淺談海水淡化濃鹽水的影響及利用

李 皞，龍 瀟，劉克成

(河北省電力研究院 石家莊 050021)

我國是一個嚴重缺水的國家。據調查顯示，目前全國660多個城市中，有400多個城市缺水，其中100多個為嚴重缺水城市。北京、天津、河北、山東和上海等沿海省市，人均水資源擁有量更不足500 m3，屬極度缺水地區(qū)，再加上沿海項目對工業(yè)淡水需求不斷增大，向海洋取水成為當前解決水資源問題最佳途徑［1］，海水淡化作為水資源供給的一種重要途徑已得到廣泛認可。

1 海水淡化處理方式

海水淡化是指分離海水中鹽和水的技術過程。通過脫除海水中的大部分鹽類，使處理后的海水達到生活和生產用水的標準。根據實現(xiàn)過程，海水淡化技術主要分為熱法和膜法。按照分離原理，海水淡化技術則主要分為蒸餾法、反滲透法、電滲析法、冷凍法和電容吸附法等［2－5］。

(1)蒸餾法。即是將海水中的水分，用特定措施蒸發(fā)并凝結收集的方法。按照采取措施的不同，又分為多級閃蒸、低溫多效蒸餾和壓汽蒸餾等方法。多級閃蒸法的原理是將原料海水加熱到一定溫度后引入閃蒸室，由于該閃蒸室中的壓力控制在低于熱鹽水溫度所對應的飽和蒸汽壓的條件下，故熱鹽水進入閃蒸室后即成為過熱水而急速的部分氣化，從而使熱鹽水自身的溫度降低，所產生的蒸汽冷凝后即為所需的淡水。低溫多效蒸餾是將一系列的水平管噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來，用一定量的蒸汽輸入，通過多次的蒸發(fā)和冷凝，后面一效的蒸發(fā)溫度均低于前面一效，從而得到多倍于蒸汽量的蒸餾水的淡化過程。壓汽蒸餾是指海水預熱后，進入蒸發(fā)器并在蒸發(fā)器內部分蒸發(fā)，所產生的二次蒸汽經壓縮機壓縮提高壓力后引入到蒸發(fā)器的加熱側，蒸汽冷凝后作為產品水引出，如此實現(xiàn)熱能的循環(huán)利用。

(2)反滲透法。當海水與淡水以半透膜隔開時，淡水會自動向海水一側滲透，若在海水一側施加大于海水滲透壓的外壓，海水中的純水將反滲透至淡水中。在RO過程中，起作用的半透膜可看作是非孔屏障，水和溶質溶解在膜內，靠濃度梯度和壓力梯度擴散過去。進料海水經預處理去除懸浮固體及其他有害物質后，經高壓泵增壓后進入膜脫鹽設備，產出的中間淡水進入后處理設施，精制成產品淡水，濃鹽水自膜脫鹽設備排出。

(3)電滲析法。電滲析是利用多組交替排列的陰、陽離子交換膜進行脫鹽的過程。這種膜具有很高的離子選擇濾過性，陽膜排斥水中陰離子而允許陽離子濾過，陰膜排斥水中陽離子而允許陰離子濾過。在外加直流電場的作用下，淡水室中的離子作定向遷移，陽離子穿過陽膜向負極方向運行，并被陰膜阻攔于濃水室中，然后隨濃水排放掉。陰離子穿過陰膜而向正極方向運動，并被陽膜阻攔于濃水室中，然后隨濃水排放掉。

(4)冷凍法。冷凍海水使之結冰，在液態(tài)淡水變成固態(tài)冰的同時鹽被分離出去。冷凍法需要消耗許多能源，得到的淡水味道卻很差，難以在生活用水中使用。

(5)電容吸附法。利用大表面積的導電材料通電，在正負電極表面分別吸附海水中的負、正離子，從而使流過電極間的海水淡化。

目前世界上應用最廣泛的海水淡化技術，是多級閃蒸、低溫多效蒸餾以及反滲透法。在國內，低溫多效蒸餾和反滲透法則是海水淡化工程中應用最多的技術。應該說，這三種技術在不同的發(fā)展階段來說，都有其得以勝出的優(yōu)點。在當今世界的低碳觀念主導下，耗能較低，一次投資較低，造水成本較低的反滲透法，必將成為將來海水淡化發(fā)展的主導技術;而低溫多效蒸餾，則因其技術門檻較低，且可通過與電力、石化企業(yè)的聯(lián)產，增加能源利用率，降低造水成本的優(yōu)勢，而成為未來一段時間內反滲透法的有力競爭者。

