反渗透浓海水排放技术及应用

李 洋，许卫国，王福家

(江苏丰海新能源工程技术有限公司，江苏盐城 224100)

根据自然资源部海洋战略规划与经济司在2020年1月发布的《2018年全国海水利用报告》中的统计，截至2018年底，全国已建成海水淡化工程共计142个，累计工程规模达120.17万t/d，2018年新增海水淡化工程5个，新增规模为1.25万t/d。这些新项目的建成，为实现《全国海水利用“十三五”规划》要求的“在十三五末(即2020年)全国海水淡化总规模要达到220万t/d以上的目标”，奠定了坚实的基础。

随着国内外海水淡化产业的蓬勃发展，“向大海要淡水”的愿景，已经变成了现实。然而，作为海水淡化系统的副产物，浓海水的处置已经成为海水淡化产业蓬勃发展的道路上不得不考虑的问题。按国内2018年的120.17万t/d产能计算，系统回收率按40%计，每天排出的浓海水量近180.255万t。科学、合理地处理这些浓海水，对推动国内海水淡化产业的发展，会起到很好的促进作用。

在海水淡化产业较为成熟的地区，如美国、澳大利亚、中东、日本等，浓海水的排放及其对近岸生物的影响已经有了较为深入的调查和研究，也取得了一定的结论和成果。国际水回收利用和脱盐协会于2011年出版的《浓海水管理白皮书》中提到：“经过长期的项目实践表明，科学设计和有效管理的浓海水排放措施不会对排放点的周围环境造成危害，也不会对当地的海洋生物造成不利的影响。同时，多区域的海洋生物对40 000～70 000 mg/L盐度的浓海水都有很好的耐受度[1]。”我国在《海水淡化产业发展“十二五”规划》中明确提出：“海水淡化系统的浓海水要科学处理，应优先综合资源化利用，在不具备资源化利用的条件时，也应适当地处理浓海水并选择正确的排放方式。”

目前，浓海水的处置方法主要有：直接或间接排放、回用作为生产用水、资源化利用和蒸馏浓缩[2]。直接或间接排放的方式主要有：排入地表水或海水、排入污水处理系统、深井注入地下和排入垃圾填埋场等，该方法施工简单、投资运行成本低，但须严格控制排放标准，以免造成环境危害；反渗透的浓海水作为预处理装置的反洗用水，可以提高整个系统的水利用率、降低原海水取水量和淡水吨水制造成本；浓海水可用于制盐，可减少盐田占地面积、缩短晒盐周期，还可提溴、提镁和用于海产品养殖等；蒸馏浓缩是进一步对浓海水进行回收甚至结晶化，以降低废水排水量，实现近零排放的目的，但该方式投资和运行成本高，经济效益不大。作为最简单、经济、有效的处理方式，直接排海技术在现有大、中、小型海水淡化项目中，已有大量的应用案例，也取得了较好的处理效果。本文主要介绍浓海水直接排海的技术要点，以及该技术在现有实际项目中的应用情况，并对3种浓海水直接排海方式的适用范围、优缺点和经济性进行对比。

1 浓海水的来源及特征

1.1 浓海水的来源

基于反渗透系统的工作原理，从保证系统能够长期稳定运行的角度考虑，海水淡化系统在设计时，反渗透装置的产水回收率一般取40%～50%，即只有40%～50%的水能够透过反渗透膜形成淡化水(水中含盐量一般在500 mg/L以下)，剩下50%～60%的水将容纳原海水中99%以上的溶解物质，从而导致这部分水具有更高的含盐量，一般是原海水的1.5～2倍，将这股水称之为浓海水。

图1为典型的反渗透法海水淡化系统的工艺流程图。由图1可知，系统在产出合格淡化水的同时也会排出各类废水，主要有：(1)预处理系统的废水(混凝沉淀池的排泥水、气浮池的上层刮渣水、各类重力式/压力式过滤器的正洗水和反洗水、微滤/超滤装置的反洗水和化学清洗水等)；(2)不合格的预处理系统产水；(3)反渗透浓海水；(4)反渗透系统的冲洗水和化学清洗水；(5)不合格的反渗透系统产水，其中反渗透浓海水占整个系统废水排水量的90%以上[1]。

