海水淡化濃海水排海對海洋環(huán)境影響分析

寇希元，苗英霞，陳進斌，任華峰，韓家新

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

水是生命之源，它承擔著重要的資源支撐作用。淡水資源已被列為與糧食、石油資源并列的三大戰(zhàn)略資源之一。我國人均淡水資源量僅為世界平均水平的1/4，淡水資源緊缺已成為制約沿海地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸，海水淡化已成為解決我國沿海地區(qū)淡水供給的重要途徑之一[1-2]。國家發(fā)展改革委、國家海洋局聯(lián)合發(fā)布的《全國海水利用“十三五”規(guī)劃》指出，到2020年，海水利用實現(xiàn)規(guī)?；瘧茫珖Ｋ傄?guī)模將達到220萬噸/日以上。根據(jù)國家海洋局發(fā)布的《2016年全國海水利用年報》，截至2016年底，全國已建成海水淡化工程131個，工程規(guī)模達到118.8萬噸/日。

海水淡化是將天然海水中的溶解性固體物質(zhì)分離以獲得淡水、同時產(chǎn)生淡化副產(chǎn)物“濃縮海水”的過程[3-4]，濃海水的溫度、鹽度和溶解化學物質(zhì)的含量高于天然海水，其大量排放有可能破壞海洋環(huán)境，改變海洋生物群落結(jié)構(gòu)，甚至觸發(fā)生物畸變，可能對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不可忽視的影響。隨著我國海水淡化產(chǎn)能的持續(xù)快速增加，海水淡化濃海水排海對海洋生態(tài)環(huán)境的影響日益引起普遍關注，已成為海水淡化產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的制約因素。為此，2012年2月國務院辦公廳發(fā)布的《關于加快海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見》中特別強調(diào)要加強對海水淡化項目的監(jiān)督管理，依法濃海水的排放行為進行環(huán)境影響評價，確保海水淡化產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。國家海洋局《關于促進海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》中同樣明確指出，對于海水淡化后濃海水排海工程要進行充分論證。

目前，國際上已商業(yè)化應用的主流海水淡化技術分為兩種類型：熱法和膜法，熱法包括低溫多效蒸發(fā)工藝(LT-MED) 和多級閃蒸工藝(MSF ) ，膜法主要包括反滲透海水淡化工藝(SWR0 ) ,截止2016年底，我國應用反滲透技術的海水淡化工程占全國總規(guī)模的68.40%，應用低溫多效技術的占全國總規(guī)模的31.07%，應用多級閃蒸技術的占全國總規(guī)模的0.50%[5]。

1 海水淡化濃海水對海洋環(huán)境的影響

1.1 熱污染對海洋環(huán)境的影響

熱法海水淡化過程中，經(jīng)熱交換系統(tǒng)產(chǎn)生的濃海水具有一定的熱量，多級閃蒸工藝產(chǎn)生的濃海水最高溫度可達到90～110℃[6]。多效蒸發(fā)工藝產(chǎn)生的濃海水溫度可達40℃[7]，反滲透海水淡化工藝排放濃海水一般比環(huán)境溫度高3～5℃[8]。海水淡化濃海水的熱污染主要是熱法海水淡化工藝產(chǎn)生的濃海水引起的，反滲透淡化工藝產(chǎn)生的濃海水排放到海洋中與海水混合時溫度與環(huán)境海水接近，基本不產(chǎn)生熱污染。我國海水水質(zhì)標準[9]規(guī)定三類和四類海水(一般工業(yè)用水區(qū)、濱海風景旅游區(qū)和海洋港口水域、海洋開發(fā)作業(yè)區(qū))人為造成的海水溫升最大不超過當時當?shù)?℃，溫度是海水水質(zhì)和海洋生態(tài)環(huán)境的重要表征指標。

