海水淡化项目的可持续性分析：评估膜技术和热能技术在社会、经济和环境方面的影响

《Journal of Cleaner Production》：Sustainability analysis of seawater desalination: assessing the social, economic, and environmental impacts of membrane and thermal technologies

本研究构建了整合生命周期评估（LCA）、生命周期成本（LCC）和支付意愿（WTP）的综合可持续性评估框架，通过熵权耦合AHP方法将多维度指标转化为单一指数，对比分析反渗透（RO）与废热驱动低温多效蒸馏（LT-MED）两种海水淡化技术的环境、经济和社会绩效。结果显示LT-MED在环境优先或均衡权重下更具优势，但RO在侧重经济或社会因素时更优，且LT-MED单位产水成本（3.50元/立方米）显著低于RO（4.83元/立方米），但社会成本（5044.1元/立方米）高出2.6倍，主要源于放射性离子危害。

　　

梁明辉|于春雪|黄霞|苏美荣

东莞理工大学生态环境工程研究中心，中国东莞市松山湖大学街1号，523808

摘要

海水淡化是一种在全球范围内广泛应用的技术，作为沿海缺水地区有效的供水解决方案。然而，其高能耗、相关排放物和外部成本引发了对其长期可持续性的担忧。本研究开发了一个综合评估框架，该框架结合了生命周期评估、生命周期成本核算和支付意愿分析，并将层次分析法（AHP）与熵权重方法相结合，将这三个维度整合到一个可持续性指数中。利用这一框架，我们在一致的从摇篮到大门（cradle-to-gate）系统边界内比较了两种大型海水淡化项目：一种是利用废热驱动的低温多效蒸馏（LT-MED）装置，另一种是反渗透（RO）装置。能源消耗是大多数环境影响类别的主要因素，反渗透的全球变暖潜能值为5.29千克二氧化碳当量/立方米，大约是低温多效蒸馏的两倍（2.56千克二氧化碳当量/立方米）。在反渗透过程中，盐水排放是导致海洋富营养化的主要原因，而在低温多效蒸馏过程中，消泡剂的使用导致了更高的臭氧消耗和毒性潜力。从经济角度来看，两种系统的摊销资本成本相似（分别为1.71元/立方米和1.74元/立方米），但低温多效蒸馏的运营成本较低（1.79元/立方米对比3.09元/立方米），从而使得单位水生产成本更低（3.50元/立方米对比4.83元/立方米），内部收益率更高（27.7%对比16.9%），折现回收期也更短（4.27年对比7.46年）。在社会成本方面，低温多效蒸馏的总货币化社会成本约为5044.1元/立方米，大约是反渗透的2.6倍（2161.1元/立方米），其中大部分成本与电离辐射有关。可持续性指数结果显示，当优先考虑环境性能或以平衡的方式权衡环境、经济和社会维度时，通常更倾向于选择低温多效蒸馏；而当强调经济和社会标准或没有合适的废热可用时，反渗透则更具吸引力。总体而言，所提出的框架为比较膜法和热法海水淡化技术以及支持技术选择和淡化政策设计提供了一个透明且结构化的工具。

引言

自20世纪初以来，对淡水资源的需求稳步增加。目前，全球超过40%的人口受到水资源短缺的影响（Greve等人，2018年；联合国教科文组织，2024年）。海水淡化逐渐被认可为有效缓解淡水资源短缺的关键方法。截至2023年底，全球共有约22,000座海水淡化厂在运行，总生产能力约为每天1.0922亿立方米（徐等人，2025年）。海水淡化技术大致可以分为膜基和热基工艺。1980年之前，热法技术占全球淡化水产量的大约84%。目前，反渗透已成为主导的海水淡化技术，占全球总淡化能力的约69%（琼斯等人，2019年）。

尽管海水淡化已在沿海地区得到广泛应用（魏等人，2021年），但它仍然主要依赖化石燃料且能源密集（金等人，2019年；李等人，2018年；Manju和Sagar，2017年）。含有化学残留物的盐水排放可能危及海洋生态系统（Heck等人，2016年；Panagopoulos和Haralambous，2020年；Soliman等人，2021年）。此外，设备、维护和能源相关的成本增加了水生产费用，成为海水淡化经济可持续性的关键限制因素（李等人，2018年；Manju和Sagar，2017年；Pinto和Marques，2017年）。因此，评估海水淡化的可持续性尤为重要。

