海水抽水蓄能電站防污方案研究

陳滿，彭鵬，麻建超，劉超，段繼周，黃彥良

（1.南方電網調峰調頻發電有限公司，廣州 510635；2.中國科學院海洋研究所 海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室，山東 青島 266071；3.中國科學院海洋大科學研究中心，山東 青島 266071；4.青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋腐蝕與防護開放工作室，山東 青島 266237）

海水抽水蓄能電站是一種解決沿海或海島地區電網高峰、低谷之間供需矛盾的儲能方式，通常以大海作為下水庫，在沿海合適的山地上修建上水庫，利用海水作為流動介質。與以淡水為介質的抽水蓄能電站一樣，海水抽水蓄能電站運行靈活，可以與風電、太陽能等其他新能源聯合使用，承擔靈活調峰、調相、調頻、事故備用等任務。與陸上淡水抽水蓄能電站相比，海水抽蓄電站不需要建設下水庫，水量和水位幾乎不受季節變化、雨季等的影響，有利于發電水泵水輪機的穩定運行[1-3]。海水抽水蓄能電站雖然具有諸多優點，但由于海洋環境的特殊性，存在海水的腐蝕、生物污損、環境等問題。其中，生物污損問題在淡水抽水蓄能電站中也存在，但與淡水環境不同的是，海洋中具有更加豐富的海洋生物，其中大部分都可以成為污損生物，豐度也比淡水中高很多，海洋生物污損問題將更嚴重。近年來淡水抽水蓄能電站中爆發的淡水殼菜生物污損問題已經引起了廣泛關注[4-7]。海水抽水蓄能電站的生物污損問題必須要未雨綢繆。

在未經任何處理的海洋結構物上很容易被海洋生物附著。與淡水環境不同，海洋中生物種類多樣、數量多。目前已知的約4000多種海洋生物都可以成為污損生物，其固著生長在船殼水線下、海洋石油鉆井平臺、人工碼頭、養殖網具等各類海洋構筑物上，給人類的生活、生產經營活動帶來負面的影響[8]。

海洋污損生物主要分為軟性污損生物（如海綿）和硬性污損生物（如藤壺）。其中給人類生活、生產經營活動造成較大危害的主要是營固著生活、具有堅硬石灰質外殼或骨架的硬性污損生物，包括雙殼類軟體動物（如貽貝）、無柄蔓足類（如紋藤壺）和苔蘚蟲[9]。通常，污損生物的環境適應能力強，目前的治理手段尚不能完全進行有效控制。文中將對海水抽水蓄能電站關鍵部位的污損生物防治對策進行初步探討，以期對建設海水抽水蓄能電站和生態環境的保護提供科學依據。

1 生物污損對海水抽水蓄能電站的危害

海水抽水蓄能電站是一種解決沿海城市或地區，尤其是海島電力穩定的重要手段。然而，藤壺、貽貝、苔蘚蟲等海洋污損生物的幼蟲會隨海水進入循環水管道系統，附著、生長、繁殖，形成生物群落，從而產生生物污損危害。目前在運轉濱海電廠的經驗表明，嚴重的生物污損會縮小管徑，增大流道損失，降低生產效率，甚至會完全阻塞管道。附著不牢、脫落的污損生物還會導致閥門無法關嚴甚至阻塞，更為嚴重的會損害設備儀表，引發嚴重的安全事故，造成巨大的經濟損失[10-12]。此外，生物污損還會加速金屬的腐蝕。在日本沖繩海水抽水蓄能電站的真機實驗中發現，不銹鋼材質的轉輪、活動導葉、頂蓋、以及下環過流面上都確認了點蝕的發生，同時發現在每一個部件表面都附著有碳酸鈣，并且其上覆蓋有粘液（果凍狀的海洋微生物）[13]。因此，在海水抽水蓄能電站的設計和建設過程中，海洋生物污損問題需要特別加以注意。

