海水淡化濃鹽水排放對環(huán)境的影響與零排放技術(shù)研究進展

1、海水淡化濃鹽水排放對環(huán)境的影響與零排放技術(shù)研究進展    摘要：回顧了目前常用的海水淡化技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀，重點綜述了海水淡化濃鹽水排放對海洋環(huán)境的影響，分析了排放鹽水的組分、鹽度、熱污染、腐蝕產(chǎn)物、化學清洗劑等對海洋環(huán)境和海洋生物的潛在影響，提出了相應(yīng)的解決措施與解決方法，說明濃鹽水零排放技術(shù)是解決環(huán)境問題的有效途徑。關(guān)鍵詞：海水淡化；海洋環(huán)境；濃鹽水；零排放隨著海水淡化技術(shù)的進步，海水淡化作為可持續(xù)開發(fā)淡水資源的手段在越來越多的國家如火如荼地發(fā)展起來。然而，現(xiàn)行海水淡化方法水回收率較低，熱法海水淡化裝置的水回收率為15%50%，膜法海水淡化裝置的水回收

2、率僅為30%40%，其余大部分海水經(jīng)淡化后濃鹽水被直接排回大海。在脫鹽過程中加入的化學藥劑、產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物、吸收的熱量等的排放必將對近海海域環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生影響。而且，隨著淡水需求的增加、海水淡化規(guī)模的增大，其影響程度必將加劇。因此，大規(guī)模海水淡化可能引發(fā)的環(huán)境問題引起了國際社會越來越多的關(guān)注，包括海水淡化濃鹽水排放對環(huán)境的潛在影響1-5與海水淡化濃鹽水合理排放等6-7。1海水淡化技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀至今海水淡化方法已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十種，主要包括熱法、膜法、離子交換法、水合物法、溶劑萃取法、電去離子法（EDI）和冷凍法等。其中，熱法海水淡化技術(shù)包含了多級閃蒸（MSF）、多效蒸發(fā)（MED）、壓汽蒸餾（VC）

3、；而膜法海水淡化技術(shù)包括反滲透法（RO）、電滲析法（ED）。目前工業(yè)上常采用的海水淡化方法主要有MSF、RO和MED。圖1所示為全球脫鹽裝置采用技術(shù)分布情況（包括海水、鹽鹵水、廢水、河水等不同進料水的所有脫鹽裝置）。MSF技術(shù)最為成熟、能耗大，適合于大型海水淡化裝置，在海灣國家采用較多。RO是海水淡化技術(shù)中發(fā)展最快的技術(shù)之一，對大、中、小型規(guī)模海水淡化裝置均適用，無熱源需求。除海灣國家外，其它歐、美、亞地區(qū)大型海水淡化裝置均首選反滲透技術(shù)。MED技術(shù)中低溫多效蒸餾技術(shù)（LT-MED）有著操作溫度低、預處理更為簡單、操作彈性大、動力消耗小、熱效率高、操作安全可靠等種種優(yōu)點，發(fā)展迅速，是目前熱法海

4、水淡化技術(shù)中最有發(fā)展前景的海水淡化技術(shù)。19802008年期間每年新增RO、MSF、MED海水淡化生產(chǎn)能力情況，如圖2所示。從圖2可以看出，MED在熱法海水淡化技術(shù)中越來越具有競爭力，正在逐步超越已經(jīng)成熟的MSF技術(shù)。19972002年，MED僅占熱法海水淡化的約25%，而20032008年，MED占了熱法海水淡化市場的42%。圖1全球脫鹽技術(shù)分布情況8圖21980-2008年每年新增海水淡化生產(chǎn)能力情況8目前，世界許多國家和地區(qū)利用脫鹽技術(shù)，滿足了淡水資源的需求，約2/3的淡化水用于市政供水，1/3用于工業(yè)用水、電廠、農(nóng)業(yè)等。根據(jù)國際脫鹽協(xié)會（IDA）20092010年度報告8，全世界已建成

5、的脫鹽裝置總淡水生產(chǎn)能力達5990×104m3/d，仍有約180×104m3/d生產(chǎn)能力的裝置在建。自1966年世界脫鹽裝置生產(chǎn)能力增長趨勢如圖3所示。其中，包括目前可能已經(jīng)停產(chǎn)的裝置，涵蓋了采用不同脫鹽技術(shù)的海水、鹽鹵水、廢水、河水或純水脫鹽處理裝置，如MSF、MED、RO、ED等。圖4給出了19802008年每年新建和待建海水淡化裝置的生產(chǎn)能力。截至2009年底，我國海水淡化總生產(chǎn)能力約35×104m3/d，尚有在建工程約30×104m3/d，設(shè)計與簽約中的近10×104m3/d9。1945年以來世界10大脫鹽生產(chǎn)能力的國家，如圖5所示，中

