為應對氣候變化對本地集水的極端影響,水務署正發展海水化淡這項策略性的水資源,並已開展興建將軍澳海水化淡廠第一階段工程。
要將海水轉化成適合飲用的淡水,原理是將海水中的鹽份及雜質除去;所以海水化淡也是一種過濾技術,只是水源並非雨水或河水,而是佔全球總水體97.5%的海水。正因如此,海水化淡是眾多水資源選項中,少數不受氣候變化影響的水資源。為了提升本港食水供應的應變能力,將軍澳海水化廠淡第一階段將於2023年開始啟用。
其實香港早於1975年已興建當時全世界規模最大的樂安排海水化淡廠,並以石油作為燃料,它採用「多階段降壓蒸餾法」技術,原理和蒸餾咖啡機相似。然而,有關技術的能源消耗量高,成本昂貴,只會在降雨量不足的時期使用。到了1980年代,全球出現石油危機,海水化淡成本亦因而大幅上升,政府最終在1982年起停用該海水化淡廠。時至今天,海水化淡技術已日趨成熟,除了傳統靠熱能推動的方法外,還有目前全球最先進的逆滲透技術,這亦應用於將軍澳海水化淡廠。
逆滲透技術是透過使用特別的過濾膜來生產淡水。與傳統用熱能推動的技術比較,逆滲透技術所消耗的能源較少,而且淡水回收率較高。每生產一噸淡水,只需2.5噸至3.2噸海水。受惠於新技術普及,海水化淡的成本亦逐步下降,目前將軍澳海水化淡廠生產食水的單位成本約為每立方米13元,當中包括建造成本、運作成本、食水運送及客戶服務等支出,與海外單位的生產成本相若,不過與現時由東江水及本地集水所生產的食水相比,成本仍高出三成。
半滲透薄膜的特點
雖然逆滲透技術使用半滲透薄膜阻隔雜質,看起來與過濾技術相似,但它卻比一般過濾技術優勝。一般過濾使用有疏孔的介質,它容許水分子和其他溶於水的物質一併流過,只阻隔體積較大的雜質,因而將原水和已過濾的水相比,它們當中的化學成份幾乎沒有大分別。
至於逆滲透技術中使用的半滲透薄膜,膜上佈滿的孔眼極之微細,直徑約只有0.1納米(即約為頭髮絲的百萬分之一大小),只有水分子及微量的礦物離子才能通過,故此可以阻隔海水中的鹽份、雜質及其他有害物質。
逆滲透原理
所謂薄膜海水化淡技術,是利用半滲透薄膜阻截為機制除去雜質,用的卻是滲透原理。
在大自然界,當兩種不同濃度的液體被半滲透薄膜分隔時,因為滲透壓力差異,水分子會由較稀釋的一方,通過半滲透薄膜,流向濃度較高的一方,直至達到滲透平衡,這種自然現象名為「滲透」作用。
所謂逆滲透,就是讓水的流向逆轉,方法是在濃度較高的一邊施加壓力,只要壓力大於滲透壓力,便可以迫使水分子通過半滲透薄膜流向較稀釋的一方,除去了鹽分及雜質。
將軍澳海水化淡廠
將軍澳海水化淡廠位於將軍澳137區,佔地8公頃。這裡毗鄰現有供水網絡,海水較少受珠江三角洲的沉澱物影響,水質適合化淡作食水用途。第一階段將軍澳海水化淡廠可生產的食水產量為每日13.5萬立方米,擴建後可增加至每日27萬立方米,相等於本港5%至10%的食水用量。
將軍澳海水化淡廠鄰近大廟灣和清水灣郊野公園,廠房在各個設計及建造環節亦特意融入可持續發展的環保概念,例如採用太陽能等可再生能源、低耗能工序、收集雨水作園藝灌溉用途及儘量擴大綠化面積等,以提升能源效益。此項目獲得「綠建環評」新建建築暫定鉑金級認證。
除了善用化淡廠屋頂所安裝1,832塊光伏板外,水務署正計劃在化淡廠附近的新界東南垃圾堆填區建設大型太陽能發電場,預計落成後每年為化淡廠提供高達10兆瓦的可再生能源。
