海水淡化浓海水排海对海洋环境影响分析

寇希元，苗英霞，陈进斌，任华峰，韩家新

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

水是生命之源，它承担着重要的资源支撑作用。淡水资源已被列为与粮食、石油资源并列的三大战略资源之一。我国人均淡水资源量仅为世界平均水平的1/4，淡水资源紧缺已成为制约沿海地区经济社会发展的瓶颈，海水淡化已成为解决我国沿海地区淡水供给的重要途径之一[1-2]。国家发展改革委、国家海洋局联合发布的《全国海水利用“十三五”规划》指出，到2020年，海水利用实现规模化应用，全国海水淡化总规模将达到220万吨/日以上。根据国家海洋局发布的《2016年全国海水利用年报》，截至2016年底，全国已建成海水淡化工程131个，工程规模达到118.8万吨/日。

海水淡化是将天然海水中的溶解性固体物质分离以获得淡水、同时产生淡化副产物“浓缩海水”的过程[3-4]，浓海水的温度、盐度和溶解化学物质的含量高于天然海水，其大量排放有可能破坏海洋环境，改变海洋生物群落结构，甚至触发生物畸变，可能对海洋生态环境产生不可忽视的影响。随着我国海水淡化产能的持续快速增加，海水淡化浓海水排海对海洋生态环境的影响日益引起普遍关注，已成为海水淡化产业持续发展的制约因素。为此，2012年2月国务院办公厅发布的《关于加快海水淡化产业的意见》中特别强调要加强对海水淡化项目的监督管理，依法浓海水的排放行为进行环境影响评价，确保海水淡化产业与生态环境协调发展。国家海洋局《关于促进海水淡化产业发展的意见》中同样明确指出，对于海水淡化后浓海水排海工程要进行充分论证。

目前，国际上已商业化应用的主流海水淡化技术分为两种类型：热法和膜法，热法包括低温多效蒸发工艺(LT-MED) 和多级闪蒸工艺(MSF ) ，膜法主要包括反渗透海水淡化工艺(SWR0 ) ,截止2016年底，我国应用反渗透技术的海水淡化工程占全国总规模的68.40%，应用低温多效技术的占全国总规模的31.07%，应用多级闪蒸技术的占全国总规模的0.50%[5]。

1 海水淡化浓海水对海洋环境的影响

1.1 热污染对海洋环境的影响

热法海水淡化过程中，经热交换系统产生的浓海水具有一定的热量，多级闪蒸工艺产生的浓海水最高温度可达到90～110℃[6]。多效蒸发工艺产生的浓海水温度可达40℃[7]，反渗透海水淡化工艺排放浓海水一般比环境温度高3～5℃[8]。海水淡化浓海水的热污染主要是热法海水淡化工艺产生的浓海水引起的，反渗透淡化工艺产生的浓海水排放到海洋中与海水混合时温度与环境海水接近，基本不产生热污染。我国海水水质标准[9]规定三类和四类海水(一般工业用水区、滨海风景旅游区和海洋港口水域、海洋开发作业区)人为造成的海水温升最大不超过当时当地4℃，温度是海水水质和海洋生态环境的重要表征指标。

海水淡化产生的温度较高的浓海水如直接排放可影响排放口附近的海洋水文条件，热浓海水排放后会上升到水体表面形成温层，在水体中形成羽流并与冷的海水混合[10]，并可使排放海域附近的温跃层表底温差增加，其所形成的温跃层较其它水域更为明显和持久[11]。水温升高后水体黏度降低，有可能影响其输运泥沙能力。

浓海水排放带来的温升可影响海洋水质，造成排放口附近海域海水温度升高，而海水中溶解氧浓度随温度降低而减小，造成缺氧状态；高温会加速底泥生物的新陈代谢，耗氧量增多，造成水体缺氧，对海洋生物产生危害；海水温度升高，水体混浊度增加，进入水体的入射光线减少，海面照度和水面向下辐照度减小，海水真光层深度减小，影响海洋浮游植物的光合作用，浮游植物是海洋生态系统中重要的初级生产者，是海洋物质循环和能量流动的重要参与者，其生物量和生产力的变化影响海洋生态系统的结构和功能[12]。水温升高可促进赤潮藻类的生长繁殖，改变排放海域的浮游植物种类和分布，加速水体富营养化进程。