6、國位于第6位。海水淡化工程發(fā)展迅速，日益滿足了目前市政、工業(yè)等淡水需求。然而，海水淡化工程大規(guī)模的建設(shè)對環(huán)境的影響問題也日益突出。IDA20082009年度報告在分析海水淡化現(xiàn)有問題中指出10，海水淡化裝置的建設(shè)必須考慮其經(jīng)濟性和環(huán)境影響，海水淡化對海洋與海洋生物的污染必須引起重視。因此，海水淡化濃鹽水排放可能引發(fā)的環(huán)境問題與海水淡化濃鹽水合理排放必須引起關(guān)注。2海水淡化對環(huán)境的影響海水淡化對環(huán)境的影響主要包括兩個方面：海水淡化對社會環(huán)境的影響和濃鹽水排放對海洋環(huán)境的影響。2.1海水淡化對社會環(huán)境的影響目前，熱法海水淡化能耗高，能量利用率低，造成能源的大量浪費。RO膜法海水淡化需要采用高壓泵，

7、消耗大量的電能。研究表明11，每產(chǎn)1m3的淡水，MSF、MED和RO能耗范圍分別為2436kW·h、1830kW·h和36kW·h；同時MSF和MED熱法海水淡化還應(yīng)包括1.24.5kW·h的動力消耗，而對于無能量回收裝置的RO裝置，能量消耗更大。除耗能的影響外，海水淡化設(shè)施與廠區(qū)建設(shè)占據(jù)部分海岸線，而且海水淡化廠還需要相應(yīng)的輔助設(shè)施，導致海岸向工業(yè)區(qū)發(fā)展，破壞自然景觀，沿岸地區(qū)的土地價值降低；大量用于輸送海水和濃鹽水的管路埋設(shè)地下，管道腐蝕或滲漏會污染地下蓄水層12。此外，RO膜法海水淡化中需采用高壓泵，噪聲大。而熱法海水淡化為防止結(jié)垢與腐蝕必須進行脫

8、氣，脫出的CO2直接排入大氣，用于發(fā)電與蒸汽鍋爐的煤炭燃燒也會產(chǎn)生大量CO2氣體，造成大氣污染。                2.2濃鹽水排放對海洋環(huán)境的影響熱法海水淡化過程中，部分海水經(jīng)預熱后直接排放，會造成海洋環(huán)境的熱污染。并且，MSF的最高鹽水溫度一般為9011013，海水必須進行殺菌、降濁、脫碳、脫氧、加緩蝕劑、阻垢劑、消泡劑等一系列的預處理，殘留的化學藥劑最終進入排放系統(tǒng)，會對海洋環(huán)境造成影響。此外，系統(tǒng)中結(jié)垢與腐蝕產(chǎn)物隨清

9、洗劑一起進入排放系統(tǒng)，也會對海洋環(huán)境造成影響。RO膜法海水淡化過程水回收率低于40%，濃鹽水排放量大；RO膜的進水要求高，必須對原料海水進行殺菌、降濁、軟化、中和等一系列嚴格的預處理14；RO膜需要頻繁的物理或化學清洗。海水預處理試劑和清洗劑等隨著濃鹽水直接排放都會對海洋環(huán)境和海洋生物造成一定的影響。以下將從排放鹽水的組成、鹽度、熱污染、腐蝕產(chǎn)物、化學清洗劑5個方面分析濃鹽水排放對海洋環(huán)境和海洋生物的影響。2.2.1排放鹽水的組成現(xiàn)行的海水淡化方法水回收率較低，50%70%的進料海水經(jīng)濃縮后排放至海洋。表1給出了RO與MSF海水淡化過程排放濃鹽水的典型性質(zhì)。從表1數(shù)據(jù)可以看出，濃鹽水的組成中，

10、化學藥劑的排放是影響海洋環(huán)境的關(guān)鍵因素。海水淡化預處理中用到的主要化學藥劑有：殺菌劑、混凝劑、阻垢劑、緩蝕劑、消泡劑、還原劑、酸堿等16。而這些藥劑及其副產(chǎn)物最終隨濃鹽水排放到海洋中，嚴重破壞了海洋環(huán)境。預處理過程中常用的殺菌劑有液氯、次氯酸鈉等，由于RO膜組件易被氧化，所以進料水在進入RO系統(tǒng)前必須進行中和余氯的處理。因此，只考慮熱法海水淡化中氯的排放。多數(shù)MSF裝置出口濃鹽水中氯的濃度為0.20.45mg/L17-21。Höpner等22考察了紅海北部排放濃鹽水中氯含量對海洋環(huán)境的影響，按氯的排放濃度為0.25mg/L，回收率為10%計算，紅海北部海域每天氯的排放量達2708kg