可持续性评估已广泛应用于各个领域，包括能源（Kuziboev等人，2025年；Tamoor和Zhang，2025年）、渔业（Thapa等人，2025年）、工业（Digalwar等人，2020年）和水处理（Aliewi等人，2017年；Baltrocchi等人，2024年）。目前，许多研究仅从单一维度（如环境或经济绩效）评估海水淡化。生命周期评估（LCA）被认为是评估环境可持续性的有效方法（Fayyaz等人，2023年；梁等人，2022年；Tinoco等人，2022年）。这些关于海水淡化的LCA文献一致指出，能源消耗是主要负担，远超过其他运营阶段的贡献（Baltrocchi等人，2024年；Gao等人，2021b；梁等人，2022年）。经济评估可用于识别技术的经济缺陷，从而为优化其结构和提高其长期经济可持续性提供依据（Sola等人，2021年）。将总成本分为资本支出和运营支出有助于揭示技术经济绩效的关键决定因素。先前的研究表明，能源消耗和设备更换是水生产成本的主要组成部分（Gao等人，2021a；Pinto和Marques，2017年；Valladares Linares等人，2016年）。相比之下，海水淡化技术的社会影响尚未得到充分评估。大多数研究使用问卷调查等方法，这些方法主要依赖于主观反馈，容易受到不确定性的影响，并使定量分析更加困难（J. Li等人，2018年）。支付意愿（WTP）方法将环境和社会影响转化为可测量的货币价值，从而可以从更广泛的社会视角量化这些成本（Pizzol等人，2015年）。目前，WTP方法已在包括食品（黄等人，2022年）、废物管理（Q. Wang等人，2019年）和循环产品（Pretner等人，2021年）等多个领域得到广泛应用。然而，其在海水淡化中的应用仍然有限。

许多可持续性评估框架需要为各个指标分配不同的权重，以实现多维度综合分析。因此，权重方案的选择会显著影响最终评估结果（Das等人，2025年；Taheri等人，2025年）。然而，这类研究相对较少。例如（Shahabi等人，2017年），结合数学工具与LCA来确定海水淡化系统的最佳类型和位置（Wang等人，2019年，Wang等人，2019年），使用层次分析法（AHP）和TOPSIS对淡化技术进行排名，并表明不同决策者的偏好（即不同的权重结构）可能导致不同的排名结果。但他们通常分别考虑环境和经济维度，很少将社会影响整合到统一的决策框架中。

由于海水淡化是一个能源和成本密集的过程，单维度评估不足以准确反映某种技术的真正可持续性。同时考虑海水淡化的环境、经济和社会维度的综合可持续性评估仍然相对有限。现有研究通常专注于单一维度（例如环境或经济），这些维度难以纳入比较评估。此外，不同权重方案对不同淡化技术比较可持续性性能的影响尚未得到系统探索。

为了解决这些差距，本研究开发了一个全面的可持续性评估框架：（i）结合生命周期评估、生命周期成本核算和支付意愿分析，以一致的生命周期为基础量化环境、经济和社会影响；（ii）将该框架应用于两种代表性海水淡化技术——反渗透（RO）和低温多效蒸馏（LT-MED），以评估其可持续性潜力并为淡化项目的实施提供指导；（iii）采用熵权重与AHP权重方法相结合的方法构建可持续性指数，并研究不同权重情景对两种选项相对排名的影响。

本文的其余部分安排如下。第2节描述了LCA、LCC和WTP分析的系统边界、清单数据和方法论方法，以及可持续性指数。第3节介绍了RO和LT-MED项目的案例研究，并报告了环境、经济和社会评估的结果。同时讨论了在不同权重情景下的综合可持续性评估及其对淡化项目实施的影响。第4节总结了本研究，第5节提出了对未来技术和研究方向的建议。

部分摘录

方法论

图1展示了本研究开发的整体评估框架。首先通过LCA量化环境影响，然后使用生命周期成本核算（LCC）评估水生产成本及相关收入和风险。在此基础上，将RO和LT-MED的这三个维度的结果进行整合，并采用结合熵权重方法的复合权重方案。

环境影响评估

使用ReCiPe 2016；Huijbregts等人（2017）进行了生命周期影响评估（LCIA），以识别关键的影响因素和贡献者。图4展示了RO和LT-MED淡化在18个影响类别中的特征结果。环境负担在生命周期各阶段的分布高度不均。平均而言，电力消耗占总影响的47%，其次是化学品使用（约26%）和超滤膜

结论

本研究开发了一个综合可持续性评估框架，将生命周期评估、生命周期成本核算和支付意愿分析结合成一个单一的可持续性指标。该指标用于比较反渗透和利用废热驱动的低温多效蒸馏的可持续性表现。

研究发现，能源消耗是大多数环境影响的主要因素。对于反渗透而言，电网电力尤为重要，而使用

未来发展和研究限制

根据研究结果，未来的工作应重点推进海水淡化技术的改进、系统规划和政策设计。在技术方面，首先需要确保清洁能源供应，并通过开发低毒性的可生物降解添加剂来改进化学品管理和膜材耐久性。对于热法淡化，使用替代消泡剂可以帮助减少相关的毒性影响。此外，在有废热条件的情况下具有明显优势

作者贡献声明

梁明辉：撰写——初稿、可视化、方法论、形式分析、概念化。于春雪：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理。黄霞：验证、方法论、数据管理。苏美荣：监督、项目管理、资金获取。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52388101、52522904、72004035）和广东省基础与应用基础研究基金（编号：2022A1515140058）以及国家自然科学基金（资助编号：42277488）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。