極度缺水的卡塔爾如何“用能源換水源”?

來源:中國新聞週刊 | 2022年12月06日 16:06
原標題:極度缺水的卡塔爾如何“用能源換水源”?
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  2022年11月20日,世界盃在卡塔爾開幕。因為炎熱的沙漠氣候,世界盃首次從夏季改為冬季舉辦。為了適應這種氣候,一些開支註定是高昂的,比如,草坪的維護。

  卡塔爾的沙漠和混凝土中點綴著一片片綠色,這是本次世界盃需要的144塊綠地:8個球場和136個訓練場地,它們由一支球場管理員組成的精悍隊伍維護。卡塔爾秋季的氣溫依然高達40℃,為確保這個沙漠國家的球場草坪在世界盃期間茁壯成長,球場管理員從9月份就開始使用噴嘴向草坪吹冷空氣。

  自2007年以來,蘇丹土木工程師海賽姆·沙裏夫一直在卡塔爾的球場工作。今年初,他接受採訪時介紹,為了世界盃,卡塔爾每年用專門的恒溫飛機從美國空運140噸草籽,然後用淡化的海水澆灌球場;每個球場在冬季每天需要10000升淡化水,在夏季每天則需要高達50000升來進行維護。為預防緊急情況,卡塔爾首都多哈北部的一個農場還種植了42.5萬平方米的預備草坪,面積相當於40個標準足球場——這部分草坪的用水還沒有記錄。

2020年12月3日,卡塔爾多哈,工作人員為一處球場澆水。圖/視覺中國

2020年12月3日,卡塔爾多哈,工作人員為一處球場澆水。圖/視覺中國

  對卡塔爾來説,這些有關用水的數據格外重要。卡塔爾全年乾旱少雨,年均降雨量不足100毫米。在這一油氣資源非常豐富的國家,淡水反而成為一種稀缺資源。為了這次為期28天的大型國際賽事,在當地供水系統工作了7年的中國工程師、中國葛洲壩集團卡塔爾蓄水池項目部負責人王少華告訴《中國新聞週刊》,這裡道路、公共交通系統等方面都斥資大量建設,當然,短板的、頗為挑戰的供水系統也早有了安排。

  卡塔爾:用天然氣換淡水

  根據世界資源研究所2019年發佈的一份分析報告,17個國家的近18億人正面臨水資源危機,未來幾年可能會出現嚴重短缺。這17個國家中,有12個在中東和北非,卡塔爾就是其中一個。

  卡塔爾降水量有時會低至82毫米/年,但是蒸發量卻為2000毫米/年,人均供水量低於每年人均1000立方米的國際貧水線。世界資源研究所指出,缺水國家水供應本就處在低位,但不斷增長的需求正在將各國推入極端壓力。

  王少華在中東工作了近19年,他告訴《中國新聞週刊》,因為降雨量少、沒有河流,這些國家都非常缺乏淡水資源。由於供水不是很穩定,基本上中東國家每家每戶都會在房頂上放一個密封的大水缸。另一方面,因為比較富裕,尤其是卡塔爾、阿聯酋這種海灣國家,人均用水量卻很高。

  海灣阿拉伯國家合作委員會(GCC)成員國是全世界水資源消耗最高的國家。GCC簡稱“海合會”,是波斯灣地區6個國家的政府間國際組織,成員國包括巴林、科威特、阿曼、卡塔爾、沙特阿拉伯和阿聯酋。例如,在阿聯酋,儘管其每年平均降雨量不到100毫米,人們每天的用水量卻達到約500升,比全球平均水平高出50%;在迪拜噴泉展上,每半個小時就有超過83000升水被噴到相當於50層樓的高度。

  王少華説,國內北方和南方每人每天用水量大約分別是250升、350升;而在卡塔爾,每人每天用水量能達到500~1000升,除了用來盥洗、洗衣服,大量的水要用於種樹、洗車、維護游泳池等。

  位於阿拉伯灣西海岸卡塔爾半島上的卡塔爾,國土面積約1.15萬平方公里,大小與青島市相當,下屬行政區為8個自治市。按2021年數據來看,其人口總數為293萬人,大約是青島市的四分之一。

  世界盃期間,卡塔爾預計將迎來150萬~175萬名外國球迷和遊客,這接近本國居住者人數的一半。據美聯社11月10日報道,世界盃期間,卡塔爾的供水量預計將增加10%。

