随着我国经济社会的全面发展和人民生活水平的逐步提高,淡水需求量急剧增加,淡水资源日益紧缺。海水淡化因不受气候和时空条件限制,成为解决我国沿海地区淡水供给问题的重要方法,在部分海岛地区甚至是唯一的有效方法[1- 2]。
目前国际商业化应用的主流海水淡化技术分为热法和膜法2种类型,其中热法主要为低温多效蒸发工艺和多级闪蒸工艺,膜法主要为反渗透工艺。截至2016年年底,我国已建成海水淡化工程131个,总规模达118. 8万t/d,应用反渗透工艺、低温多效蒸发工艺和多级闪蒸工艺的海水淡化工程分别占总规模的68. 40%、31. 07%和0. 50%[3]。
随着我国海水淡化产能的快速增加,其对环境的影响逐渐被关注。尤其是海水淡化过程中产生的浓海水,大量直接排放入海对海洋生态环境的影响不容忽视,有必要加以研究和应对。
海水淡化设备运行须消耗能量,能耗是海水淡化最主要的成本。热法海水淡化系统的能耗较高且能量利用效率较低,而带有能量回收装置的反渗透海水淡化系统的能耗较低。大部分海水淡化工程采用电能作为能量来源,在发电过程中燃烧化石燃料可能产生非甲烷类挥发性有机化合物等物质,如处理不当可能污染大气环境。目前太阳能、风能、海洋能和核能等新能源海水淡化技术仍处于研发阶段且不够成熟,仅在一些海岛等特殊地区有少量示范工程,是海水淡化技术的研究方向之一。
此外,海水淡化工程施工期的管线开凿、厂房建设和设备安装等活动可能产生悬浮物、含油污水和固体废弃物等,如处理不当可能污染近岸海域的海洋生态环境。海水淡化厂区和辅助设施建设占用土地,导致海岸带工业化加速,滨海自然景观被破坏,影响当地社会生活环境。海水取水工程可能影响海水交换和沉积物运动[4],降低海水透明度和真光层深度。为防止结垢和腐蚀,热法海水淡化系统在脱气过程中会产生二氧化碳,排入大气可能产生温室效应。反渗透海水淡化系统的高压泵和能量回收装置运行时产生的噪音超过90 dB,可能影响周边居民生活环境。埋设于地下的海水输送管道如破裂,造成的渗漏可使海水进入地下蓄水层,导致地下水污染[5]。海水的预处理过程可能产生含盐污泥等固体废弃物,反渗透膜组件的定期更换也可能产生含化学物质的固体废弃物,如处理不当可能污染周边环境。
海水淡化是从天然海水中分离淡水的过程,在此过程中,只有不到50%的海水变为淡水,其余海水以浓海水的形式排放[6- 7]。目前我国海水淡化产业处于发展初期,浓海水排放量较低,对海洋生态环境的明显影响尚未见报道。随着我国海水淡化规模的不断扩大,亟须重视浓海水排放对海洋生态环境的影响。
海水温度是海水环境和海洋生态环境的重要评价指标。在热法海水淡化的过程中,热交换系统产生的浓海水的温度较高,其中多级闪蒸工艺和低温多效蒸发工艺产生的浓海水的温度分别为70℃~ 90℃[8]和40℃[9],而反渗透工艺产生的浓海水的温度通常仅比环境温度高3℃~ 5℃[10],因此浓海水的热污染主要由热法海水淡化引起。
高温浓海水显著提高排放口附近海域的海水温度,从而严重影响海洋生态环境。①改变海洋水文条件,即高温浓海水上升到海水表面形成羽流并与冷海水混合[11],增加附近温跃层的表底温差,所形成的温跃层也更为明显和持久[12];②降低海水黏度,从而降低其泥沙输运能力;③加速底栖生物的新陈代谢,导致其耗氧量增加和水体缺氧;④提高海水混浊度,减少入射光线,影响浮游植物的光合作用,进而影响海洋生态系统的结构和功能[13];⑤促进藻类的生长和繁殖,改变浮游植物的种类和分布,加速海水富营养化进程,引发赤潮等灾害;⑥增加有毒物质的毒性,即水温达到30℃时,重金属离子对浮游动物和底栖动物的毒性明显增加[14];⑦高温浓海水排放的冲击幅度可达7.7℃,48 h内可使50%的敏感性贝类死亡[15];⑧导致鱼卵孵化失败或畸形[16],鱼类的热回避反应改变其洄游路线和产卵场位置,对其生长十分不利[14]。