海水淡化產(chǎn)生的溫度較高的濃海水如直接排放可影響排放口附近的海洋水文條件，熱濃海水排放后會上升到水體表面形成溫層，在水體中形成羽流并與冷的海水混合[10]，并可使排放海域附近的溫躍層表底溫差增加，其所形成的溫躍層較其它水域更為明顯和持久[11]。水溫升高后水體黏度降低，有可能影響其輸運泥沙能力。

濃海水排放帶來的溫升可影響海洋水質(zhì)，造成排放口附近海域海水溫度升高，而海水中溶解氧濃度隨溫度降低而減小，造成缺氧狀態(tài)；高溫會加速底泥生物的新陳代謝，耗氧量增多，造成水體缺氧，對海洋生物產(chǎn)生危害；海水溫度升高，水體混濁度增加，進入水體的入射光線減少，海面照度和水面向下輻照度減小，海水真光層深度減小，影響海洋浮游植物的光合作用，浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，是海洋物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要參與者，其生物量和生產(chǎn)力的變化影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[12]。水溫升高可促進赤潮藻類的生長繁殖，改變排放海域的浮游植物種類和分布，加速水體富營養(yǎng)化進程。

高溫也會增加有毒物質(zhì)的毒性，在水溫達到30℃時，重金屬離子對浮游動物和底棲動物的毒性增加[13]。濃海水排放產(chǎn)生的高溫沖擊可能殺死部分生物體，溫排水排放海域高溫沖擊幅度達到4.5、9.0℃，24 h內(nèi)可分別造成敏感性魚類、蝦類半數(shù)死亡；高溫沖擊幅度達到7.73℃，48 h內(nèi)可使敏感性貝類半數(shù)死亡[14]。適度溫升會促進魚卵的孵化，但超出一定幅度，會造成魚卵孵化失敗和畸形率升高[15]，一些魚種在胚胎發(fā)育時期對水溫變化的幅度要求很嚴，魚類的熱回避現(xiàn)象將導致洄游路線和產(chǎn)卵場的改變，在繁殖期間，海水淡化濃海水的熱污染可能對魚類生長產(chǎn)生嚴重影響[13]。

1.2 高鹽度對海洋環(huán)境的影響

目前主流海水淡化技術的產(chǎn)淡水率仍較低，熱法海水淡化技術回收率為15%～50%，膜法海水淡化技術回收率為30%～40%[16]，即海水淡化裝置排出的濃海水是進水量的50%～85%，其鹽度是原海水的1.3～1.7倍，即使排放后經(jīng)過海水的稀釋，在濃海水排放口附近海域其鹽度仍遠于周圍海水鹽度，按照2020年末全國海水淡化總規(guī)模220萬噸/日計算，每天產(chǎn)生的濃海水將達到330萬噸，每年將產(chǎn)生12億噸濃海水，如全部直接排放回海洋，將可能對我國本已非常脆弱的海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。

海水淡化濃海水導致排放海域海水鹽度增加，在排放口一定范圍內(nèi)形成高鹽度區(qū)，引起水體分層，入射光線減少，影響浮游植物的光合作用，造成其生物量減少，進而影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量流動。高鹽度影響浮游動物的多樣性指數(shù)和生物量，浮游動物幼體因生活在鹽度穩(wěn)定的海水中，對高鹽度的耐受力差[17]。

Ruso[18]的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，海水淡化濃海水排放口附近底棲生物群落單一，從最初以多毛類、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。高鹽度對魚類的影響主要取決于魚類自身對由于鹽度變化而引起的滲透壓變化的調(diào)節(jié)能力，自身缺乏滲透調(diào)節(jié)機制的魚類無法在高鹽度的環(huán)境中生存。鹽度對魚類受精卵的孵化有顯著影響，高鹽度可破環(huán)卵細胞內(nèi)部與環(huán)境的物質(zhì)調(diào)控機制造成細胞損傷或破裂[13]。

甲殼類是我國海水養(yǎng)殖的主要經(jīng)濟動物，在高鹽度脅迫下甲殼類動物(蝦、蟹等)幼體死亡率增加，其成體攝餌量顯著下降，研究顯示甲殼類動物在高鹽度下新陳代謝加速，耗氧量增加，造成體內(nèi)代謝機能的失常和免疫力的降低[19]。