1.2 浓海水的特征

表1为国内某核电海水淡化项目的原海水和浓海水的水质对照。该项目采用了“一级一段”的反渗透系统设计路线，产水回收率为45%(25 ℃)。

表1 原海水和浓海水的成分对照Tab.1 Composition Comparison of Raw Seawater and Brine

由表1可知，浓海水的TDS含量高达61 300 mg/L，约为原海水的1.8倍。相较于原海水，浓海水具有高盐度、高碱度、高电导率、和较高密度等特点。由于进入反渗透系统的海水经过了预处理系统的处理，水中的悬浮物质、胶体物质、有机物、细菌、病毒等杂质已经大大减少，相较于原海水，浓海水具有低浊度、低有机物含量、低微生物含量等特点；同时，又具有与原海水一样的温度、色度、气味和氧含量等特性[3]。

图1 典型的反渗透法海水淡化系统工艺流程Fig.1 PFD of Typical RO Seawater Desalination System

2 浓海水排放的危害及排放规范

2.1 浓海水排放的危害

鉴于浓海水的特征，浓海水直接排到地表海域时，存在的主要危害如下。

(1)浓海水的高盐度可能会超出排放点及混合影响区内动植物的耐受值。

(2)浓海水中的重金属含量可能会出现超标排放情况。

(3)采用高分子聚合物作为阻垢剂的系统，排出的浓海水会成为某些动植物的营养物，将潜在影响该区域的动植物数量及构成。

(4)高密度的浓海水若稀释不彻底，会沉积在海床底层并抬高该水域的含盐量，从而影响底层动植物的分布。

(5)浓海水排出时携带的动力势能和冲击力可能会对排放点的地形地貌以及生态水流产生一定的影响。

因此，在选择浓海水直排的处理方式时应充分考虑项目所在地的水文地质、洋流走向、潮汐水量、潜在排放点的动植物种类分布、施工条件和航道运输等因素，并遵循如下原则。

(1)浓海水的排放和稀释不得影响项目的取水水质。

(2)利用海水潮汐进行浓海水稀释时，浓海水的排放量不得超过原海水潮汐水量的稀释能力。

(3)应充分调研排放点及混合影响区内动植物的盐度耐受值，并据此合理确定排放点的位置和最初稀释度设定值，以减少对周边动植物的影响。

(4)排水管道路由的选择和浓海水混合区的设定界线不得影响沿线航道的正常通行。

(5)施工便捷、便于维护和经济合理等原则。

2.2 浓海水排放的规范要求

我国早在2001年就发布了《污水海洋处理工程污染控制标准》(GB 18486)，标准中明确规定了污染物的排放浓度限值、初始稀释度以及混合区范围等方面的要求。同时，在2017年发布的《污水排海管道工程技术规范》(GB/T 19570)中，对排海管道工程的路由勘察及选择、初始稀释度的计算、混合区的范围确定、管道的设计及施工等方面做了进一步的技术要求。

在国际上，地域的差异性导致海水水质和海域内的动植物种类不尽相同，因此，并没有统一的浓海水排放标准要求；各个项目会因地制宜，结合项目现场的实际情况，按照事前模型分析、事中科学施工和事后持续监测的原则，对浓海水进行科学、合理、有效的监测、处理和排放。表2为多个国家在实际案例中控制浓海水排放的限定值和对监测点布置的规范要求。

表2 国际上浓海水排放限定值的规范要求[4]Tab.2 International Brine Discharge Regulations[4]

3 浓海水直接排海方式和应用案例

目前，在国内外，反渗透浓海水直接排海的方式主要有：通过地表沟渠直接排入近海流域、通过新建排水管道和扩散器将浓海水引入远海排放和利用现有电厂的排水系统进行排放。这3种主流方式各有优缺点，同时也有实际的应用案例。

3.1 通过地表沟渠直接排入近海流域

在海水淡化厂与海岸线之间修建开放式的水渠，反渗透浓海水通过沟渠自流的方式流入近海水域表面，利用海水潮汐的携带和洋流的冲刷作用，对排入的浓海水进行混合稀释，从而实现达标排放的目的。这种排放方式具有施工便捷、稀释速率快、混合效果好、工程造价低等优点。

位于以色列的阿什克伦海水淡化厂采用了这种浓海水直排入海的处理方式。图2为项目取排水路线的鸟瞰图，图3为该项目现场的浓海水排放图。该项目的淡化水处理为330 000 m3/d，工艺流程：地表管取水→双介质过滤器→海水反渗透系统→苦咸水反渗透系统→后处理系统→供水。系统采用3根DN1600的HDPE管道深入到海岸线1 000 m外的海域内进行取水，取得的原海水TDS在40 600 mg/L左右，经过多级反渗透系统的处理，每天获得近330 000 m3的合格淡水，同时每天约有500 000 m3的浓海水通过排放渠流入附近海域。经过多年监测数据的整理统计，浓海水的排放并未造成该水域里的动植物在种类和数量分布上的变化，这得益于该区域较强的水体交换和稀释能力[5]。

