脱硫海水排放对附近海域的生态环境影响初步研究＊

王云鹏，纪 良，时国梁，汝少国＊＊

（1.中国海洋大学海洋生命学院，山东 青岛266003；2.华电青岛发电有限公司，山东 青岛266031）

华电青岛发电有限公司采用海水脱硫工艺进行烟气SO2脱除。由于脱硫海水中含有以及重金属等特征性污染物[1－7]，可能导致排水口下游海域海水水质和沉积物质量下降，并对海洋生物造成影响。郭娟[3]和骆锦钊等[4]报道海水吸收烟气颗粒会造成SS增加，出现残留则会导致COD升高，继续氧化消耗海水中的DO将导致DO降低。目前国内已有研究认为脱硫海水不会对附近海水水质产生严重的影响，然而这些研究大多是电厂建设前的预测研究，尚缺少电厂运行后的周年现场跟踪监测，对海洋沉积物质量和海洋生物群落的影响研究也尚少或不够深入[3－7]。由于浮游生物和底栖生物是海洋中的重要生物类群，也是海洋生态系统的重要组成部分，其群落结构和生物多样性水平在很大程度上反映了海洋生态环境的污染程度[8－10]。因此，为查明脱硫海水排放对海洋生态环境的影响，本文在电厂脱硫海水排水口附近海域水质、表层沉积物质量调查的基础上，开展了海洋生物群落结构的周年跟踪调查，为深入地开展脱硫海水生态环境影响评价和提出有效的海洋生态环境保护措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 调查站位与采样时间

共设置14个调查站位（见图1、表1），分冬季（2011年12月27日）、夏季（2012年6月5日）2次采样。

表1 调查站位设置Table 1 Sampling stations in the study sea area

1.2 样品采集及分析方法

水质 水温、DO、COD、无机氮、活性磷酸盐、SS、pH、、总Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb。

图1 采样站位位置Fig.1 Maps of the sampling stations

表层沉积物 Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb。大型底栖生物、浮游动物和浮游植物 种类组成及密度调查。采样与分析均按照《海洋监测规范》（GB17378—2007）和 《海洋调查 规范》（GB12673—2007）的要求进行。

1.3 污染评价与生物多样性分析方法

1.3.1 海水水质 以《海水水质标准》（GB3097—1997）第三类为评价标准，参照白艳艳等[11]的单因子评价法和多种污染物综合污染的内梅罗污染指数法进行评价。

1.3.2 表层沉积物 重金属的潜在生态危害评价采用Hakanson[12]的潜在生态危害系数评价单项污染物的污染程度，采用潜在生态危害指数RI评价多项污染物潜在生态危害程度，分别为：

表2 胶州湾沉积物中重金属浓度背景值Table 2 The background concentrations of the heavy metals in the sediments of Jiaozhou Bay

表3 和RI与生态危害程度的关系[14]Table 3 The relationships ofwith the ecological risk，and RI with the ecological risk

表3 和RI与生态危害程度的关系[14]Table 3 The relationships ofwith the ecological risk，and RI with the ecological risk

Eir与潜在生态危害程度The relationships of Eir with the ecological risk RI与潜在生态危害程度The relationships of RI with the ecolog低度危害40≤Eir＜80 中度危害 150≤RI＜300 中度危害80≤Eir＜160 较重危害 300≤RI＜600 重度危害160≤Eir＜320 重度危害 RI≥600 严重危害Eir≥320 ical risk Eir＜40 低度危害 RI＜150严重危害

1.3.3 海洋生物多样性分析方法 调查海域生物的优势种根据优势度（Y）进行确定：

式中：ni为第i种的个体数；N为所有种类的总个体数；fi为该种在所有站位中出现的频率。底栖和浮游生物均以Y值大于0.02的种类确定为优势种[18－20]。

采用Shannon－Wiener多样性指数（H′）、Margalef物种丰富度指数（D）和Pielou均匀度指数（J′）共3项群落指数来表征脱硫排水口附近海域的生物多样性。

式中：N为个体总数；Pi为种i的个体数占总个体数的比例；S为总种数。

2 结果与分析

2.1 取排水口和附近海域海水水质

电厂脱硫海水取水口与排水口水质监测结果见表4。由表4中可见，利用海水脱除了烟气中的SO2后，pH明显降低，由正常的弱碱性转变成了弱酸性，DO下降了1.57mg/L，Cu、Cd浓度升高，总Cr浓度下降，其余重金属变化规律不明显，虽然排水口的N、P、COD等污染物浓度相对于取水口有所升高，但是含量均较小，除pH 外均能满足《海水水质标准》（GB3097—1997）第三类海水水质标准要求。

由附近海域海水水质跟踪监测结果图2可见，排水口下游水温较上游有明显升高，pH、DO则降低，扩散至4＃站位即已恢复至排水口上游1＃站位水平，扩散700m至胶州湾后已无明显水温升高和pH、DO降低现象。

