海水淡化工程對環(huán)境的影響及其應對

寇希元 苗英霞 陳進斌 任華峰 韓家新

摘要：為促進我國海水淡化產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，文章分析海水淡化工程對環(huán)境的影響，重點分析濃海水對海洋生態(tài)環(huán)境的影響，并提出應對措施。研究結(jié)果表明：海水淡化工程在能耗、排污、用地、取水和噪音等方面對環(huán)境產(chǎn)生影響，尤其是海水淡化產(chǎn)生的濃海水，在溫度、鹽度、有機物和營養(yǎng)鹽、重金屬、酸度、余氯、溶解氧以及機械卷載效應等方面嚴重影響海洋生態(tài)環(huán)境和海洋生物，亟須高度關(guān)注和深入研究;隨著我國海水淡化產(chǎn)能的增加，應完善海水淡化技術(shù)、優(yōu)化濃海水排放和加快濃海水綜合利用，同時健全相關(guān)法律法規(guī)和標準規(guī)范。

關(guān)鍵詞：濃海水;海洋生物;海水質(zhì)量;反滲透法;海洋生態(tài)環(huán)境

中圖分類號：P746;P747;X171.1? ? 文獻標志碼：A? ?文章編號：1005-9857（2019）06-0080-05

The Environmental Impact and Countermeasures of Seawater Desalination

KOU Xiyuan，MIAO Yingxia，CHEN Jinbin，REN Huafeng，HAN Jiaxin

（The Tianjin Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization，MNR，Tianjin 300192，China）

Abstract：In order to promote the sustainable development of desalination industry，the paper analyzed the impact of seawater desalination plant on the environment，especially the impact of concentrated seawater on the marine ecological environment.The countermeasures were put forward，accordingly.The results showed the seawater desalination plant impacting the environment by its energy consumption，sewage，land use，water intake and noise，especially by its byproduct of concentrated seawater，which endangered the marine ecological environment and marine organism on temperature，salinity，organic matter and nutrients，heavy metals，acidity，and Chlorine，dissolved oxygen and mechanical coiling effects.In China，with the increasing capacity of seawater desalination，enough attention and intensive studies should be focused on seawater desalination，the technology of seawater desalination should be improved，the seawater discharge should be optimized and the comprehensive utilization of concentration seawater should be accelerated when the relevant laws，regulations and standards are further strengthened.

Key words：Concentrated seawater，Marine organism，Seawater quality，Reverse osmosis method，Marine ecological environment

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的全面發(fā)展和人民生活水平的逐步提高，淡水需求量急劇增加，淡水資源日益緊缺。海水淡化因不受氣候和時空條件限制，成為解決我國沿海地區(qū)淡水供給問題的重要方法，在部分海島地區(qū)甚至是唯一的有效方法[1-2]。

目前國際商業(yè)化應用的主流海水淡化技術(shù)分為熱法和膜法2種類型，其中熱法主要為低溫多效蒸發(fā)工藝和多級閃蒸工藝，膜法主要為反滲透工藝。截至2016年年底，我國已建成海水淡化工程131個，總規(guī)模達118.8萬t/d，應用反滲透工藝、低溫多效蒸發(fā)工藝和多級閃蒸工藝的海水淡化工程分別占總規(guī)模的68.40%、31.07%和0.50%[3]。

隨著我國海水淡化產(chǎn)能的快速增加，其對環(huán)境的影響逐漸被關(guān)注。尤其是海水淡化過程中產(chǎn)生的濃海水，大量直接排放入海對海洋生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視，有必要加以研究和應對。