目前主流海水淡化技术的产淡水率仍较低,热法海水淡化系统和膜法海水淡化系统分别为15%~ 50%和30%~ 40%[17]。而浓海水的盐度是原海水的1. 3~ 1. 7倍,即使浓海水排放后会被稀释,排放口附近海域的海水盐度仍较高。
浓海水显著提高排放口附近海域的海水盐度,并在一定范围内形成高盐度区,从而严重影响海洋生态环境。Ruso等[18]调查发现,浓海水排放口附近海域的生物群落单一,从由多毛类、甲壳类和软体类组成的优势种演变为线虫成为唯一的优势种。①引起海水分层,减少入射光线,影响浮游植物的光合作用,进而影响海洋生态系统的物质和能量流动;②减少浮游动物的种类和数量,主要是由于浮游动物幼体生活在盐度稳定的海水环境中,对高盐度的耐受力较差[19];③缺乏渗透调节机制的鱼类无法在高盐度的海水环境中生存,且高盐度可破坏鱼类卵细胞与海水环境之间的物质调节机制,造成卵细胞损伤或破裂[19];④加速甲壳类的新陈代谢,使其耗氧量增加、机能失常和免疫力降低[20],导致其幼体死亡率提高和成体摄饵量降低;⑤改变海草细胞的叶绿体结构,导致其叶绿素含量和酶活性降低,影响其光合作用[21]和生长,改变其群落结构[22]和其他生物赖以生存的海草床生境,最终降低生物多样性和破坏海洋生态系统。
浓海水中含有有机物和营养盐,一部分是海水固有并在海水淡化过程中被浓缩,另一部分由海水淡化过程中的各种化学药剂残留及其进一步反应所产生。为提高海水淡化系统的运行效率和保护相关组件,须对原海水进行预处理,即杀菌、除浊、脱碳、脱氧、缓蚀、阻垢、消泡、软化和中和等。
常用的杀菌剂包括液氯、次氯酸钠和二氧化氯,防止细菌和藻类等微生物滋生和腐蚀海水淡化装置。氯可将稳定的溴化物转化为活泼的溴,形成有毒且稳定的卤代有机化合物,破坏海洋生物的酶代谢过程,降低其生物活性,改变其物种组成,甚至可在生物体内累积并随食物链传递,威胁人类健康。
常用的阻垢剂包括聚磷酸盐、马来酸或聚丙烯酸等,防止传热管和反渗透膜等海水淡化组件的表面结垢。浓海水中一般含有阻垢剂中的磷,可能造成海水富营养化,甚至引发赤潮。
在热法海水淡化过程中,须加入消泡剂以去除蒸发器中的泡沫,消泡剂的主要成分为聚乙二醇类,可破坏海洋生物细胞内膜,并与卤素化合生成致癌物质和诱变剂[17]。
浓海水中含有多种重金属,主要来源于海水淡化过程中的管道腐蚀溶出和冲洗脱落等。低温多效蒸发工艺产生的浓海水重金属含量较高,而反渗透工艺产生的浓海水重金属含量较低。热法海水淡化系统的传热管常采用铜合金、不锈钢和铝合金等材料,其腐蚀产物一般为铜、镍、锌、钼、铝和铁等,其中铜的含量最高。
重金属是海洋生物必需的微量元素,但含量过高可能对海洋生物产生毒害作用。①在生物体内富集并随食物链传递,威胁人类健康;②通过沉积和扩散作用进入浮游植物细胞内部,减少细胞色素,抑制其光合作用和呼吸作用,改变其种类组成和分布等;③铜含量过高可与蛋白质结合,使浮游植物细胞中的酶失活,限制其对硝酸盐和硅酸盐的吸收和利用,影响其代谢、生长和繁殖[23];④海水除浊过程中加入的铁盐和铝盐絮凝剂可能在浓海水中残留,含量过高则对海洋生物产生毒性效应[24];⑤铁含量过高可使硅藻数量迅速增加而成为优势种[25],影响生物群落结构。
海水p H值较稳定。为防止海水淡化组件结垢,一般对原海水酸化处理,浓海水即呈弱酸性。此外,海水淡化系统中的过滤器、蒸发器和反渗透膜等组件须定期清洗,一般采用柠檬酸和多磷酸钠等弱酸性清洗剂,酸性清洗废水随浓海水共同排放。
酸性浓海水可能降低海水p H值,造成局部海域的海水酸化现象,不仅影响海洋地球化学特性,而且影响海洋生物乃至整个海洋生态系统[26]。①碳酸盐含量过高可能干扰海洋生物生长的钙化过程,进而影响其听觉、嗅觉、代谢、呼吸和繁殖的能力,破坏海洋生态系统平衡[27];②海水酸化与富营养化的耦合作用比各自单独作用的影响更加明显,影响浮游生物的生产力、行为方式、生存竞争力、种群结构、丰度、光合作用和代谢等[28- 29];③降低浮游植物对铁的吸收量,抑制其生长。