表4 排水水质与取水口海水水质比较Table 4 Comparation of the water qualities between the drainage water and seawater from the water intake point

图2 海水水质调查结果Fig.2 Monitoring results of the seawater qualities

排放口附近海域COD、无机氮和活性磷酸盐均出现了较严重的污染程度，其他指标均符合相应海水功能区标准要求（见图3）。从排水口附近的1＃～4＃站位水质比较可见，排水口上游1＃站位的I值为8.03，处于严重污染状态，与脱硫海水混合后的2＃站位I值急剧下降，为1.13，处于轻污染状态，而与海泊河污水处理厂尾水混合后的3＃站位，I值又有一定程度的升高，污染等级上升为中度污染状态（见表5、图4）。其它指标均不呈现十分明显的变化规律。

图3 调查海域各污染物平均浓度的Pi值Fig.3 The Pivalue of the pollutants in the study waters

2.2 表层沉积物质量

不同站位沉积物中的重金属含量调查结果见图5，由图5可见，2011年冬季2＃站位的Cu、Zn、Cd、Pb含量均低于1＃站位，3＃站位均高于2＃站位，4＃以后站位的含量无显著变化；2012年夏季Zn、Cd在2＃站位的含量均高于1＃和3＃站位，Cu在1＃～3＃站位呈下降趋势。Cr、As、Hg等浓度均较低，且在各站位间无明显变化。

表5 内梅罗污染指数与综合污染程度对应关系[11]Table 5 Corresponding relationships between the Nemerow Pollution Indexes and the integrated pollution levels

图4 站位间内梅罗污染指数变化情况Fig.4 Variation of Nemerow pollution indexes in different sampling stations

从各站位沉积物质量调查结果看（见表6、图6），脱硫排水口附近海域重金属的潜在污染风险较小。6种重金属的综合潜在生态危害程度高于胶州湾对照点的潜在污染水平，但是RI值远低于150，潜在生态风险处于“低度危害”状态，而且各个站位重金属的Eir值除Hg外均低于40，单项指标的潜在生态风险也处于“低度危害”状态，Hg处于“中度危害”状态。

图5 沉积物中重金属含量调查结果Fig.5 Content of the heavy metals in the sediments

表6 单项重金属的潜在生态危害系数变化范围Table 6 Variation of Eirof every heavy metal

图6 6种重金属元素在各站位的综合潜在生态危害指数（不包括Hg）Fig.6 Integrated potential ecological risk index of 6heavy metals in each sampling station（excluding Hg）

2.3 海洋生物群落结构和生物多样性

2011年冬季调查海域共鉴定出大型底栖生物5门59属62种，浮游动物5大类22种，浮游植物4门26属31种；2012年夏季共调查发现8门78种大型底栖生物，6大类36种浮游动物，4门63种浮游植物。

底栖生物以多毛类为主，浮游植物以硅藻门占绝对优势，浮游动物以桡足类为主。2011年冬季调查发现大型底栖动物优势种4种，为长叶索沙蚕Lumbrinereislongiforlia（Y＝0.1987）、中蚓虫Mediomastussp.（Y＝0.129 5）、西方似蛰虫Amaeanaoccidentalis（Y＝0.039 0）、寡鳃齿吻沙蚕Nephthysoligobranchia（Y＝0.021 1）；浮游植物优势种4种，为中肋骨条藻Skeletonemacostatum（Greville）Cleve（Y＝0.368 3）、加拉星平藻Asteroplanuskarianus（Grunow）Gardneretrawford（Y＝0.205 2）、海链藻Thalassiosiraspp.（Y＝0.049 6）和脆杆藻Fragilariaspp.（Y＝0.027 3）；浮游动物优势种5种，为桡足类幼体Copepoda larva（Y＝0.287 2）、拟长腹剑水蚤Oithonasimilis（Y＝0.138 0）、克氏纺锤水蚤Acartiaclasi（Y＝0.050 1）、小拟哲水蚤Paracalanusparvus（Y＝0.034 7）和小毛猛水蚤Microsetellanorvegica（Y＝0.032 3）。而2012年夏季发现大型底栖动物优势种6种，为长叶索沙蚕Lumbrinereislongiforlia（Y＝0.272 2）、刺樱虫Potamillasp.（Y＝0.074 1）、双栉虫Amphareteacutifrons（Y＝0.062 2）、树蛰虫Pistasp.（Y＝0.024 1）、中蚓虫Mediomastussp.（Y＝0.022 5）和东方缝栖蛤Hiatellaorientalia（Y＝0.022 1）；浮游植物优势种3种，为丹麦细柱藻LeptocylindrusdanicusCleve（Y＝0.698 0）、尖刺伪菱形藻Pseudo－nitzschiapungens（Grunow ex Cleve）Hasle（Y＝0.104 4）和海链藻Thalassiosiraspp.（Y＝0.039 1）；浮游动物优势种6种，为夜光虫Noctilucidaescientillans（Y＝0.549 0）、桡足类无节幼虫 Nauplius larva（Copepoda）（Y＝0.127 0）、双刺纺锤水蚤Acartiabifilosa（Y＝0.099 6）、克氏纺锤水蚤Acartia clausi（Y＝0.029 9）、拟长腹剑水蚤Oithonasimilis（Y＝0.026 0）和 桡 足 幼 体 Copepodite larva （Y＝0.024 0）。