1 海水淡化工程對環(huán)境的影響

海水淡化設備運行須消耗能量，能耗是海水淡化最主要的成本。熱法海水淡化系統(tǒng)的能耗較高且能量利用效率較低，而帶有能量回收裝置的反滲透海水淡化系統(tǒng)的能耗較低。大部分海水淡化工程采用電能作為能量來源，在發(fā)電過程中燃燒化石燃料可能產(chǎn)生非甲烷類揮發(fā)性有機化合物等物質(zhì)，如處理不當可能污染大氣環(huán)境。目前太陽能、風能、海洋能和核能等新能源海水淡化技術(shù)仍處于研發(fā)階段且不夠成熟，僅在一些海島等特殊地區(qū)有少量示范工程，是海水淡化技術(shù)的研究方向之一。

此外，海水淡化工程施工期的管線開鑿、廠房建設和設備安裝等活動可能產(chǎn)生懸浮物、含油污水和固體廢棄物等，如處理不當可能污染近岸海域的海洋生態(tài)環(huán)境。海水淡化廠區(qū)和輔助設施建設占用土地，導致海岸帶工業(yè)化加速，濱海自然景觀被破壞，影響當?shù)厣鐣瞽h(huán)境。海水取水工程可能影響海水交換和沉積物運動[4]，降低海水透明度和真光層深度。為防止結(jié)垢和腐蝕，熱法海水淡化系統(tǒng)在脫氣過程中會產(chǎn)生二氧化碳，排入大氣可能產(chǎn)生溫室效應。反滲透海水淡化系統(tǒng)的高壓泵和能量回收裝置運行時產(chǎn)生的噪音超過90 dB，可能影響周邊居民生活環(huán)境。埋設于地下的海水輸送管道如破裂，造成的滲漏可使海水進入地下蓄水層，導致地下水污染[5]。海水的預處理過程可能產(chǎn)生含鹽污泥等固體廢棄物，反滲透膜組件的定期更換也可能產(chǎn)生含化學物質(zhì)的固體廢棄物，如處理不當可能污染周邊環(huán)境。

2 濃海水對海洋生態(tài)環(huán)境的影響

海水淡化是從天然海水中分離淡水的過程，在此過程中，只有不到50%的海水變?yōu)榈?，其余海水以濃海水的形式排放[6-7]。目前我國海水淡化產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展初期，濃海水排放量較低，對海洋生態(tài)環(huán)境的明顯影響尚未見報道。隨著我國海水淡化規(guī)模的不斷擴大，亟須重視濃海水排放對海洋生態(tài)環(huán)境的影響。

2.1 溫度

海水溫度是海水環(huán)境和海洋生態(tài)環(huán)境的重要評價指標。在熱法海水淡化的過程中，熱交換系統(tǒng)產(chǎn)生的濃海水的溫度較高，其中多級閃蒸工藝和低溫多效蒸發(fā)工藝產(chǎn)生的濃海水的溫度分別為70℃～90℃[8]和40℃[9]，而反滲透工藝產(chǎn)生的濃海水的溫度通常僅比環(huán)境溫度高3℃～5℃[10]，因此濃海水的熱污染主要由熱法海水淡化引起。

高溫濃海水顯著提高排放口附近海域的海水溫度，從而嚴重影響海洋生態(tài)環(huán)境。①改變海洋水文條件，即高溫濃海水上升到海水表面形成羽流并與冷海水混合[11]，增加附近溫躍層的表底溫差，所形成的溫躍層也更為明顯和持久[12];②降低海水黏度，從而降低其泥沙輸運能力;③加速底棲生物的新陳代謝，導致其耗氧量增加和水體缺氧;④提高海水混濁度，減少入射光線，影響浮游植物的光合作用，進而影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[13];⑤促進藻類的生長和繁殖，改變浮游植物的種類和分布，加速海水富營養(yǎng)化進程，引發(fā)赤潮等災害;⑥增加有毒物質(zhì)的毒性，即水溫達到30℃時，重金屬離子對浮游動物和底棲動物的毒性明顯增加[14];⑦高溫濃海水排放的沖擊幅度可達7.7℃，48 h內(nèi)可使50%的敏感性貝類死亡[15];⑧導致魚卵孵化失敗或畸形[16]，魚類的熱回避反應改變其洄游路線和產(chǎn)卵場位置，對其生長十分不利[14]。