11、。濃鹽水排放后，氯濃度會由于降解和物理稀釋過程而有所降低，但是即使是低濃度的氯對水生生物也有一定的危害。首先，氯是一種強力殺生劑；其次，氯與海洋中有機物反應(yīng)可形成大量的氯代副產(chǎn)物，這些氯代有機物對水生生物都是有害的23。多數(shù)海水淡化廠采用混凝劑（如氯化鐵、硫酸鋁）和助凝劑（如陽離子、陰離子聚合電解質(zhì)）來降低原料水中懸浮物含量?；炷a(chǎn)物導致過濾器堵塞后，采用預處理后的海水反洗，每天反洗后的泥水混合物未經(jīng)處理便排放到海洋中去。這些物質(zhì)毒性低，但是會使海水的濁度升高、透光性降低，可能會對深海生物造成一定的影響。此外，海水淡化過程中常用的緩蝕阻垢劑、消泡劑和還原劑多為含磷的有機或無機化學品，隨濃鹽水排

12、放至海洋中，可能會導致水體的富營養(yǎng)化，尤其是在半封閉的海灣區(qū)域。半封閉海域與外海自然交換和自凈能力弱，有機物含量增大，導致海水化學需氧量（COD）增大、濁度升高。2.2.2鹽度排放濃鹽水的鹽度約為天然海水的兩倍。大洋中海水平均鹽度在3300037000mg/L。但是，由于蒸發(fā)速率高和淡水匯入量小，加上海水淡化廠的濃鹽水排放，導致部分地區(qū)的海水鹽度遠遠超出了平均值，如阿拉伯海灣地區(qū)達45000mg/L24，地中海和紅海地區(qū)也達41000mg/L。已有研究表明25，按照我國2010年規(guī)劃的海水淡化規(guī)劃量計算，所產(chǎn)生的排海濃鹽水會導致我國膠州灣地區(qū)局部海域鹽度和高鹽度水域面積明顯增加。濃鹽水的排放導

13、致海洋鹽度的增加，而且半封閉海域海水更新速度慢，使鹽度分布不均26。過高的鹽度對一些耐鹽性差的海洋生物可能是致命的，并且長期的高鹽度與鹽度分布不均，可能會引起海洋生物的物種組成與分布的變化。2.2.3熱污染冷卻水系統(tǒng)排放的海水伴隨著一定的熱量排放，這會對海洋環(huán)境造成一定的熱污染。亞熱帶海洋生物一般適應(yīng)2030的溫度。人們認為30是許多水生生物能夠承受的上限溫度，尤其是對海洋生物的幼蟲而言。海水淡化RO系統(tǒng)濃鹽水排放溫度比環(huán)境溫度高35，而熱法海水淡化排放濃鹽水的溫度比環(huán)境溫度高315。2000年以來，阿拉伯海灣海水最高溫度保持在35左右，最低溫度一直在逐漸增長24。許多海水淡化廠熱鹽水的排放導

14、致了這種反?，F(xiàn)象。過高的排放溫度可能直接影響海洋生物的生長和繁殖，改變海洋生物的生理機能，并影響其產(chǎn)卵、生長及幼蟲孵化能力27；可能導致嚴重的生態(tài)破壞，改變天然海洋生態(tài)系統(tǒng)的分布、構(gòu)成與多樣性。此外，海水溫度的上升也影響海水水位、溶解氧含量等參數(shù)，間接對海洋生物和水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。2.2.4腐蝕產(chǎn)物熱法海水淡化過程中，蒸發(fā)器內(nèi)部多采用鋁黃銅、鎳黃銅等各種傳熱管。所以，熱法海水淡化廠排放濃鹽水中含有一些銅、鎳、鐵、鋅等腐蝕產(chǎn)物。其中銅的排放濃度最高，因此銅對海洋環(huán)境的影響也引起了廣泛的關(guān)注22，24。Oldfiled等28對MSF排放濃鹽水中銅的濃度進行了監(jiān)測，指出新建的控制良好的過程中銅的含量

15、將小于100mg/m3。在濃鹽水中濃度最大的重金屬是銅，其含量比自然海水高12個數(shù)量級。Höpner等22指出以排放水中銅的濃度為15mg/L、水回收率為50%計算，紅海北部海域每天銅的排放量達36kg。美國國家環(huán)保局建議海水中銅含量不得超過4.8mg/m3（短期）和3.1mg/m3（長期）。                除了銅，腐蝕產(chǎn)物中還有鎳、鋅、鉻、鉬和鐵等金屬污染物也會對海洋環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。金屬離子通過擴散、沉積

