反滲透濃海水排放技術及應用

李 洋，許衛國，王福家

(江蘇豐海新能源工程技術有限公司，江蘇鹽城 224100)

根據自然資源部海洋戰略規劃與經濟司在2020年1月發布的《2018年全國海水利用報告》中的統計，截至2018年底，全國已建成海水淡化工程共計142個，累計工程規模達120.17萬t/d，2018年新增海水淡化工程5個，新增規模為1.25萬t/d。這些新項目的建成，為實現《全國海水利用“十三五”規劃》要求的“在十三五末(即2020年)全國海水淡化總規模要達到220萬t/d以上的目標”，奠定了堅實的基礎。

隨著國內外海水淡化產業的蓬勃發展，“向大海要淡水”的愿景，已經變成了現實。然而，作為海水淡化系統的副產物，濃海水的處置已經成為海水淡化產業蓬勃發展的道路上不得不考慮的問題。按國內2018年的120.17萬t/d產能計算，系統回收率按40%計，每天排出的濃海水量近180.255萬t?？茖W、合理地處理這些濃海水，對推動國內海水淡化產業的發展，會起到很好的促進作用。

在海水淡化產業較為成熟的地區，如美國、澳大利亞、中東、日本等，濃海水的排放及其對近岸生物的影響已經有了較為深入的調查和研究，也取得了一定的結論和成果。國際水回收利用和脫鹽協會于2011年出版的《濃海水管理白皮書》中提到：“經過長期的項目實踐表明，科學設計和有效管理的濃海水排放措施不會對排放點的周圍環境造成危害，也不會對當地的海洋生物造成不利的影響。同時，多區域的海洋生物對40 000～70 000 mg/L鹽度的濃海水都有很好的耐受度[1]?！蔽覈凇逗Ｋa業發展“十二五”規劃》中明確提出：“海水淡化系統的濃海水要科學處理，應優先綜合資源化利用，在不具備資源化利用的條件時，也應適當地處理濃海水并選擇正確的排放方式?！?/p>

目前，濃海水的處置方法主要有：直接或間接排放、回用作為生產用水、資源化利用和蒸餾濃縮[2]。直接或間接排放的方式主要有：排入地表水或海水、排入污水處理系統、深井注入地下和排入垃圾填埋場等，該方法施工簡單、投資運行成本低，但須嚴格控制排放標準，以免造成環境危害；反滲透的濃海水作為預處理裝置的反洗用水，可以提高整個系統的水利用率、降低原海水取水量和淡水噸水制造成本；濃海水可用于制鹽，可減少鹽田占地面積、縮短曬鹽周期，還可提溴、提鎂和用于海產品養殖等；蒸餾濃縮是進一步對濃海水進行回收甚至結晶化，以降低廢水排水量，實現近零排放的目的，但該方式投資和運行成本高，經濟效益不大。作為最簡單、經濟、有效的處理方式，直接排海技術在現有大、中、小型海水淡化項目中，已有大量的應用案例，也取得了較好的處理效果。本文主要介紹濃海水直接排海的技術要點，以及該技術在現有實際項目中的應用情況，并對3種濃海水直接排海方式的適用范圍、優缺點和經濟性進行對比。

1 濃海水的來源及特征

1.1 濃海水的來源

基于反滲透系統的工作原理，從保證系統能夠長期穩定運行的角度考慮，海水淡化系統在設計時，反滲透裝置的產水回收率一般取40%～50%，即只有40%～50%的水能夠透過反滲透膜形成淡化水(水中含鹽量一般在500 mg/L以下)，剩下50%～60%的水將容納原海水中99%以上的溶解物質，從而導致這部分水具有更高的含鹽量，一般是原海水的1.5～2倍，將這股水稱之為濃海水。

圖1為典型的反滲透法海水淡化系統的工藝流程圖。由圖1可知，系統在產出合格淡化水的同時也會排出各類廢水，主要有：(1)預處理系統的廢水(混凝沉淀池的排泥水、氣浮池的上層刮渣水、各類重力式/壓力式過濾器的正洗水和反洗水、微濾/超濾裝置的反洗水和化學清洗水等)；(2)不合格的預處理系統產水；(3)反滲透濃海水；(4)反滲透系統的沖洗水和化學清洗水；(5)不合格的反滲透系統產水，其中反滲透濃海水占整個系統廢水排水量的90%以上[1]。