高鹽度可改變海草細胞中的葉綠體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，導致細胞中的葉綠素含量降低，海草細胞中酶的活性減小，影響海草的光合作用過程[20]。海草生長受到高鹽度抑制，生物量減小，群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[21]，生物多樣性降低，并最終影響由海草構(gòu)成的海草床生境內(nèi)其他海洋生物的生長和繁殖，破壞所在海域的海洋生態(tài)平衡。

1.3 有機物和營養(yǎng)鹽的影響

濃海水中的有機物和營養(yǎng)鹽一部分是海水本身所固有的，在海水淡化過程中，因產(chǎn)出淡水而被濃縮，使得有機物和營養(yǎng)鹽的濃度升高；另一部分是由于海水淡化工藝過程中添加的各種化學藥劑殘留及其進一步反應的次生產(chǎn)物最終隨濃海水排出。為了提高淡化系統(tǒng)的運行效率和保護反滲透膜組件，必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、中和等，預處理過程常用的殺菌劑主要有液氯、次氯酸鈉和二氧化氯，用于防止細菌、藻類等微生物在海水淡化裝置中滋生而產(chǎn)生腐蝕。氯可將穩(wěn)定的溴化物轉(zhuǎn)換為活潑的溴，形成鹵代有機化合物，其可降低海洋生物體的活性，形成有毒且穩(wěn)定的氯胺和溴胺，破壞生物體的正常酶代謝過程，改變海洋生物物種組成，某些鹵代有機物可在生物體中累積并隨食物鏈傳遞，威脅人類健康。海水淡化過程中常用的緩蝕阻垢劑為聚磷酸鹽、馬來酸或聚丙烯酸等，主要用于防止海水淡化組件(傳熱管和反滲透膜)表面結(jié)垢，淡化后產(chǎn)生的濃海水中一般含有阻垢劑成分，含有磷的濃海水可能造成所在海域富營養(yǎng)化，甚至形成赤潮。在熱法海水淡化工藝過程中，需加入消泡劑以去除蒸發(fā)器中的泡沫，消泡劑主要為聚乙二醇類物質(zhì)，其可破壞海洋生物體細胞內(nèi)膜系統(tǒng)，與鹵素化合生成致癌物質(zhì)和誘變劑[16]。

1.4 重金屬的影響

海水淡化濃海水排水中含有多種重金屬，主要來源于海水淡化過程中管路腐蝕溶出金屬和沖洗脫落等。低溫多效蒸餾海水淡化工藝產(chǎn)生的濃海水中重金屬相對較多，反滲透海水淡化工藝產(chǎn)生的重金屬相對較少。熱法海水淡化傳熱管材質(zhì)常用銅合金、不銹鋼和鋁合金等，其腐蝕產(chǎn)物一般為銅、鎳、鋅、鉬、鋁和鐵等，其中銅的排放濃度最高。

多數(shù)金屬離子也是生物體所必需的微量元素，但如果其濃度過高則可能對海洋生物產(chǎn)生毒害作用。重金屬可由生物體富集和食物鏈傳遞，最終對人體健康造成危害。重金屬可通過沉積和擴散作用進入海洋浮游植物的細胞內(nèi)部，減少細胞色素，抑制浮游植物的光合和呼吸作用，改變受影響海域中浮游植物的種類、組成和分布等。銅是浮游植物生長的必需微量元素，但海水中高濃度銅離子可與蛋白質(zhì)結(jié)合而使海洋浮游植物細胞中的酶失活，限制硝酸鹽和硅酸鹽的吸收利用，影響浮游植物的代謝、生長和繁殖[22]。海水預處理過程中，為了除去海水中的懸浮物加入的鐵鹽和鋁鹽絮凝劑也可能在濃海水中產(chǎn)生殘留，排入水體的鋁鹽絮凝劑若達到一定的濃度，則會對海洋生物產(chǎn)生毒性效應[23]。鐵是浮游植物生長必需的微量元素，其供應對水體中浮游植物的生物量、生長速率以及種群組成均具有重要的影響，高濃度鐵的加入可使海洋中硅藻數(shù)量迅速增加成為群落優(yōu)勢種[24]。

