中国水危机和化学工业的节水减排
□ 过程系统工程专业委员会副主任 杨友麒
我们所在的蓝色地球似乎充满着水，但是绝大部分是人类难以使用的海水，只有2.5%是淡水。而其中又有68.7%是冰川，30.1%是地下水，只有0.4%是地表水和大气水。这样看来，便于人类利用的新鲜淡水并不丰富。21世纪以来，随着人口增长、工业化和城市化加速，耗水量急剧增加，水资源短缺已成为全球人类生存、经济发展面临的主要挑战之一。
全球性水资源紧缺 中国水危机愈演愈烈
在20世纪，全世界人口增加近三倍，淡水消耗量增加了6倍，其中工业用水增加了26倍，但水资源并未增加。20世纪末人均占有水量仅为世纪初的1/18。地球上的可饮用水正在面临枯竭。除资源性缺水之外，结构性和水质性缺水又进一步加剧了问题的严重性。从世界范围看，由于工业发展迅速，全世界每年排放工业废水4260亿立方米，排放的污水使可供人类使用水量1/3 的淡水资源受到污染，约20%的人口（12亿人）缺乏安全饮用水，26亿人口缺乏充分的卫生设施条件保障干净的生活用水。
水危机在中国尤为严重，表现在以下几个方面：
一、水资源短缺，时空分布不均更加重了危机
我国人口占世界总人口的22%，而水资源只占世界的8%，我国人均水资源占有量2300立方米，仅相当于世界人均水资源占有量的 1/4，位列世界第121位，是联合国认定的“水资源紧缺国家”。不仅如此，水资源在全国范围的分布严重不均，从东南向西北递减，而且年与年、月与月之间差别很大。占全国面积1/3的长江以南地区拥有全国4/5的水量，而面积广大的北方地区只拥有不足1/5的水量，黄淮海及内陆河流域有11个省、区、市的人均水资源拥有量低于联合国可持续发展委员会研究确定的1750立方米用水紧张线。到20世纪末，全国669个城市中，已有400多个城市缺水，其中比较严重的缺水城市达110个。农村8000万人和6000万只家禽饮水困难，40%的耕地是无灌溉地，0.93亿平方公里草场缺水。
二、环境污染造成进一步水质性缺水
我国水体污染日益严重，全国每年排放污水高达600亿吨(其中工业废水约占66%，生活污水占34% )。除70%的工业废水和不到10%的生活污水经处理排放外，其余污水未经处理直接排入江河湖海，致使水质严重恶化。全国700余条大、中河流40%受到污染，86%的城市河流受到了不同程度的污染，78%的城市河道不宜作饮用水源，50%的城市地下水已受到污染，80%湖泊遭到富营养化。
三、用水效率低，浪费严重也加深了危机
在我国，大部分地区的农业采用大水漫灌的方式，水的有效利用率仅为40%~50%。工业用水重复利用率只有30%左右，损耗量高出发达国家2倍。工业发达国家，像美国、日本等国，由于产业转型，也由于污水回用率大幅度提高，从上世纪80年代起，虽然用水量上升，但新鲜水取水量呈缓慢下降趋势。但我国上世纪末，每年取水总量仍然呈每年1.3%增长率上升，估计本世纪初仍会以1%左右的增长率上涨。
联合国用每立方米水创造的工业增加值为指标衡量用水效率，中国与世界部分高收入国家在用水效率指标方面的比较见表1。可以看出，我国单位GDP用水量指标是高收国家的2～4倍，每立方米水创造的工业增加值也远低于高收入国家的水平。
四、水生态系统危机
有人指出：我国的水生态系统已遭到严重破坏，一些区域和流域的水生态系统已迈向不可逆的危机，水生态系统危机是最严重、最根本的水危机。水生态系统危机指的是：水功能丧失，有水不能饮、不能泳、不能灌溉、不能养殖等等；水生态环境容量不能承载现有人类的经济社会活动，水生态系统已不能自我修复；进而造成一系列严重的生态、经济、社会后果。2007年中国科学院可持续发展战略研究报告在描述水生态问题时这样表述：“水生态问题则随着水资源的过度开发，水污染加剧和水利设施管理不善而日益凸现，江河断流、湖泊萎缩、湿地减少、地面沉降、海水入侵、水生物种受到威胁，淡水生态系统功能还将持续‘局部改善、整体退化’的局面”。我国生态环境恶化的趋势整体上还未得到遏制，破坏的范围还在扩大，程度还在加剧，危害还在加重。