1.2 濃海水的特征

表1為國內某核電海水淡化項目的原海水和濃海水的水質對照。該項目采用了“一級一段”的反滲透系統設計路線，產水回收率為45%(25 ℃)。

表1 原海水和濃海水的成分對照Tab.1 Composition Comparison of Raw Seawater and Brine

由表1可知，濃海水的TDS含量高達61 300 mg/L，約為原海水的1.8倍。相較于原海水，濃海水具有高鹽度、高堿度、高電導率、和較高密度等特點。由于進入反滲透系統的海水經過了預處理系統的處理，水中的懸浮物質、膠體物質、有機物、細菌、病毒等雜質已經大大減少，相較于原海水，濃海水具有低濁度、低有機物含量、低微生物含量等特點；同時，又具有與原海水一樣的溫度、色度、氣味和氧含量等特性[3]。

圖1 典型的反滲透法海水淡化系統工藝流程Fig.1 PFD of Typical RO Seawater Desalination System

2 濃海水排放的危害及排放規范

2.1 濃海水排放的危害

鑒于濃海水的特征，濃海水直接排到地表海域時，存在的主要危害如下。

(1)濃海水的高鹽度可能會超出排放點及混合影響區內動植物的耐受值。

(2)濃海水中的重金屬含量可能會出現超標排放情況。

(3)采用高分子聚合物作為阻垢劑的系統，排出的濃海水會成為某些動植物的營養物，將潛在影響該區域的動植物數量及構成。

(4)高密度的濃海水若稀釋不徹底，會沉積在海床底層并抬高該水域的含鹽量，從而影響底層動植物的分布。

(5)濃海水排出時攜帶的動力勢能和沖擊力可能會對排放點的地形地貌以及生態水流產生一定的影響。

因此，在選擇濃海水直排的處理方式時應充分考慮項目所在地的水文地質、洋流走向、潮汐水量、潛在排放點的動植物種類分布、施工條件和航道運輸等因素，并遵循如下原則。

(1)濃海水的排放和稀釋不得影響項目的取水水質。

(2)利用海水潮汐進行濃海水稀釋時，濃海水的排放量不得超過原海水潮汐水量的稀釋能力。

(3)應充分調研排放點及混合影響區內動植物的鹽度耐受值，并據此合理確定排放點的位置和最初稀釋度設定值，以減少對周邊動植物的影響。

(4)排水管道路由的選擇和濃海水混合區的設定界線不得影響沿線航道的正常通行。

(5)施工便捷、便于維護和經濟合理等原則。

2.2 濃海水排放的規范要求

我國早在2001年就發布了《污水海洋處理工程污染控制標準》(GB 18486)，標準中明確規定了污染物的排放濃度限值、初始稀釋度以及混合區范圍等方面的要求。同時，在2017年發布的《污水排海管道工程技術規范》(GB/T 19570)中，對排海管道工程的路由勘察及選擇、初始稀釋度的計算、混合區的范圍確定、管道的設計及施工等方面做了進一步的技術要求。

在國際上，地域的差異性導致海水水質和海域內的動植物種類不盡相同，因此，并沒有統一的濃海水排放標準要求；各個項目會因地制宜，結合項目現場的實際情況，按照事前模型分析、事中科學施工和事后持續監測的原則，對濃海水進行科學、合理、有效的監測、處理和排放。表2為多個國家在實際案例中控制濃海水排放的限定值和對監測點布置的規范要求。

表2 國際上濃海水排放限定值的規范要求[4]Tab.2 International Brine Discharge Regulations[4]

3 濃海水直接排海方式和應用案例

目前，在國內外，反滲透濃海水直接排海的方式主要有：通過地表溝渠直接排入近海流域、通過新建排水管道和擴散器將濃海水引入遠海排放和利用現有電廠的排水系統進行排放。這3種主流方式各有優缺點，同時也有實際的應用案例。

3.1 通過地表溝渠直接排入近海流域

在海水淡化廠與海岸線之間修建開放式的水渠，反滲透濃海水通過溝渠自流的方式流入近海水域表面，利用海水潮汐的攜帶和洋流的沖刷作用，對排入的濃海水進行混合稀釋，從而實現達標排放的目的。這種排放方式具有施工便捷、稀釋速率快、混合效果好、工程造價低等優點。

位于以色列的阿什克倫海水淡化廠采用了這種濃海水直排入海的處理方式。圖2為項目取排水路線的鳥瞰圖，圖3為該項目現場的濃海水排放圖。該項目的淡化水處理為330 000 m3/d，工藝流程：地表管取水→雙介質過濾器→海水反滲透系統→苦咸水反滲透系統→后處理系統→供水。系統采用3根DN1600的HDPE管道深入到海岸線1 000 m外的海域內進行取水，取得的原海水TDS在40 600 mg/L左右，經過多級反滲透系統的處理，每天獲得近330 000 m3的合格淡水，同時每天約有500 000 m3的濃海水通過排放渠流入附近海域。經過多年監測數據的整理統計，濃海水的排放并未造成該水域里的動植物在種類和數量分布上的變化，這得益于該區域較強的水體交換和稀釋能力[5]。

