沙特阿拉伯是石油生产大国，日产原油1000万桶。这其中的1/4(280万桶)都用于国家的能源需求，而由于国家严重缺水，海水淡化厂的能耗需要占用其中的150万桶。有预测成，按这样的速度，到2021年沙特可能会因此变成石油进口国。为此沙特政府开展了一系列节能降耗的创新项目，其中包括在位于沙特东北部的边境小镇海夫吉(Khafji)建一座高新科技的海水淡化厂。
这座在建中的海水淡化厂被称为全球首座大规模的太阳能发电海水淡化厂。该项目于2015年立项，由沙特AWT公司(Advanced Water Technology, AWT)与西班牙可再生能源集团公司Abengoa联合开发，投资1.3亿美元，在2017年底完工。该厂第一期的日处理能力为60000m³/天，能够满足15万人的用水需求，并计划在第二期新增90000m³/天的处理量。AWT是沙特阿拉伯王国阿卜杜拉阿齐兹国王科技城(King Abdulaziz City for Science and Technology ，简称KACST)的商业分公司，由沙特技术开发和投资公司Taqnia控股。
▲ 项目地点的卫星示意图
▲ Abengoa与KACST的签约仪式
据介绍，该厂白天的电能来自厂区南边的一个15MW高效能的CPV聚光光伏发电站，到了晚上则使用电网供电。由于光伏发电厂给电网输送的电量超过晚上海水淡化厂使用的电量，所以该海水淡化厂被视作全球首座零碳排放的海水淡化项目。
▲ 海水淡化厂的昼夜供电模式
海水淡化厂介绍
这个新的海水淡化厂建在一个现有反渗透海水淡化厂旁边，占地面积约17.5公顷。太阳能面板组将安装在距离海水淡化厂1公里以外90公顷的土地上。
▲ 新旧海水淡化单元设计图
这个海水淡化厂包含一个中央控制室、一个溶气气浮单元系统(DAF)、一个两段式的超滤单元(UF)、一个自动加药控制系统、一个反渗透单元(RO)，以及储存罐单元(二氧化碳、氯和石灰)。
▲ 新海水淡化厂的工艺组成
反渗透单元分为六条平行线，通过一套能耗优化系统，所有电机都由变频器控制，能适应太阳能供电水平的变化作出优化调整。该项目使用新型纳米反渗透膜，其抗氯腐蚀、除盐和防止微生物积累的性能都很高。这是KACST和IBM公司6年联合研究的成果。另外根据该地区的海水特性，在反渗透单元之前配备预处理单元，大大降低盐度和去除进水的油脂。
太阳能发电站介绍
Al Khafji海水淡化项目除了海水淡化厂，还包括一个CPV超高聚光光伏电站来为海水淡化单元提供电力。使用可再生能源能够减少运行费用和减少温室气体排放。这个中压太阳能发电站使用多晶光伏太阳能电池板，也是由KACST旗下的团队设计研发，发电功率为15MW，跟海水淡化厂和国家电网相连。它的发电量在最高负荷运行时足够满足海水淡化单元的能耗需求。通过一套跟踪技术，海水淡化单元的产能与太阳能发电站运行负荷匹配，进一步提高能效。
▲ 超高能聚光光伏发电站
水处理工序细节
沙特阿拉伯东部海水情况复杂，这里盐度很高，而且还含有油脂、季节性赤潮、水母，所以在进行反渗透过滤前，需要进行一系列预处理工序：
海水首先进入一个装有水母过滤装置的取水塔，这个取水塔距离厂房6公里以外的水域，同时还备有石油泄露污染警报浮标。
▲ 取水塔和事故警报浮标
厂房的泵房将海水运至厂区，并作初步消毒:
随后进入DAF溶气气浮单元，去除油脂和其他初始进水中的固体。
为了防止反渗透膜的堵塞，经过DAF单元的出水还会先进入两段式的UF超滤单元进一步去除海洋微生物和其他污染物。
最后再用两段式反渗透来去除海水中的溶解性杂质和盐，这套设备还有能量回收系统。
耐心打造的新行业
沙特阿拉伯建造这座太阳能发电的海水淡化厂的原因之一是想确保地区的供水安全，也就是说即使该地区的贸易线遭封锁或者能源供应中断，海水淡化厂的供电也能自给自足，为该地区的居民全年提供稳定饮用水保障。
但如果仅为如此的话，据称这厂本可以早5年落成。沙特王国之所以“一拖再拖”，是因为他们想得更加长远。他们想将本国经济变得更加多元化，围绕海水淡化行业创造更多就业，培养一批企业，将它打造成沙特新的出口行业。所以他们宁愿“慢工出细活”，完善工艺技术，让它更加适应中东市场的需求。
正如上边介绍提到的，该项目使用的反渗透膜和光伏发电材料都是为中东的严酷环境专门研发制造的。目前海水淡化技术分为反渗透法和热法，全球70%的热法淡化厂都已经改用反渗透工艺，但是在沙特和其他中东国家，热法淡化依然是主流，因为老式的反渗透膜不能适应红海和波斯湾地区的高盐度。这座在建中的新厂采用的是为该地区专门研发的纳米膜，不仅能应付该地区的高盐度，还因此降低了系统所需的能耗，IBM认为这款新型膜的抗污染性能更好。
除了膜材料的创新之外，配套的聚光光伏发电系统也加入了为沙漠环境研发的新型冷却机制，大大降低了系统中断和日常维护的几率，并为此搭建了专门的生产线。
项目相关人员乐观表示，这两个创新点将使海水淡化成本变成更加低廉，甚至有一天能便宜到用它来生产农业灌溉用水。