1.5 酸度的影響

海水pH值和主要鹽類組分相對穩(wěn)定，海水pH值降低對海洋中的生物和地球化學系統(tǒng)具有潛在的深遠影響。為了防止海水中Ca2+、Mg2+等在海水淡化組件中結(jié)垢，海水淡化工藝一般通過酸化方式使原海水呈弱酸性，此外，海水淡化過程中過濾器、蒸發(fā)器和膜組件需要定期清洗，清洗過程一般采用檸檬酸和多磷酸鈉等弱酸清洗劑，酸性清洗廢水會隨濃海水一起排出海水淡化裝置。上述海水淡化酸性濃海水如排放入海洋，可能造成海水pH值降低，造成局部海域酸化現(xiàn)象。海洋酸度不僅會影響海洋中的碳化學、營養(yǎng)鹽、微量元素等的地球化學特性，而且能影響海洋中微生物、浮游動植物、各種大型動物乃至整個海洋生態(tài)系統(tǒng)[25]。

酸性海水中因碳酸鹽的濃度發(fā)生變化可能干擾海洋生物生長過程中形成軀體硬質(zhì)部分的生物鈣化作用，并進而影響海洋生物的聽覺、嗅覺、新陳代謝、呼吸作用和繁殖能力，破壞海洋生態(tài)平衡[26]。海洋酸化對浮游動植物的生長、生產(chǎn)力、生物行為方式、生存競爭力、種群豐度及多樣性、群落結(jié)構(gòu)、光合作用及營養(yǎng)鹽代謝等產(chǎn)生影響[27]。研究發(fā)現(xiàn)海水酸化會降低浮游植物對鐵吸收量，影響浮游植物的生長。酸化與富營養(yǎng)化耦合比單獨作用影響更明顯，從而影響浮游植物種群結(jié)構(gòu)和豐度[28]。

1.6 余氯的影響

海水淡化過程中為了防止海水管道內(nèi)污損生物的生長附著，需要在原水中加入含氯的殺生劑，海水淡化濃海水中可能含有一定濃度的余氯。反滲透海水淡化工藝因在海水進入反滲透膜前加入還原劑清除殘留的殺生劑保護反滲透膜，其所產(chǎn)生的濃海水中余氯濃度低于熱法海水淡化濃海水排水。

余氯包括游離性余氯(HClO和ClO-)和化合性余氯(NH2Cl、NHCl2和NCl3)，游離性余氯不穩(wěn)定，隨海水對流擴散的稀釋作用衰減較快，而化合性余氯較穩(wěn)定。余氯可造成水中浮游植物種類組成發(fā)生變化，不同水質(zhì)條件下氯對浮游植物的影響程度不一，浮游動物對余氯較為敏感，較低濃度的余氯即可對浮游動物產(chǎn)生明顯的影響。余氯可使貝類失去附著能力，氯的氧化作用破壞貝類呼吸膜，導致其體內(nèi)缺氧窒息而死。余氯使魚鰓組織發(fā)生病變，氧化血紅蛋白中的鐵離子，降低還原性酶的活性，造成魚類血液運氧能力降低，影響魚類的呼吸作用[29]。

1.7 對溶解氧的影響

溶解氧是海水水質(zhì)的重要評價因子，我國現(xiàn)行海水水質(zhì)標準[9]規(guī)定四類海水(海洋港口水域、海洋開發(fā)作業(yè)區(qū))溶解氧不低于3mg/L。因溶解氧與溫度有關，隨海水溫度的升高而降低，海水淡化熱法工藝產(chǎn)生的熱濃海水造成排放海域溶解氧的降低；反滲透海水淡化工藝中為了防止原先加入的含氯殺菌劑氧化反滲透膜，在原海水進入反滲透前加入過量還原劑消耗殘余的含氯殺菌劑，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)生氧化還原反應造成海水溶解氧濃度的降低。濃海水中的氮、磷和有機物可造成排放海域富營養(yǎng)化，加速海水中溶解氧的消耗，影響海洋生態(tài)環(huán)境。