图7 各调查站位生物群落指数Fig.7 Biocommunity indexes in every station

各站位的群落指数见图7。由图7可见，2011年冬季浮游动物的Shannon－Wiener多样性指数和 Margalef丰富度指数随着扩散距离增加而呈现出上升趋势，而在2012年夏季三大群落指数则均有随着扩散距离增大而下降的趋势；浮游植物在2012年夏季Shan－non－Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数呈现出随扩散距离增加而下降的趋势，在2011年冬季的变化规律则不明显；而底栖生物三大生物群落指数在各站位间的变化却无明显规律。此外，2012年夏季调查海域内个别站位（7＃、12＃）出现了浮游植物Shannon－Wiener多样性指数小于1、Pielou均匀度指数小于0.3的现象外，其他站位生物多样性均较高。

3 讨论

3.1 脱硫工艺排水对附近海域水质的影响

Vidal Barrero等[1]报道脱硫海水中pH 会有明显的降低，同时烟气脱硫过程中部分重金属也会溶入海水中[2]。因此，pH（H＋）、SO2－4以及重金属是脱硫海水排放的特征性污染物。本研究结果表明排水中的特征污染物会导致排水口下游的2＃～3＃站位，pH、DO明显降低、水温明显升高，扩散至4＃站位（排水口下游400m）即可恢复至排水口上游水平，扩散700m后已无明显影响。

3.1.1 对海水pH的影响 脱硫海水pH降低的原因主要是海水吸收SO2，产生亚硫酸，并电离出 H＋，SO2－3氧化为SO2－4的过程也会释放出大量H＋，使海水呈现较强的酸性[1]，从而导致海水酸化，海水酸化会增强某些重金属的毒性，还会对海洋生物的新陈代谢等生命活动产生不利影响。杨世超等研究表明，pH的降低加剧了重金属Cu、Cd对日本虎斑猛水蚤的急性毒性效应[21]；李鹏等研究发现重金属Zn、Cu从沉积物中的释放主要是在酸性条件下发生，在酸性区域内的释放量随pH的升高而迅速降低[22]；丁兆坤等认为随着海洋酸化不断加剧，海洋生物呼吸代谢酶活性下降，呼吸代谢方式改变，严重影响海洋生物的正常生长发育和生存[23]；刘文广[24]等研究表明，在pH 值为7.4～8.1范围内，海水酸化对马氏珠母贝的受精率无显著影响，但是幼虫的存活率明显降低，生长显著受抑制，畸形率显著升高。由此可见，排水口400m范围内的海水pH降低，会影响海洋生物的正常生长发育和生存，还可能导致沉积物中重金属向水体的释放和增强重金属的毒性，但是从跟踪监测的结果看，无论是水质和沉积物中重金属含量均较低，表明该区域pH降低对重金属释放的影响是有限的。

3.1.2 对海水DO的影响 脱硫海水中DO下降是曝气池中SO2－3氧化消耗了水中大量的氧气所致，虽通过曝气予以补充，但海水中的DO仍有所下降，若SO2－3氧化不彻底，残留部分会继续氧化并消耗排放海域中的DO。DO浓度降低会引发一系列环境问题，文湘华等研究表明，Cu和Pb在低DO条件下从沉积物向水体中的释放量均高于高DO条件，铁锰氧化物结合的重金属在缺氧环境下易于释放入水体[25]，李文红等研究表明，高DO水平（＞5mg/L）能够有效地抑制底泥向上覆水体释放总氮，而低DO水平下（＜1mg/L），底泥向上覆水体释放总氮十分明显，DO降低（＜1mg/L）还会导致磷元素从底泥释放入水体，不利于水体中的好氧微生物降解有机物，还能抑制COD降解[26]。吴群河的研究也表明，低DO水平加快底泥释放氨氮速度和释放量，向上覆水体中释放总氮明显增加[27]。然而，调查结果显示，电厂脱硫海水排放口下游水体中的DO水平虽下降了，但仍在5mg/L左右，不会引发N、P等污染物从底泥向水体释放的问题。DO降低也会影响海洋生物的生命活动，如韦柳枝[28]研究发现，长期处于低氧水体的中国明对虾体内水分含量升高，蛋白质、脂肪和糖类能量含量显著降低，当水体DO低于4.13mg/L时实验虾生长受到抑制，幼虾死亡率升高。虽然电厂出水中DO浓度尚高于4.13mg/L，但是已低于取水口（11＃站位）的浓度。