2 海洋污損生物附著過程及其特點

研究表明，海洋生物污損的形成通常要經歷一個較為復雜的過程。浸沒入海水中的新鮮物體表面首先被粘膜（Condition film）覆蓋，這個過程通常時間很短，幾分鐘到幾個小時的時間。粘膜主要由表面物理吸附的蛋白質、多糖等有機大分子組成。隨后，受物體表面粘膜上營養物質的吸引，游離在海水中的細菌等會不斷粘附到粘膜上生長，以幾何級數的速率不斷繁殖，形成細菌群落，并不斷分泌胞外多糖，形成初級生物膜。與此同時，單細胞的硅藻等原生物也附著在物體表面，生長，幾何級數繁殖，生物群落組成更加豐富，形成更大的生物膜。同時，捕獲海洋中漂浮的富含營養物質的海泥，形成黏膜（Slime）。接著，海洋中游離的大型污損生物的孢子和幼蟲（如綠藻孢子、藤壺的腺介幼蟲）接近被黏膜所覆蓋的物體表面，發生如下過程：表面接觸—表面滑動—找尋合適位置—分泌粘液增強附著—變態生長并固著于浸海物體表面—不斷繁殖生長擴大形成群落，從而導致材料表面的生物污損[14]。

通常，以藤壺為代表的污損生物具有很強的繁殖能力和環境適應能力，能夠適應輸水管道中陰暗潮濕、高水流沖刷和低溶解氧的環境條件。已有研究表明，附著在海水輸送管道內壁、攔污柵或過濾網的污損生物主要是濾食性的雙殼類和無柄蔓足類。其中，雙殼類以貽貝為代表。紫貽貝多在北方溫帶海域產生嚴重危害，而在南方的亞熱帶或熱帶海域則以翡翠貽貝為優勢種。無柄蔓足類主要是各種藤壺，如鐘巨藤壺、致密藤壺、網紋藤壺、象牙藤壺等種類，南北方海域均存在，優勢種類不同而已。管棲多毛類通常是龍介蟲，華美盤管蟲在某些海域是優勢物種。另外，還會有牡蠣和蛤等種類出現。腔腸動物主要是筒螅、藪枝螅以及長鐘螅，具體種類與地理位置有關。苔蘚蟲僅在海水管道系統的進水口和濾水池或攔污柵等有光照的部位有附著[15-17]。

研究表明，海水流速會影響污損生物的附著。如海洋污損生物的代表藤壺在流速約為5 m/s時就會產生附著，在1～2 m/s時最容易附著[13]。除了地理位置、海水的流動速度，污損生物的種類和數量還與季節、海水溫度和鹽度、海水中營養物質的濃度、pH值、光照等因素有關。此外，浸水材料本身的物理化學性質如材料的化學組成（如含銅合金），材料的表面性能（如表面浸潤性、表面自由能）均可對海洋生物產生一定的影響，從而影響海洋生物的附著[18-20]。

3 海水抽水蓄能電站需要防污的典型部位

海水抽水蓄能電站的基本工作原理如圖1所示。通常，電站以海洋作為下水庫，在地形合適的山體修建上水庫。在電網電力使用不緊張時，即電能充足時，可以用富余的電能驅動海水泵或可逆式水泵水輪機組將下水庫的海水輸送到上水庫儲存起來，即電能轉化為水的勢能。在電網電力使用緊張時，即電能匱乏時，利用儲存的高水位海水驅動水輪機組發電，將水的勢能重新轉化為電能。

海水抽水蓄能電站需要防污的部位主要包括疏海水輸水管道（如X70鋼管、混凝土水渠和玻璃纖維增強聚酯管等）、攔污柵或過濾網、閥門、機組（水輪機、泵組的管道系統、輔助系統等）、尾水管等[13,21-23]。其中，藤壺、牡蠣等在輸水管道、水泵水輪機過流面、管道閥門等部件上的附著是導致流道損失、工作效率降低及管路阻塞的重要原因，因此，要特別注意輸送系統中易于形成沉淀的部位及管路，比如彎頭、閥門、尾水管路、機組的蝸殼等部件。