圖2 以色列阿什克倫海水淡化廠鳥瞰圖[6]Fig.2 Aerial View of Ashkelon (Israel) RO Plant[6]

圖3 以色列阿什克倫海水淡化廠的濃海水排放圖[2]Fig.3 Brine Near-Shore Discharge of Ashkelon (Israel) Desalination Plant[2]

在選擇這種方式時，應對附近海域的海水潮汐量以及排放點水體的稀釋能力做出充分且準確的判定，避免出現水體的接納、稀釋能力超過濃海水的排放量，導致該區域水體鹽分逐年增加并造成惡性循環，從而影響排放點區和混合區影響范圍內的生態平衡。此外，對于采用鐵鹽作為混凝劑的項目，預處理系統的廢水不得與反滲透系統的濃海水合流排放，應妥善進行處理，避免出現以色列阿什克倫項目中發生的“赤濃水”排放現象，如圖4所示。

圖4 以色列阿什克倫海水淡化廠“赤濃水”排放圖[7]Fig.4 Negatively Buoyant Brine Discharge of Ashkelon (Israel) RO Plant during Media-Filters Backwash[7]

3.2 通過新建放流管和擴散器將濃海水引入遠海排放

對于近海水域水體交換能力不足、沒有合建或現有排水系統可利用的情況，項目一般會通過新建放流管和擴散器將濃海水引入遠海海底進行擴散稀釋，以實現無害化排放。由圖5可知：海水淡化廠排出的濃海水通過濃海水排放泵的加壓，流經鋪設在海底的放流管，并最終通過設置在放流管末端的擴散器實現排放。在鋪設放流管時，應使放流管走向與海水的流向垂直，放流管末端的水深應>10 m，其起點離低潮線≥200 m，以保證擴散器第一個孔口排出的濃海水到達水面時發生的羽流的邊緣不觸及海岸。與放流管配套的擴散器多采用立管噴口的形式，噴口的孔徑和數量應通過計算和軟件模擬獲得。對于泥沙快速淤積和附著生物的聚集區，可使用鴨嘴閥對噴口進行泥沙及附著生物堵塞擴散器噴口的防治。在設計上，擴散器噴嘴的總面積應小于放流管的橫截面積，兩者的比值一般為1∶3。這種處理方式具有適用范圍廣、受外界因素影響因素小等優點，缺點是工程造價高、施工難度大、維護不便等。

圖5 新建濃海水放流管和擴散器示意圖[2]Fig.5 Schematic of Brine Discharge through a New Outfall Pipeline and Diffusers[2]

位于澳大利亞Tugun的黃金海岸海水淡化廠，日最大出力為133 000 m3，可供應昆士蘭東南區域居民20%的用水量。工藝流程：地表取水→轉鼓式細格柵→海水提升泵房→重力式雙介質過濾器→海水反滲透系統→苦咸水反滲透系統→后處理系統→供水，整個系統回收率為40%，意味著每天有近200 000 m3的濃海水通過延伸到海岸線外1.2 km的排海管道和擴散器排入Tugun海灣[8]。圖6為項目取排水管道的路由示意圖。

圖6 黃金海岸淡化廠取排水管路由示意圖[8]Fig.6 Routing Diagram of Intake and Outfall Pipeline for Gold Coast Desalination Plant[8]

該項目原海水的TDS為35 500 mg/L，經過兩級反滲透系統的濃縮，濃海水的TDS達到67 000 mg/L。配套的濃水排放管采用直徑為2.8 m的HDPE管道，采用鋪管船法進行敷設，水下平均深度為19 m。為了防止海底洋流對管道沖擊造成的管道位移或損壞，會在管道上每隔一定間距設置1個混凝土固定塊。為了使該區域達到EPA要求的“在濃海水排放點的混合區影響范圍內混合后的水體含鹽量增加率不得大于2%”標準，在排水管道末端設有多個單孔擴散器，以實現與周圍水體快速混合的效果，混合區大小約為320 m×120 m。Cannesson等[8]在2009年世界脫鹽大會的報告中提及：長達18個月的連續監測證明，濃海水的排放并沒有對該排放影響區域范圍內動植物種類和數量產生影響，同時也證明了該濃海水排放方式的科學性和生態友好性。

