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海水淡化排放的高盐废水对海洋生态环境带来的负面影响

文章来源: 海洋学研究       发布时间:2019-08-07

摘要:盐度是海洋环境中最重要的生态因子之一, 每种生物各有其适宜生长盐度要求,当环境盐度超过该范围时,生物体的生长、发育、生殖、行为和分布都会受到影响。近10 年来, 随着淡水资源紧缺和海水淡化处理成本的下降, 海水淡化厂数量急剧增加, 大量浓盐水进入海区导致受纳海域盐度升高。高浓度盐水给海洋生态环境带来许多负面影响, 有关浓盐水的海洋生态安全问题备受人们关注。在总结和分析浓盐水对海洋浮游生物、底栖动物、甲壳类动物、鱼类和海草等影响的基础上,指出海水淡化厂排放的高盐废水对海洋生态的潜在威胁, 浓盐水的排放使一些经济水产种类产量减少,给渔业资源和海洋经济带来损失。


不同地域环境对海水淡化厂排放水的敏感程度不同,且潮流、海流和水团等水文因素以及海水淡化厂的日处理量和规模等因子决定了排放的高盐废水对海域生态影响的程度。为减少排放的高盐废水对出水口附近海域的影响,提出了海水淡化工程合理规划和布局的可行措施,要选择水体交换良好的海域作为海水淡化工程所在地,对排水口要进行因地制宜地设计,做好高盐废水的再利用工作,以最大限度地减少排放的高盐废水对海区环境的负面影响。建议对海水淡化厂附近海域进行有针对性的水质调查和监测, 并做好环境风险影响的评价工作;制定及完善相关的法律法规,建立统一的高盐废水排放标准, 而该标准则要以排放的高盐废水对当地海洋生态不造成较大的影响为依据, 使海水淡化产业的发展有法可依。


关键词:海水淡化;浓盐水;海洋生物


0 引言


目前, 世界上许多地区面临着淡水资源短缺问题, 我国也不例外, 人均淡水拥有量仅为世界平均水平的1/4 。世界上常用的淡水来源除河流外, 主要有地下水、远程调水和海水(苦咸水)淡化三种[ 1] 。其中, 海水淡化作为水资源供给的一种重要途径得到广泛认可, 目前应用范围较广的海水淡化方法有反渗透膜法、蒸馏法和电渗析法[ 2] 。反渗透膜法在欧洲地中海地区得到广泛应用, 而中东地区更多的是采用蒸馏法, 电渗析法在世界范围内应用较少[ 3 -4] 。


据统计, 世界范围内海水淡化日产量为2.45 ×107 m3[ 4] 。在我国, 随着沿海地区经济的迅速发展和人口的高速增长, 淡水供求矛盾日益突出;而海水淡化产业正处于起步阶段, 目前建成并运行的海水淡化厂日产量约为1.2 ×105 m3 [ 5] , 预计到2010 年我国海水淡化日产量将达到0.1 ×107 m3[ 4] 。海水淡化是目前解决缺水问题的一个有效的办法, 但同时它也将对环境产生一系列的负面影响。其中排放的浓盐水污染就是一个亟待解决的严峻问题。在20 世纪90 年代初, 有关浓盐水的海洋生态安全问题已经开始引起国际上一些学者的关注[ 6 -7] , 且至今一直未终止过对其研究[ 4 , 8 -11] 。而在我国国内却还未引起足够的重视, 该方面的研究报道并不多见[ 5] 。


本文在总结和分析浓盐水对海洋浮游植物、浮游动物、底栖动物、甲壳类经济动物、鱼类和海草等影响的基础上, 指出了海水淡化厂排放的高盐废水对海洋生态的潜在威胁。


1 海水淡化排放的高盐废水对受纳海域盐度的影响


沿海地区海水淡化厂排放的高盐废水主要影响浅海及河口。受大陆淡水影响, 浅海盐度一般为27—— 30 , 河口区盐度一般为0 —— 30[ 12] 。海湾地区由于其蒸发量较高、淡水径流较少和受海水淡化厂排放的高盐废水的影响, 其盐度往往高于45 ;地中海和红海的盐度也超过41[ 13] 。地中海国家, 如西班牙有超过700家的海水淡化厂, 日产量达80 万m3 , 其排放的高盐废水盐度是周围海域盐度的1.3 —— 1.7 倍[ 3] 。