2 海水淡化濃鹽水對環(huán)境的影響

無論采用熱法還是膜法進行海水淡化，均不可避免的會產生濃鹽水。目前濃鹽水一般是不經處理直接排回大海，這些濃鹽水會對海洋環(huán)境造成一定的影響。

2.1 溫度對海洋環(huán)境的影響

采用熱法進行海水淡化時，濃鹽水因其溫度較高會造成海水局部溫度升高而影響海水的物理性質，并直接或間接導致水質惡化，主要原因如下。

(1)濃鹽水排放后導致局部海水水溫升高，溶解氧含量降低［6］，而水中生物需氧量增加，水中生物處于缺氧狀態(tài)。細菌呼吸作用隨生物體耗氧量的增加和水溫的升高而加強，這共同導致了海洋生態(tài)系統(tǒng)中的缺氧癥和組織缺氧癥，這種現(xiàn)象在夏季尤為明顯。

(2)水溫較高的濃鹽水會加快水生動物的新陳代謝速率，改變生物的生理和行為特征，進而引起生物在生理和行為方面的相應變化。

(3)水溫較高的濃鹽水會降低氮的溶解度，導致海洋初級生產力的降低，并致使生物呼吸作用、生物結構、水體營養(yǎng)動力以及次級生產力等發(fā)生改變;會降低浮游植物的光合作用速率，使正常藻種被劣質藻種取代，導致種群多樣性的降低;會影響浮游動物的新陳代謝，導致其生長速度降低和生物數量減少;會影響魚類的游速，從而改變魚類的分布。

2.2 鹽度對海洋環(huán)境的影響

根據物料平衡計算可知，反滲透海水淡化所排放的濃鹽水濃度一般為進料海水的2倍，低溫多效蒸餾法海水淡化產生的濃鹽水濃度一般為進料海水的1.5倍，若這些濃鹽水排放方式不當，將導致排放海域鹽度的升高。以膠州灣為例［7］，按海水淡化水產量20萬m3/d，膠州灣海水交換周期60 d計算，若產生的濃鹽水全部排入膠州灣，則膠州灣的平均鹽度將每年上升約0.3個鹽度單位，30a后膠州灣的平均鹽度將超過40a，與死海的鹽度相當。

鹽度是海洋生態(tài)環(huán)境中最重要的生態(tài)因子之一，其對生物的生長、發(fā)育、生殖、行為和分布均有直接或間接的影響。大部分海洋無脊椎動物和某些軟骨魚類屬于等滲動物，其血液和體液含鹽量與海水含鹽量相近;而變滲動物(如硬骨魚類)的血液鹽含量僅為環(huán)境海水含鹽量的30%～50%。當環(huán)境鹽度變化時，就會出現(xiàn)滲透過程。因此，當環(huán)境鹽度驟然升高時，那些沒有滲透調節(jié)機制的海洋生物體細胞就可能產生質壁分離，從而發(fā)生代謝失調甚至死亡。海洋生物通過細胞內外的離子轉運機制來維持細胞內結構組分的動態(tài)平衡，維持滲透壓的穩(wěn)定，從而能適應一定范圍內的鹽度波動并得以生存［8］。例如硅藻類，對高鹽度有一定的適應能力，但是一些地區(qū)排放的濃鹽水，往往超出其適應范圍。

另外海水局部鹽度的增加會引起水體分層［6］，從而阻止光的穿透并破壞光合作用，擾亂生物鏈系統(tǒng)，造成深海物種、幼蟲和幼小個體的滅亡。一些地區(qū)排放的濃鹽水由于密度較大，易在排放口附近形成高鹽區(qū)域。

2.3 濃鹽水中的化學藥劑對海洋環(huán)境的影響［9］

海水淡化前和淡化過程中要加入多種化學藥劑，如殺菌劑、混凝劑、阻垢劑、緩蝕劑、消泡劑和還原劑等，海水淡化裝置還會定期進行酸堿清洗，這些藥劑會隨著濃鹽水排入海水中，對海洋環(huán)境造成一定的影響。其中殺菌劑會導致次氯酸根離子的形成從而破壞生物體的正常酶代謝過程，可能導致受影響海域稀有物種的遷移;阻垢劑中磷酸鹽類的應用會導致海域富營養(yǎng)化，并增加赤潮發(fā)生的可能性;消泡劑會破壞海洋生物體細胞內膜系統(tǒng)，可與鹵素生成致癌物質和誘變劑;還原劑可大大降低排放區(qū)海水中溶解氧濃度;酸會改變排水口附近海水的化學組成，影響海域生物體的遷移，降低生物多樣性。

綜上所述，排放濃鹽水的溫度、鹽度和化學藥劑等會影響海洋環(huán)境，對海洋水質、生態(tài)環(huán)境和海洋生物產生不利的影響。

3 海水淡化濃鹽水的利用

鑒于濃鹽水對海洋環(huán)境的影響，根據發(fā)展循環(huán)經濟、加強海洋環(huán)境保護的要求，在淡化技術成熟并投入推廣應用以后，濃鹽水利用技術的開發(fā)成為重要課題。