4 國內外生物污損的治理方法

海洋生物污損是人類從事海洋活動以來一直面臨的問題，其在全球范圍內給人們的海事活動造成了各種各樣的危害。人們也對生物污損開展了廣泛的研究和試驗，不斷探索并開發出了許多治理方法，根據其作用機理主要分為物理方法、化學方法和生物方法。

4.1 物理方法

物理防污方法，一般是指采用物理手段來達到防除污損生物的目的。主要有人工或機械清除法、水噴射流法、過濾法、控制水流速度法、超聲波法、光學方法等[7,24-25]。

人工或機械清除法通常需要工人借助特制的清除工具，對附著在船殼或海洋構筑物表面上的大型污損生物如藤壺、海草等進行鏟除，是一種古老且傳統的防污損生物的方法。隨著時代的進步，也發展了利用大型機械（如裝載機在干船塢清理船殼表面）或水下機器人進行清除。在條件允許時，也可以先使用淡水使海生物死亡，再進行機械清除。機械清除的優點是操作簡單，對清除大型污損生物效果好。但這種方法通常要停工停產，而且耗費時間久，經濟性差，并且只能清除，不能防止污損生物的再次附著。此外，在清除過程中，還會損壞船體或海洋構筑物表面，帶來腐蝕等其他問題。因此，在實際應用中，應盡量減少機械防除方法使用頻率。

水噴射流法是利用高壓水槍噴射出的水射流擊打表面產生的剪切應力來清除污損生物。常見用于涂刷有低表面涂料的船殼的清洗，因為低表面能涂料具有較好的延展性，在高壓水流沖擊時，會發生一定的形變，吸收能量而不會被損壞。此種清除方法具有較好的清除效果，對涂層的破壞小，但對設備要求高，成本較高。

過濾法通常在將海水引入海水輸送管道之前，設置海水過濾系統，利用過濾系統中的土壤、沙子或過濾網攔截大部分污損生物的蟲卵、孢子、幼蟲等。這種方法的優點是操作簡單、成本低、能夠濾掉大部分污損生物或其幼蟲等，在一定程度上能抑制污損生物。但過濾法不能 100%地過濾掉所有生物，“漏網”的孢子或幼蟲進入管道后會迅速生長繁殖，導致生物污損。

控制水流速度法是利用海洋污損生物附著對水流速度的敏感性，在條件允許的情況下，通過加大管道中水流的速度來達到防污的目的。此方法的優點是易于實施、成本較低，缺點是應用受限，適用于直行且較寬的管道系統，對彎頭較多或狹窄的管道系統，容易造成堵塞。

超聲波法是利用電子裝置產生一定頻率的超聲波，擾亂污損生物賴以生存的環境。此方法優點是易于實施，有一定防污效果。然而，制造超聲波通常需要消耗大量的能量，成本高。此外，所用超聲波的頻率對現場工作人員、海洋構筑物和其他儀器的影響尚需要研究。

光學方法是利用特定波長的光來趨避、抑制污損生物幼蟲的附著、生長或殺死污損生物，達到防污的目的。采用較多的紫外線，因其能改變某些生物分子的化學性質，從而抑制污損生物的生長發育。這一方法的最新研究進展是，阿克蘇諾貝爾旗下的海洋涂料公司IP開發出了基于紫外發光二極管（UV-LED）的海洋防污體統，該系統將UV-LED與海洋防污涂料融為一體，達到協同防污目的。

物理方法具有較好的清除效果，并且對周圍環境影響小，但是其往往需要大量的人力物力（如機械清除法），甚至需要較高的技術要求（如超聲波法），因此，物理方法不適用于大規模的污損生物防治。

4.2 化學方法

化學防污方法是指利用特定的化學手段或殺生劑對污損生物及其幼體進行趨避、抑制甚至是毒殺，達到抑制或完全阻止附著，大大降低附著密度或強度，從而達到防污的目的。化學防污方法簡單、經濟、高效，是目前工業及航運業應用最廣泛的方法。根據實施化學手段的不同，化學防污方法主要分為直接加入化學藥劑法（加藥法）、電解防污法、涂裝防污涂料法和銅合金包覆法。