  卡塔爾是面臨水資源短缺風險最大的國家,該國嚴重依賴海水淡化系統。據卡塔爾政府門戶網站2020年的信息,該國依賴三個來源供水:淡化的海水、地下水和處理後再利用的水,其淡化水産量在過去二十年翻了兩番。根據該國規劃和統計部門2019年數據,海水淡化水約佔其總供應量的60%,家庭用水幾乎都是淡化海水。

  目前,全世界大約有1.6萬個海水淡化工廠,主要分佈在世界各地的海岸線上,但最高産的工廠位於中東國家。

  卡塔爾修建的最新一座海水淡化廠是位於多哈南部的烏姆阿爾胡爾火電和海水淡化綜合項目,其投資建設成本為27.5億美元,于2018年投入運營,淡化産能約合61.8萬立方米/天,可滿足該國30%用水需求。2021年,卡塔爾宣佈,烏姆阿爾胡爾將啟動擴建項目,屆時將滿足該國30%的電力需求和40%的淡水需求,是實現卡塔爾水安全的戰略性國家項目。

  自20世紀50年代海水淡化技術應用以來,海灣阿拉伯國家合作委員會國家一直是這一領域的先鋒。目前全世界43%的海水淡化産能來自於這一組織。英國環境、漁業和水産養殖科學中心的中東項目主任威爾·勒奎恩近日在接受《衛報》採訪時説,如果把海合會國家的海水淡化能力作為一個整體來看,經處理的海水水量大約是泰晤士河流量的四倍。

  根據卡塔爾大學先進材料中心教授哈馬杜·拉赫曼等人在2018年發表的文章,卡塔爾最早的海水淡化設施建成于1953年,截至2018年,該國合計有13個海水淡化廠。

  全球接近一半海水淡化産能分佈在富裕的海灣國家,是因為這些國家完美擁有發展海水淡化技術的幾個必要條件:豐富的能源、靠近海水、足夠有錢。《紐約時報》2019年的文章中寫道,海水淡化在很大程度上僅限于較富裕的國家,尤其是那些化石燃料充足且可以使用海水的國家。而在低收入國家,應用這一技術幾乎沒有可能。

  根據世界銀行統計數據,截至2021年,卡塔爾人均GDP為6.1276萬美元;根據世界人口綜述網站2022年人均GDP總值預測,卡塔爾排名全球第四。

  卡塔爾擁有相當豐富的石油和天然氣資源。作為OPEC組織第11大原油生産國,卡塔爾原油産量僅佔該組織總産量的2%。但卡塔爾是世界第一大液化天然氣生産和出口國,其天然氣總儲量更是排名全球第三,僅次於俄羅斯和伊朗。

  天津大學化工學院教授、海水淡化專家王志向《中國新聞週刊》介紹,海水淡化主流技術包括反滲透技術(也叫膜法或者膜技術)、多級閃蒸技術和多效蒸餾技術,後兩者都屬於蒸餾法,通過加熱方式實現脫鹽。反滲透海水淡化採用電,通過大型管道從海洋中汲取水,並將水噴射到允許水分子通過、但把鹽分子擋在外面的薄膜中,將海水裏的鹽分子脫掉。

  “海水淡化本質上是以能源換取水資源。”王志説,不管是用哪種技術,都需要通過燃燒石油、天然氣等能源來獲得能量,以實現海水淡化。目前,沙特阿拉伯的海水淡水量約佔全球總量五分之一;世界上最大的海水淡化工廠坐落在沙特阿拉伯,每天生産140萬立方米的淡化水。但這是有代價的:沙特每天要消耗30萬桶原油用於海水淡化。

  全球最大的蓄水池項目

  自2010年獲得世界盃主辦權以來,卡塔爾12年間投入2290億美元,花費約為過往七屆世界盃成本總和的5倍。

  卡塔爾世界盃組委會負責人哈桑·塔瓦迪表示,2200多億美元資金大多用於國內的道路、公共交通等基礎設施建設,並非只為了世界盃,這些建設也是卡塔爾政府“2030國家願景”計劃的一部分。這一計劃于2008年啟動,希望推動卡塔爾轉變為“可持續發展的先進社會”。

  世界盃期間的用水保障問題,也是卡塔爾基建中很重要的一部分。從卡塔爾首都多哈驅車向南大約70公里,小鎮阿布拉克拉附近的荒漠中,一個水利樞紐工程已落成,這就是卡塔爾戰略蓄水池項目的南端部分。該項目現場總監卡利薩·林加姆今年接受央視採訪時表示,這是卡塔爾最重要的水利設施,也是世界上最大的蓄水池建設項目。

