基于超濾-反滲透的海水淡化單位制水成本影響因素分析

陳方芳

（上海市政工程造價咨詢有限公司，上海市200092）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，全球淡水資源緊缺的局面正在逐漸顯現。為解決日益嚴峻的淡水資源短缺問題，世界沿海國家和地區都大力發展海水淡化產業。近年來我國海水淡化工程總體規模也穩步增長，截至2017年底，全國已建成海水淡化工程136個，主要分布在沿海9個省市，產水規模118.91萬t/d，大幅度地緩解了城市水資源短缺問題[1]。目前海水淡化的主要方法有多效蒸餾法（multi-effect distillation,MED）、多級閃蒸法（multi-stage flash,MSF）、壓汽蒸餾法（vapor compression，VC）、電滲析法（electrodialysis,ED）和反滲透法（reverse osmosis,RO）等，而全球海水淡化技術中反滲透占總產能的65%，由于其能耗低、操作簡便、投資少等優點，因此，反滲透法也成為海水淡化的主要方法。

然而，海水中含有大量的懸浮顆粒、有機物、金屬鹽和藻類等，對高濁度海水直接進行反滲透處理會導致膜污染嚴重，膜組件的壽命縮短。為了保證反滲透裝置能夠長期穩定地運行,還必須對海水進行預處理，而利用超濾（Ultra Filtration,UF）進行預處理，可以很大程度地降低海水濁度，避免反滲透膜的污染。現階段，超濾-反滲透的海水處理工藝由于其良好的去除有機物、濁度等特點已經廣泛應用于工程實踐，并取得顯著的成效。但超濾-反滲透的處理工藝的推廣受成本限制極大，因此，分析其制水成本及其主要影響因素也是超濾-反滲透的海水淡化工程研究的重點，也為推廣超濾-反滲透技術打下堅實的基礎。

1 超濾-反滲透海水淡化處理工藝

超濾-反滲透的工藝流程為進水-超濾-反滲透-出水，由原水進入到超濾膜預處理單元。膜過濾是一種膜分離技術，其膜為多孔性不對稱結構，用于溶液中大分子級別物質的分離。該處理工藝采用的預處理單元，膜過濾是一種膜分離技術，其膜為多孔性不對稱結構，用于溶液中大分為過濾孔徑 0.01～0.1 μm，具有抗污染、通量高、強度高、耐受高濃度氧化劑性能好等特點的污水回用處理專用中空纖維膜，用于去除海水中的大分子有機物等，大大地降低了海水的濁度，確保出水滿足反滲透的進水要求。經過超濾后的反滲透的進水中投加適量的還原劑和阻垢劑，還原進入反滲透的水中含有的氧化性物質，保護反滲透膜不被氧化性物質所氧化，防止反滲透膜結垢[2]，反滲透后的濃鹽水可以被能量回收裝置進行回收，還可以作為反沖洗水利用。

2 超濾-反滲透海水淡化制水成本的構成與分析

超濾-反滲透海水淡化的總成本是指運營期內當期為生產淡水或提供淡水所發生的全部費用。總成本費用可以采用生產成本加期間費用估算法或生產要素估算法[3]。為方便經濟評價的成本核算，供水項目的總成本費用采用生產要素估算法進行估算，具體內容包括水資源費、原材料費、動力費、職工薪酬、固定資產折舊費、修理費、無形資產和其他資產攤銷費、其他費用和財務費用。其中，水資源費、原材料費和動力費有屬于可變成本，其余的屬于固定成本，而單位制水成本=年總成本/（年計算天數×出廠水規模/日變化系數）。

本文以山東某海水淡化工程為例進行成本計算和分析。該工程進水量規模27萬m3/d，出廠水設計規模為10萬m3/d。制水成本計算的基礎數據：日變化系數1.0，超濾-反滲透噸水電耗3.5 kwh/m3/d，污泥處理電耗100 kwh/m3/d，電費單價0.555元/度，日污泥量48 t/d，職工定員20人，人年均工資15萬元/年，工程總投資約6.6億元，折舊年限分別按照土建25 a，設備20 a，固定資產凈殘值5%，固定資產綜合折舊率4.38%，超濾膜考慮每五年更換一次，每次更換的費用2 500萬元；反滲透膜每七年更換一次，每次更換的費用3 500萬元；大修理費率由于供水行業的統計資料分析一般取2%～2.5%，由于海水淡化工程投資較大，因此該項目的大修理費率取1%，無形資產和其他資產率按2.5%考慮，流動資金借款年利率4.35%，一年考慮20 d的停產檢修期，按345 d計算。