4.2.1 加藥法

加藥法是指直接向待處理海水中投放一定量單一的或復配的具有趨避或毒性的化學物質，趨避或抑制污損生物幼體的附著及生長發育，或直接殺死游離的或附著的污損生物。加藥法實施簡便、效果顯著、見效快，適用于封閉系統、海水循環管道等的污損生物防治。

一般加藥法采用的化學物質按殺生機理分為氧化型和非氧化型殺生劑。其中氧化型殺生劑主要有次氯酸鈉溶液、液氯、氯胺、氯氣、二氧化氯、雙氧水、臭氧等；非氧化型殺生劑常見的則有季胺鹽、金屬鹽溶液（如銅離子鹽溶液）、烷芳基胺（如MEXEL 432）等。與液氯等相比，臭氧的殺生作用更強、效率更高、污染小，顯得更有前途[26]。此外，采用非氧化性殺生劑和氧化性殺生劑交替使用在濱海電廠的實踐中也取得了良好的控制污損生物生長的效果。

4.2.2 電解防污法

電解防污技術是指利用特定的電極，通過電化學方法生成的化學物質來抑制或殺死污損生物及其幼體。電解防污方法操作簡便、自動化程度高、相對安全可靠。既可適用于濱海電廠的循環水系統防污，也可應用于船舶及海洋平臺的防污。電解防污法主要分為電解海水防污法和電解重金屬防污法。

電解海水防污法是利用特制的電極（如釕鈦陽極）電解海水產生有效氯，如 HClO-、ClO-、Cl2，這些電解產物對海洋污損生物或其孢子、幼蟲具有很強的殺傷作用，從而達到防污的目的。后來發展的電解涂層的方法是電解海水方法的延伸，在被保護結構表面涂覆一層導電涂料，然后在涂層上施加微弱的電流，涂層表面附近的海水電解，形成10 μm厚的次氯酸根離子層，抑制海洋污損生物的附著[27]。但電解涂層的方法應用受限，目前實踐中廣泛應用的還是電解海水的方法。

電解重金屬防污法是利用電解產生的重金屬離子（主要是銅離子）對海洋污損生物的細胞毒性達到防污的目的。目前，電解銅-鋁（鐵）防污技術和電解氯-銅防污技術是電解重金屬防污法常用的兩種技術。其中，電解銅-鋁防污技術的原理是：在電解槽中，同時施加直流電給銅陽極和鋁陽極，銅陽極電解生成有毒的銅離子（殺生劑），鋁陽極電解生成三價的鋁離子，與海水中的氫氧根離子形成氫氧化鋁絮凝物，作為銅離子的載體，起到緩釋的作用。而電解氯-銅防污技術的陽極是由金屬銅和析氯活性陽極組成，當電流通過陽極時，銅陽極表面生成銅離子，而析氯活性陽極電解生成氯氣，與陽極表面的海水作用產生次氯酸根離子，兩種有毒物質協同作用，增強防污效果。

電解重金屬的優點是投資小、運行成本低、安裝簡單；其缺點是產生重金屬離子，對海水環境污染較大。

4.2.3 涂裝防污涂料法

涂裝防污涂料法是指在海洋構筑物（如船殼）與海水接觸的表面上涂裝防污涂料的一種方法。目前，防污涂料主要分為兩大類：一類是含防污劑（化學毒性物質）的防污涂料；另一類是不含防污劑的污損釋放涂料。其中，含防污劑的防污涂料主要依靠有毒的防污劑緩慢釋放到海水中，抑制海洋污損生物附著和生長，達到防污目的。污損釋放涂料具有光滑、低表面能、低彈性模量的表面，其本身不防污，海洋污損生物可以在其表面生長，但附著不牢固，在外界作用力或水流剪切作用下，很容易從涂層表面去除掉。

涂裝防污涂料的優點是簡便、成本低、維護周期長、應用廣泛。缺點是構成防污涂料的大多數樹脂降解慢，會導致海洋微塑料污染；有毒防污劑會對非目標生物造成威脅，破壞海洋生態環境。