  2015年起,作為卡塔爾重要的戰略民生工程,同時也為2022年世界盃供水,卡塔爾供水工程正式開始建設,包括海水淡化、儲存、輸送等系統工程。其中戰略蓄水池項目共有五個標段,包含15座巨型蓄水池,每座水池長300米,寬150米,高12米,大約相當於9個足球場的面積,單體容量50萬立方米,是經吉尼斯世界紀錄認證的“世界最大飲用水水池”。

  其中的第四標段E標段,包括兩座蓄水池以及加壓泵站、水質檢驗中心、備用發電機房和管線等附屬工程,由中國葛洲壩集團負責施工。2020年,卡塔爾供水E標項目的兩個水池正式投運。距離該項目20分鐘車程就有一個舉行世界盃賽事的體育場館。目前,為了保證世界盃期間的供水,這些水池的蓄水量都在85%以上。

  王少華説,這一戰略蓄水池項目也為了極大改善卡塔爾本國的供水安全問題。他介紹説,卡塔爾在考察周邊海灣國家的供水情況後,發現其自身供水保障體系較薄弱。當時,卡塔爾只在老城區有一些小型供水廠,且彼此之間沒有管網相連,無法做到綜合管理和調配;另一方面,隨著卡塔爾城市的發展,供水系統也要進行提前規劃。

  王少華曾經在科威特工作過7年,也幫助當地建設蓄水池項目。他説,科威特雖然單個蓄水池容量沒有卡塔爾這麼大,但其長期、有計劃地修建水廠,每隔幾年就新建一個,再通過管網相連,因此供水系統要比卡塔爾之前的情況好很多。

  卡塔爾打算一口氣把這個短板補上。最初,卡塔爾計劃修建24座水池,不過,2016年,因為油價下跌,該國財政資金受到一定影響,最後削減計劃。蓄水池集中分佈在5個區域,由四家公司承建。

  這一蓄水池項目的建設過程非常波折。2017年6月,沙特阿拉伯、阿聯酋、巴林等國指責卡塔爾支持恐怖主義,切斷了與卡塔爾的外交、貿易和交通聯絡。卡塔爾經歷了三年半的經濟封鎖。當時,因為與周邊國家斷交,卡塔爾海域、航空、陸路都受到管制。王少華所負責項目訂購的一些材料、設備運輸都受到影響,被延遲交付;因受經濟封鎖,很多材料、物價、人力成本上漲,一些分包商倒閉,許多原來的合作和履約都被打斷。

  2019年,蓄水池項目完工。在沒有來水的情況下,這些所儲存的水也能夠滿足卡塔爾全國7天的用水量。作為戰略蓄水池,除了像世界盃這種特殊時期,平時無需用到設計負荷,但需要在緊急使用的時候立刻運轉。這一項目選用的都是世界上最先進的設備和材料,對儀器儀錶和控制系統的可靠性要求特別高。

  海水淡化會成為未來重要水源

  卡塔爾大學先進材料中心教授哈馬·杜拉赫曼等人指出,海水的淡化和清潔用水被確定為卡塔爾“2030年國家願景”規劃的主要挑戰之一。為實現這一願景,同時為2022年世界盃做準備,卡塔爾正從能源密集型的熱法海水淡化技術轉向更清潔、更綠色的反滲透海水淡化工藝。

  全球範圍內,應用最為廣泛的、裝機容量最大的海水淡化技術是反滲透,其最主要優點是能耗最低。

  近幾十年來,隨著海水淡化技術發展,尤其是反滲透技術的發展,海水淡化過程效率已經大為提高。根據韓國學者2019年發表的文章,基於70個大型淡化水廠的數據分析顯示,目前淡化一噸水需要用到的電依然在3.5~4.5度之間。相比之下,如果使用多級閃蒸技術,目前淡化一噸水大約要12度電。

  王志介紹,自從反滲透技術在1990年代大規模應用以來,學界和産業界一直在致力於兩個目標:降低能耗、減少污染。早期淡化一噸水,反滲透技術的能耗需10~20度電,現在能控制在5度以內。這是由於,一方面,膜的透過性能一直在提高;另一方面,過程中採用了一種能量回收裝置,能夠將淡化後産生的高壓濃海水的壓力進行回收,明顯降低海水淡化的能耗。

  海水淡化長期以來比較受到爭議的一點,在於其對環境的影響。有學者指出,海水淡化過程中會向海洋排放高鹽度廢液,其中可能包含淡化過程中添加的氯、重金屬、消泡劑等化學成分,或危害珊瑚和小型海洋生物。