3.1.3 对海水温度的影响 排水口下游水温升高主要是由于电厂冷却水排放所致。电厂冷却水大部分直接由排放口排放，从而导致排放口400m范围内水温升高，其余冷却水作为脱硫海水，经脱硫后排放温度与排放口上游的水温基本相当，可见水温升高并非脱硫海水排放造成的。

楚宪峰等在该电厂脱硫设施运行后不久（2006年8月），跟踪调查了温排水排放海域的水温变化，结果发现，高潮时海泊河口以外500m范围内的海域受温排水影响较为严重，温升超出4℃，而低潮时影响更严重，受影响范围扩大至河口以外750m，温排水会导致受影响海域DO浓度下降，浮游生物耐热种类增加而其它种类减少，最终会改变物种组成和降低群落的生物多样性[29]。郑琳等于2010年6月针对该电厂温排水进行了跟踪监测调查并分析了其环境影响，认为入海口区域有0.17km2海域受到温排水的影响，约0.03 km2海域面积温升达4℃，温排水对海洋生物有一定影响，如高温引起蓝、绿藻数量增多和硅藻明显减少，抑制饵料生物生长，延长藻类的生长期等[30]。而本研究中，排水口下游相对于1＃站位发生温升的区域仅限于海泊河道内，而扩散至河口以外后温升影响甚微。

3.1.4 对COD、无机氮和活性磷酸盐的影响 本研究还跟踪监测了COD、无机氮和活性磷酸盐等污染物，研究结果表明排放口附近海域COD、无机氮和活性磷酸盐均出现了较严重的污染现象，其他指标均符合相应海水功能区标准要求。根据Vidal Barrero等[1]对海水脱硫工艺的报道，该工艺不会新增海水中N、P等污染物，本文跟踪监测结果也表明排水口水质中的COD、活性磷酸盐和无机氮的浓度均较低，虽然较电厂取水口11＃站位的浓度有所升高，但仍基本满足三类海水水质标准要求。从排水口附近的1＃－4＃站位水质比较可见，排水口上游1＃站位的I值为8.03，处于严重污染状态，与脱硫海水混合后的2＃站位I值急剧下降，为1.13，处于轻污染状态，而与海泊河污水处理厂尾水混合后的3＃站位，I值又有一定程度的升高，污染等级上升为中度污染状态。综上可见，排放口附近海域COD、无机氮和活性磷酸盐出现的较严重污染现象与脱硫海水排放无明显关联。

3.2 脱硫工艺排水对表层沉积物的影响

从脱硫海水排放对海洋沉积物质量和生态环境影响看，脱硫海水排放附近海域重金属的潜在污染风险较小，6种重金属的综合潜在生态危害程度RI值远低于150，处于“低度危害”状态。可见，脱硫工艺排水未造成表层沉积物重金属污染。

3.3 脱硫工艺排水对海洋生物群落结构的影响

从调查海域的优势种组成看，已出现了污染指示种类，如2011年冬季出现的中肋骨条藻Skeletonema costatum（Greville）Cleve和2012年夏季出现的夜光虫Noctilucidaescientillans均为耐污种，也是造成我国沿海赤潮的重要种类[31－33]。表明受 N、P、COD 等污染影响，某些耐污种已成为该海域某一生物类群的优势种，然而由前述分析可知，COD、无机氮和活性磷酸盐出现的较严重污染现象与脱硫海水排放无明显关联。

Shannon－Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数及Margalef物种丰富度指数分别反映群落的复杂程度、种类数量分布情况和群落内物种分配的均匀程度，是衡量群落多样性的重要指标，可以在一定程度上反映出海区的生态环境质量现状。从排水口下游各生物类群的三大生物群落指数变化来看，脱硫海水在冬季会对浮游动物群落结构产生不利影响，但是随着扩散距离增加，其生物群落指数很快恢复至胶州湾对照点的水平，不利影响程度有限；在夏季脱硫海水排放并未造成各生物群落指数下降，对海洋生物群落结构的不利影响较小。而且国内常以Shannon－Wiener多样性指数小于1、Pielou均匀度指数小于0.3作为多样性较差的综合评价标准[34～36]。根据该标准，2011年冬季脱硫海水排放海域各类群生物多样性较高，群落结构较稳定；2012年夏季调查海域内除个别站位（7＃、12＃）外，其他站位生物多样性均较高。因此，整体上看脱硫海水排放未对生物群落结构和生物多样性造成明显的不利影响。

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