1.8 排水機械卷載效應的影響

機械卷載效應主要是由于海水淡化濃海水排水量大，水的流速較快，與天然海水的流速差造成的海水壓力變化對浮游生物、卵、幼蟲、幼體和成體等的機械撞擊而致死、致傷的機械損失[13]，卷載效應對海洋生物的損害程度與生物體型大小、種群密度等因素有關，卷載效應對浮游植物的數(shù)量影響不會很大，但隨著運行時間的推移對浮游植物結(jié)構(gòu)和組成可能會發(fā)生一定的改變。對浮游動物尤其是橈足類和無節(jié)幼蟲影響較大[30]。

2 減輕濃海水環(huán)境影響的措施和對策

目前,我國海水淡化產(chǎn)業(yè)尚處于發(fā)展初期,海水淡化規(guī)模以及濃海水排放量較低,雖未見海水淡化濃海水對海洋生態(tài)環(huán)境有明顯影響的報道,但隨著海水淡化規(guī)模的不斷增加,這一問題將會逐漸突出，特別在是封閉半封閉海域,高鹽度濃海水對海洋生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視。

2．1 優(yōu)化濃海水排放口選址及設計

海水淡化濃海水排海設計過程中，排放口應該遠離海灣、河口等生態(tài)敏感海域，盡量選擇海洋水動力條件較好的開放性海域等非生態(tài)環(huán)境敏感海域，以有利于污染物向外海輸移擴散，避開由岬角等特定地形引起的渦流及波浪破碎帶[37]，盡可能避免向封閉海域排放，同時降低排水的流速，以減輕因機械卷載效應造成的對海洋生物的影響。濃海水排放管道末端50～100m范圍內(nèi)使用多端口擴散,擴散器應設在水深至少達7m的水底，其起點離低潮線至少200m[31]；濃海水排水出水口朝向海面與大陸坡呈約30度至45度角，使排出的濃海水迅速稀釋擴散，減輕其對海洋生態(tài)環(huán)境的影響[32]。除此以外，也可在排放前去除濃海水中的有害成分，采用與污水處理裝置或者其他冷卻水混合沖稀后排放；為避免熱污染，可將濃海水通入冷卻系統(tǒng)充分散熱或選擇散熱與擴散較好的排放地點；根據(jù)排放海域的潮汐特點，選定特定時間排放以減輕濃海水對海洋生態(tài)環(huán)境的影響。

2.2 濃海水綜合利用

海水淡化濃海水中含有大量的無機鹽類，除原鹽(氯化鈉)外，還有鈣、鎂、溴、鉀及稀有元素和化合物，是鹽化工工業(yè)的重要原料。綜合利用即利用海水淡化濃海水進行制鹽、制堿、提溴、鎂、鉀、鋰、鈾和碘等[33]，與直接排放相比，對海水淡化濃海水綜合利用減少其排放量直至實現(xiàn)零排放是從根本上減輕以至消除濃海水環(huán)境影響的有效途徑，可有效利用資源，并創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益。濃海水還可以首先制取KNO3或K2SO4等，然后提取溴素，提溴后的濃海水生產(chǎn)Mg(OH)2或MgO,制鎂后鹵水送入鹽田蒸發(fā)濃縮析出石膏，得到的液體鹽直接用于純堿、氯堿生產(chǎn)，生產(chǎn)過程無“三廢”產(chǎn)生，真正實現(xiàn)零排放[34]。

雖然濃海水綜合利用以及零排放技術是海水淡化產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的途徑，但是技術尚不夠成熟、存在占地面積大、制鹽蒸發(fā)速度低、投資成本和運行維護費用較高等缺點，限制了其在海水淡化工程中的規(guī)模應用。