3.3 利用現有電廠的排水系統進行排放

作為當前大型海水淡化工程的主要建設模式，“水電聯產”是將海水淡化廠與發電廠建設在一起，實現水處理技術在能源和生產方面的有機耦合，利用電廠的廉價電力為海水淡化系統提供動力，從而實現能源高效利用，并降低海水淡化的投資和運行成本。同時，海水淡化廠可以利用發電廠的取、排水系統，實現原海水的取水和濃海水的排放，從而進一步降低海水淡化廠的噸水成本。

位于加利福尼亞州的Carlsbad海水淡化廠就是這樣的一個案例。該水廠與Encina電站合建，水廠利用電廠的一部分循環溫排水作為系統的進水，省去了取水管道和構筑物的建造；同時，較高的進水溫度有利于降低淡化水的能耗。濃縮后的海水與另外一部分循環溫排水匯合后，流入電廠排水池進行初步混合稀釋，再通過排水管渠流回大海。圖7為該項目的取排水流程示意圖。

圖7 Carlsbad海水淡化廠和Encina電站合建水量水質平衡圖[9]Fig.7 Collocation of Carlsbad Desalination Plant and Encina Power Station[9]

由圖7可知：電廠從Agua Hedionda湖中抽取227.1萬t/d的原海水作為電廠的循環冷卻水，經熱交換后，其中有189.25萬t/d的溫排水直接排入混合排放水池；另外，有37.85萬t/d的溫海水進入海水淡化廠，經海水淡化廠處理后，近18.925萬t/d的合格淡水供圣地亞哥地區的居民使用，另外的18.925萬t/d的濃海水(含鹽量為67 000 mg/L)與189.25萬t/d的電廠溫排水(含鹽量為33 500 mg/L)進行匯合，在混合排放水池中進行初步混合稀釋，整體的排水含鹽量控制在36 200 mg/L左右，僅高出原海水8.05%的含鹽量，混合的溫排水再經排水管渠流入近海水域進行進一步的稀釋，以實現合理、有效處理海水淡化廠濃海水的目的。

這種建造方式可以有效降低海水淡化系統的取水、排水系統的造價和噸水成本，同時可以實現濃海水的合理化排放。類似的案例還有很多，如Tampa Bay海水淡化廠、Huntington Beach海水淡化廠、Hadera海水淡化廠等。圖8為Hadera海水淡化廠的溫排水和濃海水河流排放圖[10]。缺點是水廠運行的獨立性和靈活性較差，水廠能否運行依賴于電廠的工作狀態；另外，要求電廠的冷卻水排放量必須大于水廠的原海水需求量，還需注意火力發電廠冷卻水中銅、鎳或鐵的泄露，以免造成膜元件的污堵[11]。

圖8 Hadera海水淡化廠的溫排水和濃海水合流排放圖Fig.8 Near Shore Discharge of Hadera Desalination Plant

3.4 3種濃海水直接排海方式比較

3種現有主要的濃海水直接排海的適用范圍、優缺點和經濟性匯總如表3所示。

表3 3種濃海水直接排海方式對照Tab.3 Comparison of Three Direct Discharge Methods of Brine

4 結論

根據國內外多個海水淡化項目的成功運行經驗和實際的累積數據，一個設計合理、運行穩定、維護有效的濃海水排放系統并不會對濃海水排放點及混合區影響范圍的動植物種類和數量產生不利的影響。同時，根據國際上的研究，絕大多數的海水生物可以在40 000～70 000 mg/L的濃海水中較好的存活和繁衍[10]。

近幾年，越來越多的項目積極貫徹“綠色環?！钡睦砟睿诨瘜W藥劑的使用種類和投加方式上均有較大的優化，如采用沖擊式殺菌替代連續加藥式、通過實時監測原海水中有機物含量以降低混凝劑的用量、優化系統設計和運行方式以免除助凝劑的投加等，同時采用沖擊式殺菌也可以有效減少還原劑的投加頻次和使用量。另外，隨著零排放技術的不斷發展，正滲透技術(FO)、碟管式反滲透技術(DTRO)、高壓反滲透技術(HPRO)、滲透輔助反滲透技術(OARO)、膜蒸餾技術(MD)、電滲析技術(ED)、蒸發結晶(MVR)等技術已經逐步在多個濃海水、污水零排放項目中得到應用，并實現了濃海水的資源化利用。

合理的濃海水排放方式、高效的藥劑投加方式和資源化的濃海水回收方式，使得海水淡化系統在建造和運行過程中更加綠色化、環保化，也勢必促進我國海水淡化產業的蓬勃發展。