用作水处理和供应，城市水加工处理和分配的成本中75%是电力支出，化学工程技术的进步有
助于降低水处理的能源消耗，主要体现两个方面：①水处理，特别是含盐水的脱盐；②污染水和废水处理并再次
利用。
　　水处理的三项关键技术是反渗透（RO）、离子交换（IEX）和超过滤（UF）。RO是海水脱盐的一项基本技术，
也可用于废水处理和再次利用；IEX是在固体（离子交换树脂）和液体间的离子可逆交换，对去除污染物非常适
用，可用于多种不同领域；UF是一种压力驱动的膜分离过程，可以除去载体流体（如水）中可溶成分，超滤膜具
有孔状型式（孔径一般0.01~0.10?滋m），可高效率去除细菌、多种病毒、胶体和淤泥。其他膜分离工艺如微波
滤（MF）、纳米过滤（NF）和电去离子化（EDI）则一般不用于水处理过程。

四、RO技术的进步
  　在RO中，待处理的水在高压下通过膜，使水流过小孔，而杂质则留下。海水脱盐的反渗透成本主要来自能
源，尽管RO是最廉价的分离工艺，但仍有改进余地。
  　RO过程的总热力学效率仅约8%，最大的能源耗费是泵和管路系统（总效率为60%）和分离单元（为64%），
其他的4%的能量输入是由于泵送中发动机效率低和磨耗，以及在管道输送中压力降，这些都尚未解决。但是在分
离单元，需要能量产生高压，推动水流通过膜，现在工艺每1000加仑脱盐水要用3~14kWh能量，用量与水处理
质量要求有关，此能耗可以通过改进过滤系统，或用较薄的膜来降低。在典型的脱盐过程中，泵送入系统的水有
一半是作盐水排出，其盐含量以避免盐沉淀和膜堵塞为上限，推动废水经过系统的压力是很大的能量损失。有一
种新工艺，用加压的废料流去加压盐水进入系统，所用的28.11kW/m3能量的95%~99%可以回收，这是脱盐工艺的
一个巨大突破。
    RO膜材料不断改进，通过增加回流和减少积垢提高效率，例如一种新型膜用三层结构提高了性能。主要结构
支撑是一种无纺聚酯网，由于无规多孔它可以作盐阻碍层的良好的附载体。将一种聚酯内层铸在该网的表面上，
这是一种共孔径控制在约为150埃的工程塑料，最后一层是聚酰胺作为盐的阻碍层，其层厚仅为2000埃，因为
有支撑所以可以经要受高压，此膜可用于处理每天45000m3水，北京国际机场已用此技术建立了3套装置，可以
将废水的一半加以再次应用。其他新途径降低水处理能耗是在整个处理过程中捕集废能，用低品位或废热代替电
力用于脱盐具有降低用能的可能，而且有利环境和降低成本；其他重要技术有脱盐装置中的能量回收部件、用废
水的微型燃料电池、与废水处理装置同建的共同发电等。

五、IEX和UF
　　IEX和UF的重要应用之一是化石燃料和核能发电用于超纯水，它们可以帮助电厂有效利用水源。UF多用于
城市饮用水，成本较低，每年纯化10000亿磅水的能力，其成本仅为每吨千分之一美分。
  　IEX树脂用于处理冷却塔的水，在化石燃料电厂和核电厂以及制造工厂锅炉进水处理中进行脱去矿物质，也
可用于沉降物冲洗，这样可以再次应用锅炉冷凝水，降低成本。IEX树脂可以在铀矿开采中少用水，产生的废水
也少，可生产出用于核电的高纯度铀。
  　UF的效率与孔径和孔度相关。为了有效除去病原体病毒和细菌，孔的大小必须为0.03?滋m左右，而膜的孔
度要高，在给定的压力下保持高水平的流动。材料的选择是关键，必须具有高孔度而不易破碎，特别是在清洗中
要具有此功能。

六、形势严峻，时不我待
　　该文总结部分的标题是“我们是否为时已晚？”(Will we run out of time)主要是为了说明水和能源形势
一样严峻，亟需同时解决水和能源短缺问题。
  　现代的水处理技术和基础设施使我们可以征服疾病，建设先进的工业经济，极大程度的提高世界上许多人的
生活水准。通过科学改进了的灌溉技术可能让增长的人口有了食物，将沙漠变成可用的土地，让许多大城市缓解
了饥渴。最近以来的技术使发电用水量减少，可以为激增中的人口输送更多能源。但是，所有这些是否已为时过
晚？水和能源需求的增长是否比技术进步更快？
  　当前世界人口多的地区对水的需求要确实很高，供水的资源常显不足。例如在中国水的稀缺已经引起经济和
生活的安定问题。中国每年缺水400亿m3（正常年份），有一半城市面临不同程度缺水状况。印度的缺水问题是
巨大的挑战，近来85%水是用于农业，这是维护其60%人口的生计。任何的缺水供应都将影响农业生产，危及数
万人的食品供应，而且水危机亦将很大影响印度的工业未来发展。印度的缺水状况已经影响饮水和安全供应，如
不能解决，可能要进口新鲜水了。
　　  最近澳大利亚也发生干旱和严重的缺水，当局可能要用昂贵的海水脱盐和循环使用水。2006年用RO法解
决西部地区公共水源，现在RO膜技术已可供给15%新鲜饮用水，在美国，有几个州已认识到水和能源相互密切的
关系并立法采取相应措施。在一些发达国家，水的供需问题也经常出现，据美国分析，该国最大的城市中有10
个存在严重缺水危机，其中最为严重的是洛杉矶、休斯敦和凤凰城。假设全球经济正常增长而效率不提高，全球
水的需要量要将从当前的45000亿m3提高到2030年的70000亿m3，20年中增加了50%，有些分析家预测到2030
年可以利用的水源供应只能满足60%的需求。
  　　由上述情况可见，水和能源两者的关系无疑是互相关联、密不可分的，农业、工业制造过程都需要能源才
能运作。我们要振兴发展水和能源两个方面，作为工程师应当开发技术确保水和能源能更有效的可持续的发展。