图2 以色列阿什克伦海水淡化厂鸟瞰图[6]Fig.2 Aerial View of Ashkelon (Israel) RO Plant[6]

图3 以色列阿什克伦海水淡化厂的浓海水排放图[2]Fig.3 Brine Near-Shore Discharge of Ashkelon (Israel) Desalination Plant[2]

在选择这种方式时，应对附近海域的海水潮汐量以及排放点水体的稀释能力做出充分且准确的判定，避免出现水体的接纳、稀释能力超过浓海水的排放量，导致该区域水体盐分逐年增加并造成恶性循环，从而影响排放点区和混合区影响范围内的生态平衡。此外，对于采用铁盐作为混凝剂的项目，预处理系统的废水不得与反渗透系统的浓海水合流排放，应妥善进行处理，避免出现以色列阿什克伦项目中发生的“赤浓水”排放现象，如图4所示。

图4 以色列阿什克伦海水淡化厂“赤浓水”排放图[7]Fig.4 Negatively Buoyant Brine Discharge of Ashkelon (Israel) RO Plant during Media-Filters Backwash[7]

3.2 通过新建放流管和扩散器将浓海水引入远海排放

对于近海水域水体交换能力不足、没有合建或现有排水系统可利用的情况，项目一般会通过新建放流管和扩散器将浓海水引入远海海底进行扩散稀释，以实现无害化排放。由图5可知：海水淡化厂排出的浓海水通过浓海水排放泵的加压，流经铺设在海底的放流管，并最终通过设置在放流管末端的扩散器实现排放。在铺设放流管时，应使放流管走向与海水的流向垂直，放流管末端的水深应>10 m，其起点离低潮线≥200 m，以保证扩散器第一个孔口排出的浓海水到达水面时发生的羽流的边缘不触及海岸。与放流管配套的扩散器多采用立管喷口的形式，喷口的孔径和数量应通过计算和软件模拟获得。对于泥沙快速淤积和附着生物的聚集区，可使用鸭嘴阀对喷口进行泥沙及附着生物堵塞扩散器喷口的防治。在设计上，扩散器喷嘴的总面积应小于放流管的横截面积，两者的比值一般为1∶3。这种处理方式具有适用范围广、受外界因素影响因素小等优点，缺点是工程造价高、施工难度大、维护不便等。

图5 新建浓海水放流管和扩散器示意图[2]Fig.5 Schematic of Brine Discharge through a New Outfall Pipeline and Diffusers[2]

位于澳大利亚Tugun的黄金海岸海水淡化厂，日最大出力为133 000 m3，可供应昆士兰东南区域居民20%的用水量。工艺流程：地表取水→转鼓式细格栅→海水提升泵房→重力式双介质过滤器→海水反渗透系统→苦咸水反渗透系统→后处理系统→供水，整个系统回收率为40%，意味着每天有近200 000 m3的浓海水通过延伸到海岸线外1.2 km的排海管道和扩散器排入Tugun海湾[8]。图6为项目取排水管道的路由示意图。

图6 黄金海岸淡化厂取排水管路由示意图[8]Fig.6 Routing Diagram of Intake and Outfall Pipeline for Gold Coast Desalination Plant[8]

该项目原海水的TDS为35 500 mg/L，经过两级反渗透系统的浓缩，浓海水的TDS达到67 000 mg/L。配套的浓水排放管采用直径为2.8 m的HDPE管道，采用铺管船法进行敷设，水下平均深度为19 m。为了防止海底洋流对管道冲击造成的管道位移或损坏，会在管道上每隔一定间距设置1个混凝土固定块。为了使该区域达到EPA要求的“在浓海水排放点的混合区影响范围内混合后的水体含盐量增加率不得大于2%”标准，在排水管道末端设有多个单孔扩散器，以实现与周围水体快速混合的效果，混合区大小约为320 m×120 m。Cannesson等[8]在2009年世界脱盐大会的报告中提及：长达18个月的连续监测证明，浓海水的排放并没有对该排放影响区域范围内动植物种类和数量产生影响，同时也证明了该浓海水排放方式的科学性和生态友好性。