高温也会增加有毒物质的毒性，在水温达到30℃时，重金属离子对浮游动物和底栖动物的毒性增加[13]。浓海水排放产生的高温冲击可能杀死部分生物体，温排水排放海域高温冲击幅度达到4.5、9.0℃，24 h内可分别造成敏感性鱼类、虾类半数死亡；高温冲击幅度达到7.73℃，48 h内可使敏感性贝类半数死亡[14]。适度温升会促进鱼卵的孵化，但超出一定幅度，会造成鱼卵孵化失败和畸形率升高[15]，一些鱼种在胚胎发育时期对水温变化的幅度要求很严，鱼类的热回避现象将导致洄游路线和产卵场的改变，在繁殖期间，海水淡化浓海水的热污染可能对鱼类生长产生严重影响[13]。

1.2 高盐度对海洋环境的影响

目前主流海水淡化技术的产淡水率仍较低，热法海水淡化技术回收率为15%～50%，膜法海水淡化技术回收率为30%～40%[16]，即海水淡化装置排出的浓海水是进水量的50%～85%，其盐度是原海水的1.3～1.7倍，即使排放后经过海水的稀释，在浓海水排放口附近海域其盐度仍远于周围海水盐度，按照2020年末全国海水淡化总规模220万吨/日计算，每天产生的浓海水将达到330万吨，每年将产生12亿吨浓海水，如全部直接排放回海洋，将可能对我国本已非常脆弱的海洋生态环境产生严重影响。

海水淡化浓海水导致排放海域海水盐度增加，在排放口一定范围内形成高盐度区，引起水体分层，入射光线减少，影响浮游植物的光合作用，造成其生物量减少，进而影响海洋生态系统的物质和能量流动。高盐度影响浮游动物的多样性指数和生物量，浮游动物幼体因生活在盐度稳定的海水中，对高盐度的耐受力差[17]。

Ruso[18]的调查发现，海水淡化浓海水排放口附近底栖生物群落单一，从最初以多毛类、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。高盐度对鱼类的影响主要取决于鱼类自身对由于盐度变化而引起的渗透压变化的调节能力，自身缺乏渗透调节机制的鱼类无法在高盐度的环境中生存。盐度对鱼类受精卵的孵化有显著影响，高盐度可破环卵细胞内部与环境的物质调控机制造成细胞损伤或破裂[13]。

甲壳类是我国海水养殖的主要经济动物，在高盐度胁迫下甲壳类动物(虾、蟹等)幼体死亡率增加，其成体摄饵量显著下降，研究显示甲壳类动物在高盐度下新陈代谢加速，耗氧量增加，造成体内代谢机能的失常和免疫力的降低[19]。

高盐度可改变海草细胞中的叶绿体结构系统，导致细胞中的叶绿素含量降低，海草细胞中酶的活性减小，影响海草的光合作用过程[20]。海草生长受到高盐度抑制，生物量减小，群落结构发生变化[21]，生物多样性降低，并最终影响由海草构成的海草床生境内其他海洋生物的生长和繁殖，破坏所在海域的海洋生态平衡。

1.3 有机物和营养盐的影响

浓海水中的有机物和营养盐一部分是海水本身所固有的，在海水淡化过程中，因产出淡水而被浓缩，使得有机物和营养盐的浓度升高；另一部分是由于海水淡化工艺过程中添加的各种化学药剂残留及其进一步反应的次生产物最终随浓海水排出。为了提高淡化系统的运行效率和保护反渗透膜组件，必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、中和等，预处理过程常用的杀菌剂主要有液氯、次氯酸钠和二氧化氯，用于防止细菌、藻类等微生物在海水淡化装置中滋生而产生腐蚀。氯可将稳定的溴化物转换为活泼的溴，形成卤代有机化合物，其可降低海洋生物体的活性，形成有毒且稳定的氯胺和溴胺，破坏生物体的正常酶代谢过程，改变海洋生物物种组成，某些卤代有机物可在生物体中累积并随食物链传递，威胁人类健康。海水淡化过程中常用的缓蚀阻垢剂为聚磷酸盐、马来酸或聚丙烯酸等，主要用于防止海水淡化组件(传热管和反渗透膜)表面结垢，淡化后产生的浓海水中一般含有阻垢剂成分，含有磷的浓海水可能造成所在海域富营养化，甚至形成赤潮。在热法海水淡化工艺过程中，需加入消泡剂以去除蒸发器中的泡沫，消泡剂主要为聚乙二醇类物质，其可破坏海洋生物体细胞内膜系统，与卤素化合生成致癌物质和诱变剂[16]。

