水与火的和谐  陶氏寻找水与能源的平衡之道
　　能量的来源被称为能源，而人类对能源的最初概念来自于“火”，古代燧人氏的钻木取火标志着人类社会步
入了一个新的文明史——“摩擦生火第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人同动物界分开”（恩格斯）。
　　中国传统文化认为万物于相生相克中此长彼消，而水与火似乎关系尤为复杂——水生木，木生火，水克火……
从钻木取火到原子能的利用，漫长历史上人类一直在为开发利用能源而不懈努力。而能源与水的关系，却一直密
不可分，而如此密切、如此自然的关联，却一直以来为人所忽视。
   
　　而不久前美国民间智库机构公民社会研究所（Civil Society Institute）状告美国能源部的事件终于使得
人们的目光聚焦其上，透过纷繁的表观现象，重新审视水资源和能源，这21世纪人类可持续发展面临的两大难
题之间的互动关系。
　　事起2005年，美国桑迪亚国家能源实验室应美国国会要求做了一份关于能源生产和水资源供应之间关系的
报告。2006年，美国能源部公布了该报告的第一部分，而报告的第二部分至今没有对外公布。公民社会研究所曾
要求美国能源部公布这部分报告，但没有得到回应。于是，公民社会研究所以剥夺民众和决策者知情权为由状告
了美国能源部。而他们最大的担忧是“美国能源部拒绝公布的原因很可能是因为报告中揭示了美国能源政策和水
资源短缺之间的矛盾。”
　　难道“水与火”真的无法共存么？在回答这个问题之前，我们需要先梳理下水资源和能源之间的关系。

水与火的相生相成
    用“我中有你，你中有我”来形容水资源和能源的关系最恰当不过。
    能源生产需要用水。几乎所有能源生产过程中都会消耗淡水资源，例如热力发电（包括核电和煤电）在冷却
阶段会蒸发掉大量的水；水电站大坝需要调节水流的时间以及水量；石油界有水驱采油法；页岩气要用水力压裂
法开采；在煤炭开采过程中，大量的地下水会顺着煤层在井下流掉；在新能源中，风能核太阳能光伏虽然几乎不
消耗水资源，但是，太阳能热电厂、生物质燃料和地热能的开发和利用过程中都离不开水。
　　有统计显示，火力发电和核能发电每天需要用水1900亿加仑，占美国淡水总消耗量的39%。而在中国火力发
电为主的量占总蓄水量的32%。火电是中国最大的工业水用户。
　　反而观之，水资源的利用也离不开能源。日常生活用水需要能源来输送；水的生产和处理过程中，取水、输
水、净水、配水到污水净化，每一步都需要能源；而很多用以应对水资源短缺的措施，例如抽水、远距离调水、
海水淡化等技术的实施更是需要消耗大量的能源。
　　而这似乎形成了一个闭合的怪圈，水资源和能源环节采取的任何活动都会产生作用力与反作用力：水资源短
缺→采取应对措施，如海水淡化、远距离调水→消耗更多能源→生产更多能源→加剧淡水资源的耗竭。
　　而以往对于水资源与能源互动关系的忽略使得国家的宏观能源政策中往往没有考虑对淡水资源的影响，而有
关淡水资源的政策中也没有考虑到对能源消耗以及温室气体排放的影响。信息的不对称甚至缺失可能会导致不可
持续的后果，比如说，局部地区的能源投资可能会加速当地淡水资源的衰竭。