2.2 鹽度

目前主流海水淡化技術(shù)的產(chǎn)淡水率仍較低，熱法海水淡化系統(tǒng)和膜法海水淡化系統(tǒng)分別為15%～50%和30%～40%[17]。而濃海水的鹽度是原海水的1.3～1.7倍，即使?jié)夂Ｋ欧藕髸幌♂?，排放口附近海域的海水鹽度仍較高。

濃海水顯著提高排放口附近海域的海水鹽度，并在一定范圍內(nèi)形成高鹽度區(qū)，從而嚴重影響海洋生態(tài)環(huán)境。Ruso等[18]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，濃海水排放口附近海域的生物群落單一，從由多毛類、甲殼類和軟體類組成的優(yōu)勢種演變?yōu)榫€蟲成為唯一的優(yōu)勢種。①引起海水分層，減少入射光線，影響浮游植物的光合作用，進而影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量流動;②減少浮游動物的種類和數(shù)量，主要是由于浮游動物幼體生活在鹽度穩(wěn)定的海水環(huán)境中，對高鹽度的耐受力較差[19];③缺乏滲透調(diào)節(jié)機制的魚類無法在高鹽度的海水環(huán)境中生存，且高鹽度可破壞魚類卵細胞與海水環(huán)境之間的物質(zhì)調(diào)節(jié)機制，造成卵細胞損傷或破裂[19];④加速甲殼類的新陳代謝，使其耗氧量增加、機能失常和免疫力降低[20]，導致其幼體死亡率提高和成體攝餌量降低;⑤改變海草細胞的葉綠體結(jié)構(gòu)，導致其葉綠素含量和酶活性降低，影響其光合作用[21]和生長，改變其群落結(jié)構(gòu)[22]和其他生物賴以生存的海草床生境，最終降低生物多樣性和破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)。

2.3 有機物和營養(yǎng)鹽

濃海水中含有有機物和營養(yǎng)鹽，一部分是海水固有并在海水淡化過程中被濃縮，另一部分由海水淡化過程中的各種化學藥劑殘留及其進一步反應所產(chǎn)生。為提高海水淡化系統(tǒng)的運行效率和保護相關(guān)組件，須對原海水進行預處理，即殺菌、除濁、脫碳、脫氧、緩蝕、阻垢、消泡、軟化和中和等。

常用的殺菌劑包括液氯、次氯酸鈉和二氧化氯，防止細菌和藻類等微生物滋生和腐蝕海水淡化裝置。氯可將穩(wěn)定的溴化物轉(zhuǎn)化為活潑的溴，形成有毒且穩(wěn)定的鹵代有機化合物，破壞海洋生物的酶代謝過程，降低其生物活性，改變其物種組成，甚至可在生物體內(nèi)累積并隨食物鏈傳遞，威脅人類健康。

常用的阻垢劑包括聚磷酸鹽、馬來酸或聚丙烯酸等，防止傳熱管和反滲透膜等海水淡化組件的表面結(jié)垢。濃海水中一般含有阻垢劑中的磷，可能造成海水富營養(yǎng)化，甚至引發(fā)赤潮。

在熱法海水淡化過程中，須加入消泡劑以去除蒸發(fā)器中的泡沫，消泡劑的主要成分為聚乙二醇類，可破壞海洋生物細胞內(nèi)膜，并與鹵素化合生成致癌物質(zhì)和誘變劑[17]。

2.4 重金屬

濃海水中含有多種重金屬，主要來源于海水淡化過程中的管道腐蝕溶出和沖洗脫落等。低溫多效蒸發(fā)工藝產(chǎn)生的濃海水重金屬含量較高，而反滲透工藝產(chǎn)生的濃海水重金屬含量較低。熱法海水淡化系統(tǒng)的傳熱管常采用銅合金、不銹鋼和鋁合金等材料，其腐蝕產(chǎn)物一般為銅、鎳、鋅、鉬、鋁和鐵等，其中銅的含量最高。