1.4 重金属的影响

海水淡化浓海水排水中含有多种重金属，主要来源于海水淡化过程中管路腐蚀溶出金属和冲洗脱落等。低温多效蒸馏海水淡化工艺产生的浓海水中重金属相对较多，反渗透海水淡化工艺产生的重金属相对较少。热法海水淡化传热管材质常用铜合金、不锈钢和铝合金等，其腐蚀产物一般为铜、镍、锌、钼、铝和铁等，其中铜的排放浓度最高。

多数金属离子也是生物体所必需的微量元素，但如果其浓度过高则可能对海洋生物产生毒害作用。重金属可由生物体富集和食物链传递，最终对人体健康造成危害。重金属可通过沉积和扩散作用进入海洋浮游植物的细胞内部，减少细胞色素，抑制浮游植物的光合和呼吸作用，改变受影响海域中浮游植物的种类、组成和分布等。铜是浮游植物生长的必需微量元素，但海水中高浓度铜离子可与蛋白质结合而使海洋浮游植物细胞中的酶失活，限制硝酸盐和硅酸盐的吸收利用，影响浮游植物的代谢、生长和繁殖[22]。海水预处理过程中，为了除去海水中的悬浮物加入的铁盐和铝盐絮凝剂也可能在浓海水中产生残留，排入水体的铝盐絮凝剂若达到一定的浓度，则会对海洋生物产生毒性效应[23]。铁是浮游植物生长必需的微量元素，其供应对水体中浮游植物的生物量、生长速率以及种群组成均具有重要的影响，高浓度铁的加入可使海洋中硅藻数量迅速增加成为群落优势种[24]。

1.5 酸度的影响

海水pH值和主要盐类组分相对稳定，海水pH值降低对海洋中的生物和地球化学系统具有潜在的深远影响。为了防止海水中Ca2+、Mg2+等在海水淡化组件中结垢，海水淡化工艺一般通过酸化方式使原海水呈弱酸性，此外，海水淡化过程中过滤器、蒸发器和膜组件需要定期清洗，清洗过程一般采用柠檬酸和多磷酸钠等弱酸清洗剂，酸性清洗废水会随浓海水一起排出海水淡化装置。上述海水淡化酸性浓海水如排放入海洋，可能造成海水pH值降低，造成局部海域酸化现象。海洋酸度不仅会影响海洋中的碳化学、营养盐、微量元素等的地球化学特性，而且能影响海洋中微生物、浮游动植物、各种大型动物乃至整个海洋生态系统[25]。

酸性海水中因碳酸盐的浓度发生变化可能干扰海洋生物生长过程中形成躯体硬质部分的生物钙化作用，并进而影响海洋生物的听觉、嗅觉、新陈代谢、呼吸作用和繁殖能力，破坏海洋生态平衡[26]。海洋酸化对浮游动植物的生长、生产力、生物行为方式、生存竞争力、种群丰度及多样性、群落结构、光合作用及营养盐代谢等产生影响[27]。研究发现海水酸化会降低浮游植物对铁吸收量，影响浮游植物的生长。酸化与富营养化耦合比单独作用影响更明显，从而影响浮游植物种群结构和丰度[28]。

1.6 余氯的影响

海水淡化过程中为了防止海水管道内污损生物的生长附着，需要在原水中加入含氯的杀生剂，海水淡化浓海水中可能含有一定浓度的余氯。反渗透海水淡化工艺因在海水进入反渗透膜前加入还原剂清除残留的杀生剂保护反渗透膜，其所产生的浓海水中余氯浓度低于热法海水淡化浓海水排水。

余氯包括游离性余氯(HClO和ClO-)和化合性余氯(NH2Cl、NHCl2和NCl3)，游离性余氯不稳定，随海水对流扩散的稀释作用衰减较快，而化合性余氯较稳定。余氯可造成水中浮游植物种类组成发生变化，不同水质条件下氯对浮游植物的影响程度不一，浮游动物对余氯较为敏感，较低浓度的余氯即可对浮游动物产生明显的影响。余氯可使贝类失去附着能力，氯的氧化作用破坏贝类呼吸膜，导致其体内缺氧窒息而死。余氯使鱼鳃组织发生病变，氧化血红蛋白中的铁离子，降低还原性酶的活性，造成鱼类血液运氧能力降低，影响鱼类的呼吸作用[29]。