水与火的相克相逆
    正因为水资源和能源这种相辅相成的关系，一个领域的技术短缺、管理不当或者效率地下，自然就会影响另
一个领域的可持续发展。
　　在欧洲，人们越来越感受到水和能源的冲突，最鲜明的例子就是火电厂冷却水的缺乏。火电站和核电站冷却
过程中用水量很大，其中大部分水被回收了。冷却水以蒸发的形式被消耗掉，通常蒸发率在3%。夏季温度高，很
多河流的流量减少、水温升高。此时，可用作冷却的水就会减少，迫使一些热电站减少发电量。
　　页岩气开采的用水问题也成了行业瓶颈。虽然，页岩气开采所需水量随着地质机构、技术手段和管理规制等
因素的变化而呈现出很大差异。但是，美国一些地方的缺水已经限制了页岩气开采水力压裂法的使用范围。对水
资源的担心将页岩气推到了聚光灯下。前不久，一些能源公司公布希望在未来5年内将德克萨斯州页岩气产量提
高50%，现在，因为水资源短缺，它们不得不缩减这个目标。干旱和水资源的减少，会给德克萨斯州的石油和天
然气开采带来日益严重的影响。
　　缺水也会影响到一些可再生能源技术的应用，并且这种负面作用已经开始呈现。在美国，生物燃料的生产被
指为最费水的能源生产方式。在美国的生物燃料多指玉米乙醇，玉米生长过程中需要灌溉，虽然玉米生长中的用
水量反映了灌溉方法、土壤结构和气候的变化。玉米乙醇在生产过程中需要进行研磨、液化、发酵、水分离和干
燥等程序，是高耗水的工业。而中国情况更为严重，与美国相比中国生产1t燃料乙醇的水耗要高出5倍，因此
水耗居高不下已经成为中国燃料乙醇业发展的软肋。
　　即便是水电也在利用水的同时消耗水。水电站的水消耗多因蒸发引起。水被储存在水电站库区中，蒸发量会
增加。水电站和能源还在另一个层面相关联。大量泥沙沉积在大坝谷底，而不能被冲击到下游沉积为肥料。下游
农业对化肥的需求量就会增加，而化肥生产恰恰离不开能源。
　　太阳能热电厂也需要水。太阳能热利用发电厂所用水是核电厂冷却水用水的5倍。

　　这一方，是能源的为“水”所困，而另一方，能源成本居高不下则成为水处理行业最大的发展瓶颈。
　　中东是海水淡化的先行者，一方面因为中东地区被沙漠覆盖、全年降水稀少，另一方面则是因为海水淡化具
有高耗能的特征，而中东石油资源丰富，能源充足，毫不吝啬地以油换水，大规模发展海水淡化技术。迪拜政府
用淡化后的海水灌溉棕榈树，每年养护成本合计高达上百亿美元，可谓用遍地黄金来换取绿色风光。
　　但对于中国而言，海水淡化的能源成本依旧是妨碍其大规模推广的最大因素。海水淡化能源成本占到了1/3。
目前该方法每生产1000加仑淡化水，需要耗用8~20kWh的电力。随着夏季的到来，电荒压力逐渐升级、电力成
本也逐渐攀升，我国较大规模的海水淡化厂普遍开工不足，运营困难。
　　污水处理也被认为是能源密集型的综合技术。能耗大、运行费用高一定程度上阻碍了我国城市污水处理厂的
建设，建成的一些处理厂也因能耗原因处于停产和半停产状态。在今后相当长的一段时期内，能耗问题将成为城
市污水处理的瓶颈……


水与火的平衡共赢
    那么如何解决或者缓解水资源与能源间的这些矛盾与冲突，打破恶性循环的怪圈呢？
    陶氏化学在这方面做出了有力的回应。陶氏以当前全球四大发展趋势——健康与营养、能源、基础设施与交
通以及消费品作为创新与业务布局的着眼点。也正因为基于这四大趋势的通盘考虑，陶氏化学的水处理业务，充
分考虑到了能源与水资源之间的互动关系，并为之寻找到了有效的解决方案。