16、，會被深海生物體吸收，最終在整個食物鏈中傳遞。多數(shù)金屬離子也是多數(shù)生物體必要的微量營養(yǎng)素，但如果其濃度超過了生物體所需的量就會有毒害作用。2.2.5化學清洗劑海水淡化過程中，過濾器、蒸發(fā)器與膜組件都需要定期清洗。清洗過程采用物理沖洗或酸堿等化學清洗劑清洗，清洗廢液的排放也會造成海洋環(huán)境的污染，進而影響海洋生物的生存狀態(tài)。綜上所述，排放濃鹽水的組成、濃度、熱量、腐蝕產(chǎn)物與清洗排放水等嚴重影響了海洋環(huán)境，對海洋水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境和海洋生物產(chǎn)生了不利的影響。表2總結(jié)了濃鹽水污染物特征及其對海洋環(huán)境的影響。3應(yīng)對措施與解決方法3.1能源的綜合利用針對海水淡化過程能源消耗的問題，首先，必須對海水淡化裝置進行

17、能量及技術(shù)經(jīng)濟性能進行分析，根據(jù)具體情況選擇能耗相對較低的海水淡化技術(shù)和裝置，例如小型海水淡化裝置多采用VC、ED等方法；大型海水淡化裝置多采用RO、MSF、MED等技術(shù)。其次，單一海水淡化過程水回收率較低，能源利用率低，采用多種海水淡化技術(shù)復合，不同淡化方法的耦合過程29-30，實現(xiàn)集中聯(lián)產(chǎn)，不僅可以提高海水淡化的水回收率，還可以實現(xiàn)能源的綜合利用。熱膜聯(lián)產(chǎn)主要是采用熱法和膜法海水淡化相聯(lián)合的方式（即MED-RO或MSF-RO方式），滿足不同用水需求，降低海水淡化成本，提高能源利用率。如圖6所示為沙特SWCC（SalineWaterConversionCorporation）公司NF/RO/

18、MSF熱膜聯(lián)產(chǎn)復合海水淡化系統(tǒng)流程示意圖31。該復合裝置中MSF進水為RO濃水，該系統(tǒng)水回收率大于70%，MSF裝置最高鹽水溫度（TBT）可達130。另外，結(jié)合新型可再生能源，如太陽能、風能、地熱能、潮汐能等32-33，從根本上減少傳統(tǒng)石化能源的消耗。德國宇航中心（GermanAerospaceCenter，DLR）進行了太陽能（concentratingsolarpower，CSP）用于海水淡化裝置的研究，指出了該技術(shù)在中東和北非地區(qū)的應(yīng)用潛力，分析表明CSP技術(shù)與RO和MED海水淡化裝置結(jié)合是一種低能耗和低成本的選擇10。最后，海水淡化裝置選址在離發(fā)電廠近的且廢熱能回收利用的地方，充分利用

19、低成本的低品位廢熱，并可結(jié)合熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用提高低品位熱源品質(zhì)，實現(xiàn)廢熱的回收利用，節(jié)約能源。大連理工大學與大連石油化工公司合作開發(fā)的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的500t/dMED海水淡化中試裝置即采用了熱泵技術(shù)、低品位廢熱利用等技術(shù)。Diego等34基于太陽能MED裝置采用雙效吸收熱泵技術(shù)改進的海水淡化小試裝置（如圖7所示），系統(tǒng)總性能比（performanceratio）達20，比太陽能MED系統(tǒng)節(jié)約50%的太陽能板換熱面積。3.2取排水的優(yōu)化設(shè)計對于海洋環(huán)境的利用要基于維持海水生物生產(chǎn)率的長期發(fā)展，并且要求保持所有海洋生物數(shù)量的正常，能夠充分滿足用于商業(yè)、娛樂、科學與教育的要求。生物生產(chǎn)率和海水、溪流、濕地、河口與湖泊的質(zhì)量要適于維持最佳的海洋生物數(shù)量和保護人類健康，盡可能地通過各種方式來修復，把廢水排放與取用水帶來的不利影響降到最低。Palomar等35總結(jié)了西班牙海水淡化裝置的現(xiàn)狀，并基于鹽水性質(zhì)、環(huán)境評價方法、海洋監(jiān)測和條約等，針對濃鹽水排放系統(tǒng)的設(shè)計提供了建議。Thomas等36指出海水淡化裝置的設(shè)計與建設(shè)應(yīng)充分考慮海洋環(huán)境優(yōu)化設(shè)計取排水。海水淡化裝置取排水設(shè)計應(yīng)考慮以下因素：取水口