  對此,王志解釋,實際上,海水淡化的規模再大,與海洋的海水量相比依然是微不足道的,處理後廢棄的高濃度鹽水如果不是排放在沿海海域,很快就擴散了,已經證明對海洋環境的影響不大。在海水淡化過程中,的確需要加入一些化學添加劑,以免其被污染。現在,包括他的團隊在內的世界各地學者們,正在研究抗污染性能更好的膜材料,這樣就不用太多的藥劑,減少對生態環境的影響。

  2020年,中東地區知名諮詢機構東方星球研究公司發佈的一份報告指出,到2050年,海合會國家用水需求將達到每年3.37萬立方米,但該地區預計未來儲量僅為2.58萬立方米。該報告認為,該地區需要將水量提高77%才能滿足其人口未來30年的需求。

  位於阿聯酋的紐約大學阿布扎比分校水研究中心主任和工程學教授尼達爾·希拉爾今年3月在中東地區媒體《國際新聞報》發表的文章指出,隨著幾個新項目的啟動,海灣合作委員會國家的海水淡化能力將在未來5年增長37%,將有更多反滲透海水淡化廠建立。

  作為中東地區重要研究中心,尼達爾·希拉爾介紹,紐約大學水研究中心的實驗室正在開發適合阿拉伯地區海水脫鹽的膜材料,更適用於波斯灣海域的海水淡化。同時,基於中東高溫乾旱的氣候條件,當地一些研究機構正在研發太陽能驅動的膜技術,將太陽照射與小型海水淡化系統相結合,可用於向偏遠地區供水。

  特別關注全球和區域淡水問題的美國加州太平洋研究所名譽主席皮特·格萊克在回復《中國新聞週刊》的郵件中指出,反滲透技術近年來有了很大的改進,已接近達到從海水中脫鹽所能需要的最低能量。“我希望新技術能進一步降低這些成本,但我沒有抱太大的希望。”

  所有國家都必須努力實現用水的供需平衡。不過,皮特·格萊克強調,在建造越來越昂貴的海水淡化廠之前,盡可能減少低效用水,提高用水效率,這是平衡供需最便宜的方法。“我敢肯定,世界盃就像任何一個重大賽事一樣,顯著地增加了舉辦國家的資源需求壓力。但如果卡塔爾努力讓來訪者了解水的價值和如何節約用水,並暫時減少國內其他用水需求,同時臨時性地擴大儲水量,就能保障世界盃期間的供水安全問題。”

  在中國,海水淡化技術也在持續發展中。天津大學化工學院教授王志所在的城市,今年5月20日發佈了《天津市海水淡化産業發展“十四五”規劃》。該文件提出,到2025年,天津海水淡化工程規模達到55萬噸/日,海水淡化水年供水量達到1億立方米左右。

  王志告訴《中國新聞週刊》,美國、以色列、日本等國家都是海水淡化技術發展比較好的地方,中國的海水淡化技術也是比較領先的水平,而且一些公司也在拓展海外市場,幫助一些國家承建海水淡化廠。

  “海水淡化在中國的需求量也很大。”王志指出,特別是在北方一些缺水的沿海城市,比如青島、大連、天津,除了“南水北調”的淡水資源,淡化的海水一直都是這些城市經濟社會發展的重要水源之一,被稱為“第二水源”;而在一些沒有淡水河流流經的島嶼,比如舟山群島,就有很多海水淡化廠。早至2013年,國家發改委就將舟山列為國家首批海水淡化産業發展試點城市,納入國家海水淡化推進應用示範城市。

  實際上,海水淡化技術不僅用於海水,一些內陸地區的苦鹹水淡化、工業廢水或者生活服務廢水的處理與回收利用,都需要用到海水淡化技術進行脫鹽。

  “隨著社會經濟的發展,對水資源的需求肯定會上漲。在淡水資源有限的情況下,廢水回收並不增加淡水總量,唯一能夠帶來增量的途徑,就是海水淡化。”王志説,隨著能源結構調整,未來將會更多依靠風能、太陽能、核能等可再生能源,反滲透海水淡化技術不再需要化石能源驅動,以後會更加環保;與此同時,高能耗也不再是其應用的瓶頸,其在人類淡水資源供應中的地位將會愈加重要。(作者:彭丹妮 李金津)

編輯:康雅婷 責任編輯:丁鵬飛
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