浓盐水的性质主要是由原料水组分决定的, 在浓盐水中它们将得到浓缩。回收率为50 %时, 反渗透海水淡化排放的高盐废水盐度是自然海水的两倍;而蒸馏法淡化海水时, 浓盐水与冷却海水混合后排放, 其排放的高盐废水盐度较普通海水约高10 %—— 15 %[ 14] 。


2海水淡化排放的高盐废水对海洋生物的影响


盐度是海洋生态环境中最重要的生态因子之一,其对生物的生长、发育、生殖、行为和分布均有直接或间接的影响[ 15] 。大部分海洋无脊椎动物和某些软骨鱼类属于等渗动物, 其血液和体液含盐量与海水含盐量相近;而变渗动物(如硬骨鱼类)的血液盐含量仅为环境海水含盐量的30 % —— 50 %。当环境盐度变化时, 就会出现渗透过程。因此, 当环境盐度骤然升高时, 那些没有渗透调节机制的海洋生物体细胞就可能产生质壁分离, 从而发生代谢失调甚至死亡。海洋生物通过细胞内外的离子转运机制来维持细胞内结构组分的动态平衡[ 16] , 维持渗透压的稳定, 从而能适应一定范围内的盐度波动, 得以生存。生物体的耐盐性受其内在基因调控, 在外界盐度变化时, 会启动各种蛋白参与渗透调节过程[ 17] 。


2 .1 高盐对浮游生物的影响


2 .1 .1 对浮游植物的影响


每种生物各有其最适的生长盐度, 室内研究和野外调查都表明, 盐度对浮游植物有较大的影响。RO UBEIX et al[ 1 8] 对梅尼小环藻Cy clotel la meneghiniana、美丽星杆藻Asterionella f ormosa 和中肋骨条藻Skeletonema costatum 3 种硅藻在不同盐度下进行室内培养, 发现海藻细胞体内硅的生化过程受到盐度的影响, 淡水种随盐度的增加其代谢能力持续下降, 而广盐种则随盐度的增加其代谢趋于活跃。室内研究表明, 当盐度为18 —— 38 时, 三角褐指藻Phaeodactylum tricornutum 和新月菱形藻N i tzschiaclosterium 的相对生长率和饱和脂肪酸含量均随盐度的增加而降低[ 19] 。对辽东湾的野外调查和分析表明, 浮游植物多样性受盐度的影响较大[ 20] 。


海水淡化排放的高盐废水对海洋生态环境带来的负面影响


海水淡化排放的高盐废水含有大量固体悬浮颗粒及营养盐, 这些成分可造成局部海域富营养化, 促使浮游植物物种单一化和个别种群的爆发性生长、繁殖, 从而严重扰乱了该海区的生态平衡[ 9 -10] 。申屠青春等[ 21] 的室内研究发现, 盐度升高使浮游植物群落的多样性指数下降, 而藻类中的耐盐性微藻就成了优势种。高密度浓盐水还可导致海水浊度升高, 使入射光线减少, 从而抑制浮游植物的光合作用[ 9] 。


2 .1 .2 对浮游动物的影响


盐度的升高或降低都会影响水生生物的代谢活动[ 22 -23] 。各种浮游动物均有各自的耐盐范围和最适盐度, 如表1 所示的各种桡足类动物对盐度均具有不同的耐受能力。浮游动物在不同发育阶段的适盐范围也存在差异, 桡足成体的适盐范围大于桡足幼体,而桡足幼体的适盐范围又大于无节幼体[ 24] 。