表1 中国与部分国家实际用水指标的比较 立方米/万美元
国家 单位GDP用水量 每立方米水创造的工业增加值
中国 720.8 16.5
日本 185.7 83.1
德国 210.5 36.3
法国 266.1 20.4
意大利 517.9 28.5
英国 109.6 49.9
西班牙 575.1 29.5
韩国 651.5 26.0
水危机成因对策面面观
我国水危机成因是多方面的，可以列举如下：
★我国是世界人口最多、经济发展最快的国家，改革开放30年以来，城市化进展速度很快，各地上马高强度用水的工厂多，所以用水需求越来越大。
★我国的公用工程设施落后，长期多年欠账，造成污水处理设施不足，环境污染不能及时治理。
★水资源价格与价值背离是水资源浪费的经济原因。我国政府和人民对水资源是稀缺战略资源缺乏充分认识。无论以要素身份对企业而言，还是以商品身份对消费者而言，水资源都是极其廉价的。有关统计资料表明：全国各地水费标准只达到测算成本的62%，农业水价还不到成本的1/3；水费仅占居民日常开支的0.3%左右。低廉水价必然导致过度利用水资源和严重浪费水资源。
★水资源的产权和使用权不明确，造成水的监管不善，也是造成浪费的原因。我国《水法》 虽然明确规定水资源的所有权属于国家，但是对使用权、交易权等都没有进行明确的界定。这必然会演化为国家拥有所有权，国家之中的不同利益主体拥有使用权。国家作为所有者代表实际上是缺位的，从而导致对水资源使用者的管理不到位。其结果必然表现为使用者无偿占有或使用水资源，严重破坏水资源，而且政府对破坏和严重浪费水资源的使用者缺乏有效的制约措施，浪费和污染水资源的各种限制手段没有力度，导致我国的水环境日益恶化。
★目前体制下水资源利用和污染的私人收益大于社会收益，私人成本小于社会成本是造成水污染的重要根源。这种经济主体对他人的伤害，经济学称负外部性。水资源利用的负外部性包括环境外部性和水污染外部性。环境外部性是指水资源的过度开采利用，造成对生态环境的破坏；水污染外部性是指水资源一经使用便将以污水的形式排出，不达标排放的污水排入河道造成水体污染。这样就增加了社会的边际成本，而过度用水者和排污者却不负担排污引起的这部分成本，导致私人成本小于社会成本。
鉴于以上严峻形势，今年2月国务院颁发了国发〔2012〕3号文件《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》，表明了中央痛下决心抓节水的态度。国务院要求：“以水资源配置、节约和保护为重点，强化用水需求和用水过程管理，通过健全制度、落实责任、提高能力、强化监管，严格控制用水总量，全面提高用水效率，严格控制入河湖排污总量，加快节水型社会建设，促进水资源可持续利用和经济发展方式转变，推动经济社会发展与水资源水环境承载能力相协调，保障经济社会长期平稳较快发展。”；要“以水定需、量水而行、因水制宜”；目标是“到2015年，全国用水总量力争控制在6350亿立方米以内；万元工业增加值用水量比2010年下降30%以上，也即达到73.5立方米/万元，到2020年，万元工业增加值用水量降低到65立方米以下。”