隨著研究的深入和科技的發展，近年來，生物可降解樹脂、海水中快速降解防污劑和新型無毒防污涂料不斷涌現。

4.2.4 銅合金包覆法

利用銅或銅合金在海水中緩慢腐蝕以及銅離子對海洋污損生物的細胞毒性，將銅或銅合金制成薄片或篩網，覆于被保護物體的表面，通過銅或銅合金在海水中的緩慢溶解、不斷釋放有毒的銅離子，從而達到抑制海洋污損生物附著的目的。

4.3 生物方法

生物防污方法是指利用自然界中的生物活性物質來防止海洋污損生物附著的一種方法。一般地，自然界中具有防污活性的天然化合物主要包括：無機酸、有機酸、大環內酯類、萜類、酚類、甾醇類和吲哚類等。人們已從海洋生物和陸地生物中提取到了一系列具有防污活性的天然化合物，初步研究結果表明，這些化合物具有良好的防污活性[28]。其中，海洋細菌、海綿、柳珊瑚、石莼、牡丹皮、辣椒、苦楝樹等都進行了較深入的研究。天然產物來源廣泛，可自然分解，不會導致生物富集是其優點，但是，其大批量生產問題、在涂料中長久保持活性以及在海水中緩釋的問題目前尚沒有解決好。因此，基于天然活性物質的生物防污法尚處于實驗室研究階段。

5 海洋污損生物防除對策

5.1 水工建筑物的防污防護

海水抽水蓄能電站的主要水工建筑物包括上水庫、輸水系統、廠房以及尾水渠等結構。其中，需要進行防污防護的部位主要是上下水庫的進出水口、壓力管道、尾水渠[29]。

對于上水庫的進水口（海水抽入上水庫），可以采取耐污合金和涂刷防污涂料結合的方法，同時配合管道的電解海水防污，期望達到較好的防污效果。對于上水庫的出水口（海水流出上水庫），應設計攔污柵或過濾網，同時增設二次濾網。因為粗攔污柵的柵條間距通常較寬（如50 mm），只能清除水流中粗大的污物、集中污物和漂浮物，而旋轉濾網因自身結構特點，容易出現噴射系統出力不夠、密封不嚴等問題，導致垃圾進入凈側。因此，在做好粗攔污柵、旋轉濾網選用耐污材料、涂刷防污涂料和電解海水防污等工作后，為了達到更好的防污效果和更長久的檢修期，建議增設二次濾網[30]。

對于壓力管道，一般采用鋼管作為海水的輸水管道，材質通常采用 X70管線鋼。同時，考慮到海水腐蝕的影響，通常會做防腐處理，常常采用防腐涂料和陰極保護措施。但這些防腐措施不會阻止生物的附著，因此，也要考慮其防污問題。

對于大管徑大流量的管道，在經防腐涂料處理過的鋼管上，涂刷防污涂料通常比較經濟實用。目前的無錫長效自拋光防污涂料已經廣泛應用在海洋船舶的防污處理上，通過調節涂料的自拋光速率以及所含防污劑的滲出速率，自拋光防污涂料可以達到5年以上的防污效果[31]。與船舶不同的是，海水抽水蓄能電站管道中海水的流速可能沒有船舶的速度快，還有就是抽蓄是間歇性工作，會出現干濕交替。海水雖然經過攔污柵或過濾網，但是仍然會含有泥沙，海水在管道中的流動會對管壁有一定的沖刷作用。防污劑的過度排放也會影響海洋環境以及非目標生物等。因此，在設計海水抽水蓄能電站管道自拋光防污涂料配方時，要充分考慮耐干濕交替、耐沖刷、防污劑的滲出等因素。此外，污損釋放型防污涂料（也叫低表面能防污涂料）技術正受到各個國家的重視，如將其涂刷于管道內壁，不僅海洋污損生物很難附著，而且水流的作用力還可以使附著不牢的生物脫落。為了達到綠色環保、高效的防污，需要綜合采用電化學的防污技術。通過電解海水或電解重金屬，借助產生的次氯酸鹽或重金屬離子，達到防除污損生物、降低防污劑使用量和保護海洋環境的目的。電解防污方法操作簡便、自動化程度高、相對安全可靠，配合防污涂料使用，可以達到良好的協同防污的效果。其中，電解海水法所取得原料是源源不斷的海水，便于長期投資和管理，產生的次氯酸鹽可以隨海水的流動到達管道內的各個部位，有效地殺死污損生物或其幼蟲。