此外,海水化淡廠這項水務設施亦已納入成為水務署供水策略的一種新水源,更是往後規劃水務基礎建設的一個選項,特別在一些偏遠而臨近海旁的地區。水務署現正規劃交椅洲人工島的供水策略,並會仔細研究在島上設置海水化淡廠的可行性及運作效益。 將軍澳海水化淡廠是香港首個採用嶄新「ActiDAFF」預處理工藝的食水處理設施。「ActiDAFF」結合了「溶氣浮選」(Dissolved Air Flotation)及「過濾工藝」(Filtration),前者置於過濾池的頂部,令浮選過後的水直接流向下方的過濾池,從而減少化淡廠的佔地面積。海水經過處理後,去除其中較大的粒子和有機物質,有助減少薄膜積垢,保護及延長其使用年期。
海水化淡工程的嶄新技術與前瞻
「對於我這個工作了30多年的工程師來說,可以參與興建將軍澳海水化淡廠,實在很興奮。畢竟這項工程龐大,而且應用了很多嶄新技術,我們同事與整個顧問公司及工程承辦商團隊都非常投入。」設計及建設科高級工程師林國泉說。
逆滲透海水化淡技術在外國已相當成熟,在香港用作食水供應卻是首次。對於水務署工程人員來說,「第一次」意味着一連串學習、解難、創新與經驗累積的過程。
是項工程採用設計、建造、運作(Design-Build-Operate)合約模式,讓將軍澳海水化淡廠成為香港第一個由承辦商營運的水務設施,「這樣的安排是希望可以引入海外專家的經驗及技術,水務署同事將會與承辦商組成團隊共同運作海水化淡廠,期望透過大家合作與交流,讓我們累積經驗,推動技術轉移。」
經驗固然重要,但工程總會有意料之外的挑戰和難題,例如建造期只有39個月,首個月就遇上第一波新冠疫情,「承辦商團隊成員來自西班牙、澳洲、英國等國家,各人辦理簽證、申請工作證需時。由於工程建造時間緊迫,我們本身已在研究如何加快團隊之間的磨合,碰上疫情,讓審核海水化淡廠設計的工序電子化更順理成章。」項目採用了共通數據環境(Common Data Environment),利用這個電子化平台,參與項目設計審核的全部成員均可以在同一個平台修改設計,方便比較及追蹤修訂,讓成員更全面理解各人的設計理念及修改背後的原因,同時亦減少因太多電郵往還而出錯或遺漏的機會。
為了加快項目工程進度,當項目還在設計階段時,團隊已著手研究如何應用可供製造及裝配的設計(Design-for-Manufacture Assembly, DfMA),它是一種著重易於製造和裝配效率的主動設計方法,有助提高興建效率,「房屋署早年已引入預製組件建築,但水務設施與公共房屋不同,重覆性較少,於是我們想,機電設備是否可以應用到DfMA呢?」
是次海水化淡廠的逆滲透工藝會在12組大型壓力容器組件內進行,其中初階逆滲透涉及8組組件,每組裝有236條壓力管道,二階逆滲透涉及其餘4組組件,每組裝有28或84條壓力管道。如果沿用以往的施工程序,需要在逆滲透大樓的結構工程完成後,再運送並組裝2,336條壓力管道。應用DfMA後,壓力管道的組裝工作預先在內地廠房完成,再用躉船運送至香港。每組裝有236條壓力管道的壓力容器組件高9米、長8米、深9米,重約90噸。為了配合這個組裝工序,逆滲透大樓的建造方式便需要調整,先建好大樓結構框架,讓壓力容器組件運入後,才安裝外掛式預製牆板。林國泉指,這樣的安排讓部份工序得以同步進行,縮短建造工程時間之餘,亦減少了現場組裝帶來高空工作的安全風險,「部門對於創新科技持開放態度,特別在應用於工地安全及DfMA等方面,這次建造經驗對於往後的水務項目有很大的參考價值。」