与此同时，从“十二五”规划这十年将大大提高国家对水资源方面的投入，预计为上个十年投资的4倍，达到4万亿元。这笔投入主要用于修整和新建水坝（全国87000个水坝有46000个已过生命周期）、调水解决城市干渴，其中包括世界上最大最长的“南水北调”工程（耗资近5000亿）等资源配置项目。
此外，有专家指出：光注意“硬件建设”，不注意“软件建设”是会吃亏的。联合国教科文组织的研究表明：中国因为没有在国际贸易中考虑虚拟水问题，在1996~2005年的贸易中已导致虚拟水净损失235亿立方米。对实际水耗的自下而上的信息化集成监测管理系统也同样重要。
化工炼油工业节水减排进展显著
在我国水资源的使用中，农业占75%；工业占12%；生活用水及生态补水13%。“十一五”期间，我国万元工业增加值用水量由2005年的169立方米下降到2010年的105立方米，累计下降37.9%，超额完成“十一五”规划纲要确定的目标。
而工业中用水最大的就是石油和化工行业，其取水量约占我国工业取水总量的5%，废水排放量约占全国工业废水排放量的4.2%，COD排放量约占全国工业COD排放量的1%。所以，石化行业是我国工业节水减排的重点行业之一。化工炼油行业在“十一五”期间也取得长足进步，例如，中国石化万元产值的取水量从2005年的15.62吨/万元下降到2009年的11.6吨/万元，吨炼油取新鲜水由2005年的1.02吨/吨降到2011年的0.46吨/吨，吨炼油排污水由2005年的0.7吨/吨降到2011年的0.26吨/吨；中国石油吨炼油取新鲜水由2005年的1.14吨/吨降到2010年的0.65吨/吨。乙烯、合成氨等化工代表性产业的节水减排也取得令人鼓舞的进展，当然与国际先进水平还有一定差距，全行业平均水平的现况见表2。
表2 我国化工炼油行业主要产品耗水量及排污水量与国际先进对比 吨/吨
项 目 2010年我国平均水平 国际先进水平
炼油新鲜水耗 0.7 0.4
排污水 0.5 0.2
乙烯新鲜水耗 6.0 2.5
合成氨气头新鲜水耗 14.0 5.0
煤头新鲜水耗 18.0 6.0
以下从技术层面简要综述近几年化工炼油行业节水减排取得的进展：
1.节水减排的过程系统工程“三步法”策略已逐步得到推广
所谓“三步法”即“水平衡测试-水网络集成-外排污水深度处理回用”，其中第一步是基础，通过加强管理、完善计量仪表，细致地进行全厂（全公司）水平衡测试，得到详细的水平衡图表。通过这一步摸清家底，弄清自己企业用水的水平及与先进水平的差距，从而为节水减排的潜力分析奠定基础；第二步水网络集成是通过过程系统工程方法，使各种水源和水阱得到合理配置，从而使水得到多次利用才排出系统，使新鲜水用量最小化，从而使排水量也大幅度下降。在节水减排已明显使吨产品耗水量及排污水量下降的基础上，才应考虑外排污水的进一步处理制成中水或脱盐水回用。对于炼油行业应当做到使吨油耗水量降到0.6～0.7吨/吨以下才考虑上污水回用装置，因为只有节水潜力充分挖掘才能知道排污水量会降到多少，才能正确确定污水回用装置按多大量来设计。如果顺序颠倒，节水减排还未到位就上污水回用装置，就会造成浪费。因为污水回用装置费用昂贵，几乎没有经济效益。
2.水网络集成技术已逐步推广应用，并从工艺水夹点应用推向循环水夹点
我们知道，节水减排是希望做到：“高水高用，低水低用，按质利用，多次利用”，大大提高水的回用率，使污水排放明显下降，这就需要将各种“水源”（包括外来水源和各种工艺装置排出的用过水）的水质和需要使用水的“水阱”能接受的水质，加以合理匹配。这就是水夹点计算的目的，通过这种水网络集成技术，可以使炼油厂节约新鲜水15%～30%，化工企业25%～35%；精细化工可达20%～60%。21世纪以来，节水深度发展，已考虑循环水的节水，开始推广循环水的“水夹点”系统集成，也就是循环水的串级使用。根据我们初步试点应用循环水系统集成经验，一般可以使循环水用量减少40%以上。