为防止海水淡化系统管道内生物的生长和附着,须在原海水中加入含氯杀菌剂,因此浓海水中可能含有余氯。为保护反渗透膜,反渗透工艺须在海水进入反渗透膜前加入还原剂以清除残留杀菌剂,因此产生的浓海水余氯含量较低。余氯包括游离性余氯和化合性余氯,其中游离性余氯不稳定,经海水对流扩散的稀释作用而衰减较快,而化合性余氯较稳定。
余氯主要对海洋生物造成影响。①改变浮游植物的种类组成;②浮游动物对余氯较敏感,含量较低的余氯即可对浮游动物产生明显影响;③使贝类失去附着力,破坏其呼吸膜,导致其缺氧窒息死亡;④使鱼鳃组织发生病变,氧化血红蛋白中的铁离子,降低鱼类血液还原性酶的活性和运氧能力,影响其呼吸作用[30]。
溶解氧含量是海水环境和海洋生态环境的重要评价指标。由于溶解氧含量随海水温度的升高而降低,热法海水淡化产生的热浓海水导致排放口附近海域的溶解氧含量降低;反渗透工艺清除残留杀菌剂的还原剂的主要成分为亚硫酸氢钠,易与海水中的溶解氧发生氧化还原反应,导致溶解氧含量降低。此外,浓海水中的氮、磷和有机物导致海水富营养化,加速溶解氧的消耗。
机械卷载效应主要是由于浓海水排放量较大,较快的流速与天然海水形成流速差,使海水压力发生变化,撞击海洋生物的胚胎、幼虫、幼体和成体,使其死亡或受伤[14]。机械卷载效应对海洋生物的损害程度与生物体型和种群密度等有关;对浮游植物的数量影响较小,但随时间推移可能影响其结构和种类组成;对浮游动物尤其是桡足类和无节幼虫的影响较大[31]。
量回收装置中安装消音器或声屏障等,减小噪音;海水输送管道避开地下蓄水层,并采用耐腐蚀的高性能材料和加强日常巡检,防止管道“跑冒滴漏”。对于工程运行阶段产生的固体废弃物,首先鉴定其危险性,如为危险废弃物则由专业机构处理,如为一般废弃物则按有关规定处理。
根据工程所在地的具体情况,选择能耗较低的海水淡化技术,也可综合采用多种海水淡化技术,提高产淡水率和降低工程成本。新能源因其清洁无污染和可再生等特点,具有良好的发展前景,其中太阳能和风能海水淡化技术尤其适用于偏远海岛的中小型海水淡化工程[32]。
浓海水排放口应远离海湾和河口等生态敏感区域,尽可能地选择海洋水动力条件较好的开放性海域,避开由岬角等特定地形引起的涡流带和波浪破碎带。减缓排水流速,从而减小机械卷载效应。在浓海水排放管道末端50~ 100 m处采用多端口扩散,扩散位置的水深至少为7 m,起点距低潮线至少200 m[33];排放口朝向海面,与大陆坡之间的角度为30°~ 45°,促进浓海水排放后迅速稀释和扩散[34]。在排放前消除浓海水中的有害物质,或经污水处理装置与其他冷却水混合稀释后排放。为防止热污染,可采用冷却系统使浓海水充分散热或选择扩散条件较好的排放口。根据排放口附近海域的潮汐特点,在特定时间排放。
浓海水中含有大量无机盐、稀有元素和化合物,是重要化工原料。可综合利用浓海水制盐、制碱以及提取溴、镁、钾、锂、铀和碘等[35],减少其排放量甚至实现“零排放”,且生产过程无“三废”产生,从根本上减小以至消除其对海洋生态环境的影响,并创造经济价值[5]。
浓海水综合利用和“零排放”技术是海水淡化产业可持续发展的有效途径,但目前存在占地面积大、制盐蒸发速度低和费用较高等缺点,亟须加快技术研发和应用。
面对我国沿海地区对淡水资源的巨大需求,我国海水淡化产业将进入快速发展期,须重视海水淡化工程对环境的影响,尤其是浓海水对海洋生态环境的影响。目前相关报道很少,须持续和长期开展调查和研究。此外,亟须健全相关法律法规和标准规范,保障和促进海水淡化产业的健康可持续发展。
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