海水淡化副產物濃鹽水中富含鈉、鉀、溴、鎂和鋰等有用物質，且多為陸地緊缺的礦物資源［10］。由于在濃鹽水中這些化學組分的濃度約為海水濃度的2倍，因此，獲取相同化學資源的處理量僅為海水直接處理量的一半，可顯著降低提取成本。此外，利用濃鹽水進行化學資源提取不需要另外設置取海水和加氯殺菌等預處理設備，可大大節(jié)約投資和工程造價，并且，海水淡化操作過程中產生的濃鹽水的溫度、流量參數穩(wěn)定，便于化學資源提取過程中的穩(wěn)定操作。因此，對淡化副產物濃鹽水進行化學資源的綜合利用是十分必要的。

3.1 濃鹽水制鹽

海水日曬制鹽是我國的傳統(tǒng)產業(yè)，該方法工藝簡單，技術成熟，節(jié)能環(huán)保，生產成本低，但產品質量較差，產品海鹽主要作為氯堿工業(yè)及純堿的生產的原料。日曬法也是濃鹽水制鹽最經濟的方法?！昂Ｋc制鹽的銜接技術”已由天津科技大學和海晶集團合作研究成功，可以保證淡化濃鹽水日曬制鹽的質量符合工業(yè)鹽國標要求［11］。

3.2 濃鹽水提鉀

經過二十多年的努力，由我國自主研發(fā)“改性沸石離子篩提鉀核心技術”［10］，成功地突破了海水中鉀的高選擇性、高倍率富集和鉀肥的高效、節(jié)能分離等一系列關鍵技術難題，開發(fā)出沸石離子篩法海水提取鉀肥高效節(jié)能技術，并成功地完成了百噸級中試和工業(yè)試驗，獲得了可供大規(guī)模推廣的產業(yè)化技術。研究結果表明，本技術海水中鉀的富集率達200倍，鉀肥產品質量達進口優(yōu)質鉀肥標準，生產成本則較進口鉀肥降低20%，從而在國際上率先實現(xiàn)了海水提鉀過技術經濟關。應用該技術成果的1萬t/a海水提取硝酸鉀工程已于日前建成投產，河北、山東等地企業(yè)也在積極籌建海水提鉀萬噸級產業(yè)化工程。因此采用濃度更高的濃鹽水提鉀將會獲得更大的經濟效益。

3.3 濃鹽水制溴

劉立平等［12］采用酸法空氣吹出提溴法對北疆電廠排出的濃鹽水制取工業(yè)溴的可行性進行了研究，研究結果表明:①以北疆電廠排出的濃鹽水為原料使用酸法吹溴工藝是可行的。利用濃鹽水的溫度可實現(xiàn)常年連續(xù)生產，對提高海水資源的利用率，滿足國內工業(yè)溴原料的需求，意義重大。②以濃鹽水為原料可以適當降低氣液比，降低吸收液的排出濃度，可以起到節(jié)能的效果，降低生產成本。

3.4 濃鹽水制鎂

海水淡化過程中排放的濃鹽水富含鎂離子，約1.8～3.2 g/L，利用淡化后濃鹽水制取高附加值的氫氧化鎂是海水綜合利用的重要途徑之一，同時也解決了濃鹽水的排放問題［13］。馬敬環(huán)等［14］以反滲透淡化技術得到的濃鹽水為原料，在一定條件下通過純堿除鈣、氫氧化鈉沉淀、陶瓷膜分離洗滌、離心過濾和真空干燥等工藝制得了純度較高的納米級氫氧化鎂粉體材料。其中以氧化鎂計算的產品純度為67.9%，氧化鈣質量分數為0.2%，粒子粒徑在100 nm以下，其中陶瓷膜分離和洗滌技術的應用使納米級氫氧化鎂在陶瓷膜內受到巨大的剪切力作用，可以有效地解決傳統(tǒng)合成方法中納米氫氧化鎂易團聚和難過濾的問題。

相對于雜質組分含量較多的苦鹵，濃鹽水更容易制備出高純鎂鹽產品，但存在鈣雜質的去除問題，衣麗霞等［15－16］對淡化后濃鹽水制備高純氫氧化鎂中鈣雜質的去除問題進行了詳細的研究，在最適宜工藝條件下鈣離子的去除率達80%以上，為濃鹽水制備性能優(yōu)越的氫氧化鎂粉體材料奠定了基礎。

4 結束語

海水淡化已成為沿海地區(qū)解決水資源問題的重要途徑，而海水淡化濃鹽水的溫度、鹽度和化學藥劑會對海洋環(huán)境造成一定的影響。目前國內已經對濃鹽水的綜合利用開展了多方面的研究，與海水相比，從濃鹽水中提取鈉、鉀、溴、鎂和鋰等有用物質具有明顯優(yōu)勢，加強濃鹽水利用對于促進循環(huán)經濟發(fā)展，保護海洋環(huán)境具有重要的作用。

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