3.循环水系统的节水减排深入发展，使补充新鲜水量减少
在炼化企业用新鲜水总量中，大约30%~60%以上的新鲜水被当做循环水补水补入到循环水场，所以在企业节水中循环水场的节水无疑是重点。近几年在这方面沿着以下几个方面取得进展：①高浓缩倍数循环冷却水系统节水成套技术，其中包括适应高浊度及长停留时间的水处理化学品及复合配方技术及与之配套的实时自动监控技术。国际上先进石油化工企业的循环水浓缩倍数都在5～6倍，中石化公司下属炼化企业循环水场平均浓缩倍数在2008年已经达到了4.2；② 凉水塔蒸汽回收技术：在目前的高循环倍数运行情况下，循环水补水的60%~80%都被蒸发消耗掉。因此，将冷却塔的蒸发水汽回收，可大幅削减循环水系统新鲜水用量。近年我国也已自行研发成功类似凉水塔蒸汽回收技术，并开始在石化企业推广，蒸汽回收率可达20%左右；③循环水系统漏油在线监测技术：传统通过人工分析的办法来发现泄漏，但滞后严重，一旦发现整个循环水的水质已经变得很差了，需要大量的新鲜水来补充、置换。采用漏油分辨仪分辨率达2ppm，在线监测数据能及时传输给DCS系统，可实现远程监视报警；④循环水场零排放技术：对循环水排放的污水进行适度处理后回用于循环水补水，大大节省了循环水场新鲜水用量。因循环水场排出的污水相对较干净，适度处理费用不高，运行成本只有0.7~1.0元/吨水。中石化公司在其下属18家炼化企业采用了这项技术，对降低吨产品耗水量贡献明显。
4.冷凝水高温回收技术
凝结水回收是一项效益很高的节水减排项目，因为这种水是最贵重的水，回收利用价值极高。过去回收后往往用于循环水补水或降温送回制水车间去制脱盐水回用到锅炉，但近年最先进的办法是高温冷凝水回收（95℃以上），直接送锅炉。这样回收冷凝水的全部价值，因凝结水价值=新鲜水+脱盐处理+高温水所含热量，而热能的价值大于前两项。对于一个100吨/小时的回收装置可以获得1050万元/年的效益；如果低温回收到锅炉（没有回收热量）只有580万元的效益。这种技术的难点在于高温下脱除水中的铁离子和油，我国自行开发了多种技术获得可喜的进展，已大规模应用于一些大型石化企业。
5.外排污水回用技术
这里有不同层次的回用，按污水的水质不同可分：干净污水的适度处理回用技术和达标排放污水的深度处理回用；而后者按处理后的水质又可分为：制成中水（作为循环水补水）和制成脱盐水（作为锅炉上水）回用。中石化公司推广的适度处理技术，其特点是：流程短、操作简单——自动化程度高、操作费用低——回用1立方米污水运行费用＜ 1.5元（含循环水药剂费）；当污水水质较差时，就要用膜分离来去除各种污染物，采用最多的是双膜法，即“达标排放水→曝气生物滤池→多介质过滤→超滤→反渗透→出水作循环水/脱盐水”。这种深度处理装置投资较高，操作费用也可观，即使生产出中水，其成本也在3～4元/立方米，投资回收期也很长，但社会效益高。
6.“零排放”技术
所谓“零排放”是指无限地减少污染物和能源排放直至为零的活动，即利用清洁生产，3R(Reduce，Reuse，Recycle) 及生态产业等技术，实现对自然资源的完全循环利用，从而不给大气，水体和土壤遗留任何废弃物。当前我国社会上谈论的“零排放”主要还是原始意义上的“废水排放为零”，简称ZLD（Zero Liguid Discharge）。这种工业上实际应用的技术最早由美国资源保护公司RCC 1974年开发出来，已在美国和其他一些国家的170多座火力发电厂实现了“零排放”，近年来也在炼油厂、化工厂、煤矿、铀矿、炼铜厂实施“零排放”，包括我国神华公司下属的两个煤制油企业。但这种技术不但投资很大，而且能耗高，难以推广应用。比较适合我国国情的是“近零排放”技术，例如镇海石化公司已将吨原油新鲜水耗量降到0.29吨，吨原油工业废水排放量0.07吨，这可以说就是“近零排放”了，我们没有必要追求绝对的“零排放”。