重金屬是海洋生物必需的微量元素，但含量過高可能對海洋生物產(chǎn)生毒害作用。①在生物體內(nèi)富集并隨食物鏈傳遞，威脅人類健康;②通過沉積和擴散作用進入浮游植物細胞內(nèi)部，減少細胞色素，抑制其光合作用和呼吸作用，改變其種類組成和分布等;③銅含量過高可與蛋白質(zhì)結(jié)合，使浮游植物細胞中的酶失活，限制其對硝酸鹽和硅酸鹽的吸收和利用，影響其代謝、生長和繁殖[23];④海水除濁過程中加入的鐵鹽和鋁鹽絮凝劑可能在濃海水中殘留，含量過高則對海洋生物產(chǎn)生毒性效應[24];⑤鐵含量過高可使硅藻數(shù)量迅速增加而成為優(yōu)勢種[25]，影響生物群落結(jié)構(gòu)。

2.5 酸度

海水pH值較穩(wěn)定。為防止海水淡化組件結(jié)垢，一般對原海水酸化處理，濃海水即呈弱酸性。此外，海水淡化系統(tǒng)中的過濾器、蒸發(fā)器和反滲透膜等組件須定期清洗，一般采用檸檬酸和多磷酸鈉等弱酸性清洗劑，酸性清洗廢水隨濃海水共同排放。

酸性濃海水可能降低海水pH值，造成局部海域的海水酸化現(xiàn)象，不僅影響海洋地球化學特性，而且影響海洋生物乃至整個海洋生態(tài)系統(tǒng)[26]。①碳酸鹽含量過高可能干擾海洋生物生長的鈣化過程，進而影響其聽覺、嗅覺、代謝、呼吸和繁殖的能力，破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡[27];②海水酸化與富營養(yǎng)化的耦合作用比各自單獨作用的影響更加明顯，影響浮游生物的生產(chǎn)力、行為方式、生存競爭力、種群結(jié)構(gòu)、豐度、光合作用和代謝等[28-29];③降低浮游植物對鐵的吸收量，抑制其生長。

2.6 余氯

為防止海水淡化系統(tǒng)管道內(nèi)生物的生長和附著，須在原海水中加入含氯殺菌劑，因此濃海水中可能含有余氯。為保護反滲透膜，反滲透工藝須在海水進入反滲透膜前加入還原劑以清除殘留殺菌劑，因此產(chǎn)生的濃海水余氯含量較低。余氯包括游離性余氯和化合性余氯，其中游離性余氯不穩(wěn)定，經(jīng)海水對流擴散的稀釋作用而衰減較快，而化合性余氯較穩(wěn)定。

余氯主要對海洋生物造成影響。①改變浮游植物的種類組成;②浮游動物對余氯較敏感，含量較低的余氯即可對浮游動物產(chǎn)生明顯影響;③使貝類失去附著力，破壞其呼吸膜，導致其缺氧窒息死亡;④使魚鰓組織發(fā)生病變，氧化血紅蛋白中的鐵離子，降低魚類血液還原性酶的活性和運氧能力，影響其呼吸作用[30]。

2.7 溶解氧

溶解氧含量是海水環(huán)境和海洋生態(tài)環(huán)境的重要評價指標。由于溶解氧含量隨海水溫度的升高而降低，熱法海水淡化產(chǎn)生的熱濃海水導致排放口附近海域的溶解氧含量降低;反滲透工藝清除殘留殺菌劑的還原劑的主要成分為亞硫酸氫鈉，易與海水中的溶解氧發(fā)生氧化還原反應，導致溶解氧含量降低。此外，濃海水中的氮、磷和有機物導致海水富營養(yǎng)化，加速溶解氧的消耗。