3.3 利用现有电厂的排水系统进行排放

作为当前大型海水淡化工程的主要建设模式，“水电联产”是将海水淡化厂与发电厂建设在一起，实现水处理技术在能源和生产方面的有机耦合，利用电厂的廉价电力为海水淡化系统提供动力，从而实现能源高效利用，并降低海水淡化的投资和运行成本。同时，海水淡化厂可以利用发电厂的取、排水系统，实现原海水的取水和浓海水的排放，从而进一步降低海水淡化厂的吨水成本。

位于加利福尼亚州的Carlsbad海水淡化厂就是这样的一个案例。该水厂与Encina电站合建，水厂利用电厂的一部分循环温排水作为系统的进水，省去了取水管道和构筑物的建造；同时，较高的进水温度有利于降低淡化水的能耗。浓缩后的海水与另外一部分循环温排水汇合后，流入电厂排水池进行初步混合稀释，再通过排水管渠流回大海。图7为该项目的取排水流程示意图。

图7 Carlsbad海水淡化厂和Encina电站合建水量水质平衡图[9]Fig.7 Collocation of Carlsbad Desalination Plant and Encina Power Station[9]

由图7可知：电厂从Agua Hedionda湖中抽取227.1万t/d的原海水作为电厂的循环冷却水，经热交换后，其中有189.25万t/d的温排水直接排入混合排放水池；另外，有37.85万t/d的温海水进入海水淡化厂，经海水淡化厂处理后，近18.925万t/d的合格淡水供圣地亚哥地区的居民使用，另外的18.925万t/d的浓海水(含盐量为67 000 mg/L)与189.25万t/d的电厂温排水(含盐量为33 500 mg/L)进行汇合，在混合排放水池中进行初步混合稀释，整体的排水含盐量控制在36 200 mg/L左右，仅高出原海水8.05%的含盐量，混合的温排水再经排水管渠流入近海水域进行进一步的稀释，以实现合理、有效处理海水淡化厂浓海水的目的。

这种建造方式可以有效降低海水淡化系统的取水、排水系统的造价和吨水成本，同时可以实现浓海水的合理化排放。类似的案例还有很多，如Tampa Bay海水淡化厂、Huntington Beach海水淡化厂、Hadera海水淡化厂等。图8为Hadera海水淡化厂的温排水和浓海水河流排放图[10]。缺点是水厂运行的独立性和灵活性较差，水厂能否运行依赖于电厂的工作状态；另外，要求电厂的冷却水排放量必须大于水厂的原海水需求量，还需注意火力发电厂冷却水中铜、镍或铁的泄露，以免造成膜元件的污堵[11]。

图8 Hadera海水淡化厂的温排水和浓海水合流排放图Fig.8 Near Shore Discharge of Hadera Desalination Plant

3.4 3种浓海水直接排海方式比较

3种现有主要的浓海水直接排海的适用范围、优缺点和经济性汇总如表3所示。

表3 3种浓海水直接排海方式对照Tab.3 Comparison of Three Direct Discharge Methods of Brine

4 结论

根据国内外多个海水淡化项目的成功运行经验和实际的累积数据，一个设计合理、运行稳定、维护有效的浓海水排放系统并不会对浓海水排放点及混合区影响范围的动植物种类和数量产生不利的影响。同时，根据国际上的研究，绝大多数的海水生物可以在40 000～70 000 mg/L的浓海水中较好的存活和繁衍[10]。

近几年，越来越多的项目积极贯彻“绿色环保”的理念，在化学药剂的使用种类和投加方式上均有较大的优化，如采用冲击式杀菌替代连续加药式、通过实时监测原海水中有机物含量以降低混凝剂的用量、优化系统设计和运行方式以免除助凝剂的投加等，同时采用冲击式杀菌也可以有效减少还原剂的投加频次和使用量。另外，随着零排放技术的不断发展，正渗透技术(FO)、碟管式反渗透技术(DTRO)、高压反渗透技术(HPRO)、渗透辅助反渗透技术(OARO)、膜蒸馏技术(MD)、电渗析技术(ED)、蒸发结晶(MVR)等技术已经逐步在多个浓海水、污水零排放项目中得到应用，并实现了浓海水的资源化利用。

合理的浓海水排放方式、高效的药剂投加方式和资源化的浓海水回收方式，使得海水淡化系统在建造和运行过程中更加绿色化、环保化，也势必促进我国海水淡化产业的蓬勃发展。