7.水网络系统的在线实时监控管理(Water Management System，WMS)技术
由于水的成本相对较便宜，过去没有受到重视，所以水网络系统的检测仪表往往比较薄弱。但这种情况到21世纪有了改变，所有现代化的企业均把水系统的管理当成大事来抓。由于我国是缺水国家，而石油化工企业又是用水大户，所以更加重视。国内2004年首先开发水系统管理软件的是中国石化镇海石化公司，是一个离线计算机管理系统。到2010年，中国石油大庆石化开始开发新一代水系统实时监测软件系统，这个系统做到与MES接口，从公用工程系统自动采集已有数据，加上部分手动录入，作为水平衡原始数据的主要来源。根据水平衡图中用水设备（或用水单元）的输入输出逻辑关系，系统能够进行水平衡图平衡计算。这种在线实时监测技术无疑是实现国务院要求“最严格水资源管理”的有力手段。
存在问题
一、水作为战略资源的取用缺乏认真的计量监督和明确的资源收费政策
水作为国家稀缺战略资源並未得到应有的重视，在取水源头及用水各环节都缺乏严格认真的计量监督。虽然2006 年国务院就公布了《取水许可和水资源费征收管理条例》，但由于水资源费定价很低，据专家估测，我国水资源费全额征收量应该在每年200亿元左右。这对于地方财政收入来说仅是无足轻重的零头，所以没有引起重视。据我们多年从事节水减排项目经验来看，许多企业取水的计量仪表不准确，报给地方政府的取水量是估计值，而这些石化企业又是当地利税大户，地方政府也就顺水推舟，无人深究。
在企业内部，由于水是最便宜的能源，其计量仪表也往往不受重视。按国家要求，一、二级仪表的配备率和完好率均应达到100%。实际多半企业达不到，有些只有70%，甚至更低。这就给企业水网络的水平衡测试带来困难，如果连自己企业用水状况及指标高低都不清楚，就谈不上节水减排了。
今年国务院的国发〔2012〕3号文中明确指出：“严格水资源有偿使用：合理调整水资源费征收标准，扩大征收范围，严格水资源费征收、使用和管理。严格按照规定的征收范围、对象、标准和程序征收，确保应收尽收，任何单位和个人不得擅自减免、缓征或停征水资源费。”为了贯彻国务院3号文件，提高工业水资源费收费标准，并对超标取水的企业实行惩罚性的高收费势在必行。
二、循环水场的管理和节水普遍是薄弱环节
这首先是对循环水的认识有误造成的：“循环水是为了保证工艺装置的冷却效果服务的，只要能保证冷却效果，本身很便宜，多用一些也无所谓。”在这种思维的指导下，循环水场的管理被边缘化，没有得到应有的重视，造成一系列差距和问题。
例如，按每炼万吨/年炼油厂的循环水耗量，不同企业相差很大：好的企业可以达到18吨/小时以下，而差的企业可以达到40吨/小时以上，有的甚至更高。但从上到下並不以为怪，也无人考核；又如，循环水出凉水塔的温度和回来进塔温度差△T，设计温差为8～10℃，但实际现场操作温差鲜有达到这么高的，许多只有4～6℃，更有2～3℃也並不少见。这就意味着，大量循环水在低效率地空转；再如，循环水浓缩倍数，中石油、中石化公司均要求达到N=4～5以上，但实际上许多循环水场均在低浓缩倍数运行，这就意味着新鲜水的补水量会大为超标；此外，循环水场由于长期得不到严格管理，内漏和外漏都不同程度存在，内漏使得工艺物料污染循环水，不得不大量通入新鲜水置换，使得循环水场的补水量超常的高；外漏使得循环水场无法封闭运行，所加入的药剂不断流失，浓缩倍数提不高，只能低倍数运行。