2.8 機械卷載效應

機械卷載效應主要是由于濃海水排放量較大，較快的流速與天然海水形成流速差，使海水壓力發(fā)生變化，撞擊海洋生物的胚胎、幼蟲、幼體和成體，使其死亡或受傷[14]。機械卷載效應對海洋生物的損害程度與生物體型和種群密度等有關(guān);對浮游植物的數(shù)量影響較小，但隨時間推移可能影響其結(jié)構(gòu)和種類組成;對浮游動物尤其是橈足類和無節(jié)幼蟲的影響較大[31]。

3 應對措施

3.1 完善海水淡化技術(shù)

在海水淡化工程勘察和設計階段，應盡可能地遠離醫(yī)院、學校和居民區(qū)等人群聚集區(qū)，避開已規(guī)劃或已運營的濱海旅游區(qū)和自然保護區(qū)等生態(tài)敏感區(qū)域。工程施工階段產(chǎn)生的含油污水應收集后處理，禁止直接排放入海;采用沉井式取水方法，避免擾動水體;在反滲透海水淡化系統(tǒng)的高壓泵和能量回收裝置中安裝消音器或聲屏障等，減小噪音;海水輸送管道避開地下蓄水層，并采用耐腐蝕的高性能材料和加強日常巡檢，防止管道“跑冒滴漏”。對于工程運行階段產(chǎn)生的固體廢棄物，首先鑒定其危險性，如為危險廢棄物則由專業(yè)機構(gòu)處理，如為一般廢棄物則按有關(guān)規(guī)定處理。

根據(jù)工程所在地的具體情況，選擇能耗較低的海水淡化技術(shù)，也可綜合采用多種海水淡化技術(shù)，提高產(chǎn)淡水率和降低工程成本。新能源因其清潔無污染和可再生等特點，具有良好的發(fā)展前景，其中太陽能和風能海水淡化技術(shù)尤其適用于偏遠海島的中小型海水淡化工程[32]。

3.2 優(yōu)化濃海水排放

濃海水排放口應遠離海灣和河口等生態(tài)敏感區(qū)域，盡可能地選擇海洋水動力條件較好的開放性海域，避開由岬角等特定地形引起的渦流帶和波浪破碎帶。減緩排水流速，從而減小機械卷載效應。在濃海水排放管道末端50～100 m處采用多端口擴散，擴散位置的水深至少為7 m，起點距低潮線至少200 m[33];排放口朝向海面，與大陸坡之間的角度為30°～45°，促進濃海水排放后迅速稀釋和擴散[34]。在排放前消除濃海水中的有害物質(zhì)，或經(jīng)污水處理裝置與其他冷卻水混合稀釋后排放。為防止熱污染，可采用冷卻系統(tǒng)使?jié)夂Ｋ浞稚峄蜻x擇擴散條件較好的排放口。根據(jù)排放口附近海域的潮汐特點，在特定時間排放。

3.3 加快濃海水綜合利用

濃海水中含有大量無機鹽、稀有元素和化合物，是重要化工原料。可綜合利用濃海水制鹽、制堿以及提取溴、鎂、鉀、鋰、鈾和碘等[35]，減少其排放量甚至實現(xiàn)“零排放”，且生產(chǎn)過程無“三廢”產(chǎn)生，從根本上減小以至消除其對海洋生態(tài)環(huán)境的影響，并創(chuàng)造經(jīng)濟價值[5]。

濃海水綜合利用和“零排放”技術(shù)是海水淡化產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，但目前存在占地面積大、制鹽蒸發(fā)速度低和費用較高等缺點，亟須加快技術(shù)研發(fā)和應用。

4 結(jié)語

面對我國沿海地區(qū)對淡水資源的巨大需求，我國海水淡化產(chǎn)業(yè)將進入快速發(fā)展期，須重視海水淡化工程對環(huán)境的影響，尤其是濃海水對海洋生態(tài)環(huán)境的影響。目前相關(guān)報道很少，須持續(xù)和長期開展調(diào)查和研究。此外，亟須健全相關(guān)法律法規(guī)和標準規(guī)范，保障和促進海水淡化產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

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