1.7 对溶解氧的影响

溶解氧是海水水质的重要评价因子，我国现行海水水质标准[9]规定四类海水(海洋港口水域、海洋开发作业区)溶解氧不低于3mg/L。因溶解氧与温度有关，随海水温度的升高而降低，海水淡化热法工艺产生的热浓海水造成排放海域溶解氧的降低；反渗透海水淡化工艺中为了防止原先加入的含氯杀菌剂氧化反渗透膜，在原海水进入反渗透前加入过量还原剂消耗残余的含氯杀菌剂，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造成海水溶解氧浓度的降低。浓海水中的氮、磷和有机物可造成排放海域富营养化，加速海水中溶解氧的消耗，影响海洋生态环境。

1.8 排水机械卷载效应的影响

机械卷载效应主要是由于海水淡化浓海水排水量大，水的流速较快，与天然海水的流速差造成的海水压力变化对浮游生物、卵、幼虫、幼体和成体等的机械撞击而致死、致伤的机械损失[13]，卷载效应对海洋生物的损害程度与生物体型大小、种群密度等因素有关，卷载效应对浮游植物的数量影响不会很大，但随着运行时间的推移对浮游植物结构和组成可能会发生一定的改变。对浮游动物尤其是桡足类和无节幼虫影响较大[30]。

2 减轻浓海水环境影响的措施和对策

目前,我国海水淡化产业尚处于发展初期,海水淡化规模以及浓海水排放量较低,虽未见海水淡化浓海水对海洋生态环境有明显影响的报道,但随着海水淡化规模的不断增加,这一问题将会逐渐突出，特别在是封闭半封闭海域,高盐度浓海水对海洋生态环境的影响不容忽视。

2．1 优化浓海水排放口选址及设计

海水淡化浓海水排海设计过程中，排放口应该远离海湾、河口等生态敏感海域，尽量选择海洋水动力条件较好的开放性海域等非生态环境敏感海域，以有利于污染物向外海输移扩散，避开由岬角等特定地形引起的涡流及波浪破碎带[37]，尽可能避免向封闭海域排放，同时降低排水的流速，以减轻因机械卷载效应造成的对海洋生物的影响。浓海水排放管道末端50～100m范围内使用多端口扩散,扩散器应设在水深至少达7m的水底，其起点离低潮线至少200m[31]；浓海水排水出水口朝向海面与大陆坡呈约30度至45度角，使排出的浓海水迅速稀释扩散，减轻其对海洋生态环境的影响[32]。除此以外，也可在排放前去除浓海水中的有害成分，采用与污水处理装置或者其他冷却水混合冲稀后排放；为避免热污染，可将浓海水通入冷却系统充分散热或选择散热与扩散较好的排放地点；根据排放海域的潮汐特点，选定特定时间排放以减轻浓海水对海洋生态环境的影响。

2.2 浓海水综合利用

海水淡化浓海水中含有大量的无机盐类，除原盐(氯化钠)外，还有钙、镁、溴、钾及稀有元素和化合物，是盐化工工业的重要原料。综合利用即利用海水淡化浓海水进行制盐、制碱、提溴、镁、钾、锂、铀和碘等[33]，与直接排放相比，对海水淡化浓海水综合利用减少其排放量直至实现零排放是从根本上减轻以至消除浓海水环境影响的有效途径，可有效利用资源，并创造一定的经济效益。浓海水还可以首先制取KNO3或K2SO4等，然后提取溴素，提溴后的浓海水生产Mg(OH)2或MgO,制镁后卤水送入盐田蒸发浓缩析出石膏，得到的液体盐直接用于纯碱、氯碱生产，生产过程无“三废”产生，真正实现零排放[34]。

虽然浓海水综合利用以及零排放技术是海水淡化产业可持续发展的途径，但是技术尚不够成熟、存在占地面积大、制盐蒸发速度低、投资成本和运行维护费用较高等缺点，限制了其在海水淡化工程中的规模应用。