　　应对能源“水荒”，陶氏应对良策——好钢用在刀刃上，真正做到有效用水。
　　例如热循环电厂需要冷却水，但不一定非要淡水。设在海边的发电厂可以考虑使用海水，这样也就不必使用
冷却塔。在中国，陶氏就以其独到的技术帮助大唐王滩电厂实现了这样的设想。
　　该电厂位于水资源短缺的华北，浑浊的渤海海水是解决用水难题的唯一途径。采用了DOWTM Ultrafiltration
超滤膜的大唐王滩电厂反渗透海水淡化系统是中国第一个投运的“双膜法(超滤+反渗透)”海水淡化项目，陶氏
技术让海水成为支持电厂运行的可持续水资源，有效地节约了淡水资源，创造了经济、环保、绿色、节能的运营
模式。目前该厂的海水日处理能力为7200m3以上，足以满足生产需求。
　　回用的废水也被用于冷却塔。威斯康州的 Calpine Riverside 电厂、 Calpine Fox 电厂、明尼苏达州的
Calpine Mankato 电厂以及英国的 Peterborough 电厂都属于这一类型。化学工业也在继续寻找创新方法来回收
和回用灰水。
　　陶氏在荷兰Terneuzen生产基地启动的可重复利用市政污水的全新系统令人眼前一亮。通过与当地政府和当
地水厂合作，该系统每天能够处理 260 多万加仑的市政污水。本地水厂负责去除水中的污染物，陶氏随后将 70%
以上经处理的水用于生成高压蒸汽，该水蒸发之前，先用于冷却塔。而这之前每年的大约有300万t水在一次性
使用后被排放。

　　应对水处理高能耗成本，陶氏良方——改善工艺设计，对症下药。
　　化工工程的进步，有效地减低了水处理的能耗，其中最主要的是，海水淡化工艺的发展和废水处理及回用工
艺的发展。
　　鉴于能耗对反渗透海水淡化成本的重大影响（通常占整个制水成本的20%～30%)，膜技术的新发展将重点集
中在能源的回收、再利用以及尽量降低分离设备所消耗的机械能、
　　陶氏将目光首先投向开发高产水量膜元件，以实现规模效应降低成本的举措上。陶氏的FILMTEC反渗透膜，
水处理量在原先的基础上增加了整整3倍，且能源需求也较以往有所下降，降低了多达20%的海水淡化生产成本。

　　而其在世界最大海水淡化工厂——以色列Ashkelon 反渗透海水淡化厂的应用也充分验证了这一解决方案的
有效性。
　　Ashkelon海水淡化厂位于以色列南部地区，使用地中海作为水源，每年为南部城市提供1×108m3的饮用水，
相当于以色列生活用水总量的15％。先进的反渗透技术以及规模化效益使得该厂的产水成本降低到 60~70 美分
/m3，而常规的海水淡化厂为80 ~90 美分/m3。
　　另外，陶氏降低海水淡化成本的解决方案还包括在淡化厂中安装能源回收设备、以及采用较低位热源或余热
来取代部分电力的创新型脱盐技术等。
　　在美国市政水处理和供应成本中，电费占75%。而陶氏的双膜技术——DOWTM Ultrafiltration超滤组件和
DOWTM FILMTECTM 苦咸水反渗透膜元件组成的双膜解决方案，能够有效过滤污水中的污染物，大大提升污水回用
的比例。
　　北京的高井电厂就采用了这种双膜技术对来自冷却塔的排污水进行回收利用，以用作锅炉给水。过去40 年
来，高井电厂一直采用地表水作为冷却塔的补给水，为了符合近年来中国政府不断提高的环境法规要求，2007 年
该厂转为使用来污水处理厂的二级废水。但由于废水的浓度和污染物随季节变化明显，冷却塔补给水水质无法保
持稳定。为此，他们采用了陶氏化学水处理及过程解决方案业务部的双膜解决方案，该一体化技术能有效去除冷
却塔排污水中常见的二氧化硅、硫酸盐等以及高硬度、高碱性等污染物，保证了稳定的水质，从而帮助电厂实现
70% 以上的冷却塔排污水再利用率，即便在运营5年后亦如此。

　　平衡是中国传统文化的核心，天人合一，阴阳协调、刚柔相济、和谐适度都秉承着这一“生态理念”。千百
年来，在水与火的相生相克中，人类繁衍生息，社会发展前行，而如今水危机和能源危机的背景下，水与能源之
间是否还能维持这种微妙的平衡关系着全人类、乃至整个地球的命运。
　　 一些领先的化工公司正依靠自身强大的技术平台，希望通过“科技制衡”来实现“水与火”的和谐共舞，
解决人类共同面临的重大挑战，在2011国际化学年这一特殊年份中，他们的努力与实践显得尤为意义深长。