經過計算分析，該工程的海水淡化年總成本為14 872.42萬元，其中可變成本為8 680.37萬元，固定成本6 192.05萬元；海水淡化單位制水成本為4.31元/噸。海水淡化的各項成本的計算結果及比例見表1所列。

由上述計算分析可知，超濾-反滲透的海水淡化單位制水成本中，動力費成本最大，主要是超濾-反滲透處理的電耗量較高，占單位總制水成本的44.85%，其次是固定資產折舊費，占18.02%；藥劑費占9.21%，再次是膜攤銷費占7.15%；其余污泥處置費、職工薪酬、大修理費、運營期借款利息支出、無形資產攤銷、管理及其他費用占比合計為20.77%。

其中，動力費主要與超濾-反滲透的電耗、日變化系數、電費單價有關；由于廠站項目的固定資產殘值率一般取5%，折舊年限也為固定值，因此固定資產折舊費主要取決于工程建設投資的大小；藥劑費主要與超濾-反滲透處理的藥耗投加量及單價有關；而膜攤銷費與超濾膜及反滲透膜的更換年限及費用有關，其余的費用占比較小，對成本的影響不大。

表1 海水淡化各項制水成本構成一覽表

因此，影響超濾-反滲透的海水淡化單位制水成本的主要因素是：超濾-反滲透處理的電耗、日變化系數、電費單價、建設投資；次要因素是藥耗投加量、超濾膜及反滲透膜的更換年限。

3 海水淡化單位制水成本的主要影響因素分析

為了分析單位制水成本主要影響因素發生變化時對單位制水成本的影響，通過敏感性分析，確定以上主要影響因素的影響程度，在供水項目中，通常采用單因素敏感性分析，變動因素分別為超濾-反滲透的噸水電耗、日變化系數、電費單價及建設投資。

3.1 超濾-反滲透的噸水電耗的影響因素分析

該工程超濾-反滲透的電耗所需的動力費占總動力費的99.7%，因此超濾-反滲透的噸水電耗是影響單位制水成本影響主要因素，考慮這項因素的可能變化幅度為±10%～±20%。因此，超濾-反滲透的噸水電耗發生變化時對單位制水成本的影響如2所列。

表2 超濾-反滲透噸水電耗敏感性分析表

3.2 日變化系數的影響因素分析

日變化系數主要是根據供水規模、用水量組成、生活水平、氣候條件，結合當地相似供水工程的年內供水變化情況綜合分析確定，日變化系數=最高日用水量/平均日用水量，它的取值對制水成本有重要影響，考慮這項因素的可能變化幅度為10%～20%，日變化系數的噸水電耗發生變化時對單位制水成本的影響如表3所列。

表3 日變化系數敏感性分析表

3.3 電費單價的影響因素分析

海水淡化的工藝都需要使用大量的電力，一般情況下，反滲透海水淡化工藝的噸水電耗為3.0～5.0 kwh/m3/d，而電費單價對超濾-反滲透工藝的影響更為顯著，考慮這項因素的可能變化幅度為±10%～±20%。因此，超濾-反滲透的電費單價發生變化時對單位制水成本的影響如表4所列。

表4 電費單價敏感性分析表

3.4 建設投資的影響因素分析

建設項目總投資包括固定資產投資（即工程造價）和流動資產投資（即流動資金），而固定資產投資又包括建設投資和建設期利息，建設投資包括工程費用、工程建設其他費用及預備費。考慮這項因素的可能變化幅度為±10%～±20%。當工程投資發生變化時對單位制水成本的影響如表5所列。

表5 建設投資敏感性分析表

由上述定量分析可知，基于超濾-反滲透的海水淡化單位制水成本主要影響因素的程度由大到小依次為：建設投資，電費單價和超濾-反滲透的噸水電耗，日變化系數。其中電費單價可以向政府爭取優惠電價降低動力費，電耗通過綜合分析設備工藝性能和經濟性能進行優化。

4 結論

本文基于超濾-反滲透的海水淡化處理工藝的分析，分解和量化單位時間內海水淡化的制水成本，得知海水淡化單位制水成本主要影響因素包括超濾-反滲透的噸水電耗、日變化系數、電費單價和建設投資；并通過對這些主要影響因素的敏感性分析，分別得出主要影響因素影響程度的大小。為今后設計人員在選擇海水淡化處理工藝的同時，結合其制水成本綜合考慮，使工程設計更經濟更合理，也為類似工程提供參考依據。