對于小管徑小流量的技術供水系統，如各種儀表接管。涂刷防污涂料往往是不現實的，這就需要首先從選材上選擇耐污性強的材料，比如青銅等含銅的合金。另一方面，也可以從設計上考慮，采取易于更換的設計方案。次之，采用電化學防污方法或其他物理的方法如超聲波法等，但要綜合考慮成本、施工等的可操作性。

另外，適當提高海水的流速也能一定程度上達到降低污損生物附著的效果，這是因為污損生物的幼蟲的附著對流速有一定的要求。如華美盤管蟲幼蟲僅在海水流速為1.7～9.1 cm/s 的范圍內能夠附著，而多室草苔蟲則擴至53.0 cm/s，最適宜藤壺幼蟲附著的流速為10.6 cm/s[16,32]。因此，設計時選擇合適的海水流速在一定程度上可減輕或避免海洋污損生物的附著。

尾水渠通常采取鋼筋混凝土水渠，采用涂刷有機防污涂料的方法可取得較好的防污效果。

5.2 水泵水輪機組的防污防護

由于海洋生物的多樣性和海洋環境的復雜性，海水水泵水輪機的生物附著問題一直困擾著人們。由于機組系統管道較多，且多彎頭和縫隙，蝸殼空間狹小，這些部件都較容易形成沉淀，發生生物污損。同時，流經這些部件的海水流速較大，且多湍流，摩擦較大，因此，機組不適合涂刷有機防污涂料，因為有機防污涂料的附著強度和機械強度都經不起如此高強度的海水沖刷和磨蝕。為了達到較好的防污效果，多種防污方法結合使用往往比單一方法更為有效，海水泵水輪機的防污應該優先采用電化學方法和化學加藥法，同時在成本控制允許的條件下，配合選用有一定耐污性能的材料（如含銅合金）制作相應的部件。不過，這些方法的可行性均需要通過進一步的實驗研究來驗證。

5.3 其他部位的防污

對于引水管、進水口的攔污柵或過濾網，通常位于水深約20～50 m的海底，此處陽光較少，溶解氧也較少，海水比較干凈，海洋污損生物理論上會比較少。此處的防污可以從材料的選材角度出發，選擇耐污的銅合金等，另外結合涂刷防污涂料的方法。

對于涂料易磨損或沖刷的地方，如閥門、閘槽等，可采用耐污銅合金（如青銅）和電解防污、熱處理技術[33]、使用化學藥劑等方法相結合進行綜合防污。

需要說明的是，對于這些易于發生污損的部件，采取合理的設計方案和及時有效的機械清除或人工清污也是有必要的。

6 結論

1）海水電站循環水系統的大型污損生物主要是貽貝為代表的雙殼類、藤壺為代表的無柄蔓足類和華美盤管蟲為代表的管棲多毛類，附著行為則與地理位置、海水介質的流速、材料本身的性質等有關。

2）大管徑大流量的管道內的污損生物可以采用控制海水流速、涂裝自拋光防污涂料和低表面能防污涂料，并采用電化學技術增強防污。

3）小管徑小流量的管道、不容易涂刷防污涂料的部件以及防污涂料易脫落的部件（如閥門），可以采用選材（如含銅合金）、電化學技術、熱水法以及超聲波法等進行綜合防污處理。

4）海洋環境復雜，生物物種多樣，考慮到每種生物均具備獨特的生物學特性，未來的工作不僅要側重防污技術的開發，還應對海洋污損生物展開調查，了解其種類分析鑒定、群落結構特征、優勢種的附著特點，更應對污損生物幼蟲的附著機理展開系統的研究。加強物理、化學、生物、材料、環境、工程等學科的交叉和滲透，開發更為高效環保的防污體系。