我们应该知道：循环水虽然不贵，但由于消耗量大（比新鲜水耗量高一到二个数量级），所以其成本是新鲜水的几倍。应当说，到今天深度节水时期，循环水的管理和利用效率已成为必须考核的重要方面。
三、错误的中水回用策略——“花钱买指标”
我们知道节水减排应有的合理步骤——“三步策略”，即千方百计地实现排出水多次利用，实现最大限度地节水减排，使排放的污水量明显下降后，最后再考虑将必须排放的污水深度处理，进行回用。但现实是有不少企业并未认真做好以水系统集成为核心的节水减排，就想简单地利用上中水回用装置，回用中水取代部分新鲜水，使新鲜水耗量下降，从而使企业的新鲜水耗水指标达到比较先进的水平。但这样做其实只是用比较贵的回用中水代替了新鲜水，指标上好看了，但并没有真正使用水量下降。
对于炼油企业而言，在没有采取各种措施使吨炼油耗水指标降为0.60～0.70吨/吨前，不应直接上投资大(回收期很长)的污水回用装置，这应当成为领导部门的共识。
四、污水深度处理回用技术不够成熟，制约污水回用率的提高
将化工炼油企业达标排放的污水，或城市生活污水进一步处理，可以生成中水，也可以生成供锅炉用的脱盐水。近几年由于对大型企业的吨产品耗水指标要求越来越高，所以上马污水回用装置越来越多。但从目前运行的情况来看，一次投产成功就能维持长期稳定运行的较少，许多开了1～2年就被迫停止运行（多半是膜被污染失效）。比较好一点的，减负荷加干净污水稀释勉强运转。
应该看到，这类污水回用装置的投资大、投资回收期长，只有社会效益而没有经济效益，如果不能顺利运行，对企业则成为很大的负担。造成这种事态的原因是多方面的：处理的达标污水操作不稳定，使进入装置的水指标超标，对膜造成污染冲击；装置的预处理环节不够“疲实”，对进水指标的裕度太窄；膜本身质量不过关，需要开发耐污染的高效膜；进水口缺乏自动切换的保护，使进水质量恶化时无法自动将污染水切出以防止膜被污染。
目前很多供应商均声称可以提供污水回用技术，但是并非这些技术都真正过关或都适合特定用户的需要。所以领导部门应加强这方面的经验总结、技术评选和选用指导。
五、开发节水型生产工艺，特别是节水型煤化工工艺是当务之急
我国“十一五”期间出现了“煤化工热”，富产煤炭的地区为了提高煤炭资源的附加价值，要求企业在煤炭开采的同时就地转化，以获取最大附加值。如今，全国3000万吨以上的大型煤炭企业几乎都涉足煤化工，出现“逢煤必化”的热潮。 各地申报新建煤化工企业（包括煤制天然气、烯烃、柴油、甲醇、二甲醚、醋酸等）用煤达到近12亿吨/年，投资达4万亿元。大大超过国家”十二五“规划用于煤化工的煤资源。
应该指出的是，煤化工是一种高能耗、高水耗、高CO2排放的产业，“十一五”期间处于“打通工业流程”阶段，尚来不及抓节能、节水减排，所有已投产的项目水耗指标高得惊人：煤制甲醇为10～15吨/吨产品；间接法（F-T合成）煤制柴油为13.5吨/吨产品；煤制烯烃为 28～32吨/吨产品。这些数据几乎比石油化工路线获得同样产品高5～20倍。工信部提出的《“十二五”煤化工示范项目技术规范（送审稿）》对用水指标作出规定：单位产品煤制油间接液化新鲜水耗分别不超过11吨/吨油品、煤制天然气6.9吨/千立方米、煤经甲醇制烯烃22吨/吨烯烃、煤制合成氨6吨/吨合成氨、煤制乙二醇9.6吨/吨乙二醇。为节水型煤化工工艺提出了明确要求。
“十二五规划”时期，如何一方面降低煤化工的能耗、水耗；另一方面，规范和完善水权交易市场，就成为发展煤化工的当务之急。