盐度对浮游动物的分布、群落组成有较大的影响, 盐度过高会引起浮游动物生物量的降低和种类数的减少;多样性指数的降低, 使浮游动物群落向耐盐类型方向演替[ 21] 。TOUMI e t al[ 28] 对地中海沿岸滨海湿地盐田的浮游动物的研究表明, 随着盐度的增高, 浮游动物种类数呈下降趋势, 桡足类和轮虫类对盐度较敏感, 纤毛虫类和盐水虾类对高盐的忍耐力较强, 成为优势种群。


甲壳类和双壳类浮游幼体对盐度的升高非常敏感。具有较长胃腺的甲壳类动物对高盐的耐受能力通常弱于具有较短胃腺的甲壳类动物, 且其幼体的适盐能力弱于成体[ 29] 。盐度对浮游幼体生长、存活和变态都有显著影响, 且各种浮游幼体均有各自的适宜和最适盐度范围(表2)。许多经济贝类的浮游期幼虫对低盐的适应能力较强, 对高盐的耐受性较差, 且幼虫的适盐范围较稚贝窄[ 30 -33] 。其原因可能是, 浮游幼虫生活在盐度相对稳定的海水中, 而稚贝生活在潮间带, 受突变盐度的影响机会多, 在漫长的进化过程中就形成了适应盐度大范围变化的特性[ 34] 。


海水淡化排放的高盐废水对海洋生态环境带来的负面影响


2 .2 高盐对底栖动物的影响


高密度的盐水沉降到海底, 使底栖生物因细胞脱水、组织膨压降低而死亡, 并改变其原有生境, 从而给底栖生物带来巨大的伤害[ 38] 。高盐对底栖动物幼体的负面影响往往要高于对成体的负面影响, 种群会因幼体的大量死亡而衰退, 群落稳定性也将降低[ 9 , 38] 。如果排放的高盐废水造成海域盐度超过表2 中所示的范围时, 海水淡化厂的运行将可能导致其附近海域经济贝类的减产, 进而影响渔业的经济效益。


底栖动物的高盐耐受能力存在一定的差异, 对盐度变化敏感的种类其丰度降低, 甚至消失, 进而导致底栖生物群落的异常演替和多样性减少[ 39 -40] 。RUSOet al[ 39] 对西班牙A licante 沿岸的调查发现, 海水淡化厂排放的高盐废水盐度可达70 —— 90 , 在排水口附近海域底栖动物群落趋向单一化, 种类数和生物多样性均较少, 线虫丰度较高;在盐度超过39 的海域出现群落演替现象, 最初以多毛类、甲壳类和软体类为优势种, 9 个月后, 线虫成为绝对优势种, 其生物量占到总生物量的98 %。CAS TRIOTA et al[ 40] 的研究也发现,U stica 海洋自然保护区底栖动物受高盐影响群落趋于单一化, 1 年后, 原先占优势地位的甲壳类和软体动物逐渐减少, 而棘皮动物最终在该区域消失。


2 .3 高盐对甲壳类经济动物的影响


盐度是影响海水甲壳动物生长的重要生态因子,盐度对甲壳动物的影响主要从3 个方面报道:一是动物生存、发育、生长和繁殖的适宜(最适)盐度范围, 此类报道较多[ 41 -43] ;二是盐度对甲壳动物生理过程(如呼吸率、排泄率、摄食率、生长率等)的影响[ 44 -45] ;三是盐度对甲壳动物代谢及渗透调节的生理生态学机理的探讨[ 46] 。


王桂忠等[ 41] 的实验表明, 在盐度为23 —— 35 时锯缘青蟹S cy l la serrata 幼体能发育成仔蟹, 且在盐度为27 时其成活和生长情况最好, 而在高盐度(盐度为39)时试验组在实验初期幼体便出现大量死亡。青蟹幼体的发育会出现适宜盐度范围前移的现象, 早期幼体(Z1 、Z2 、Z3)的适宜盐度为27 —— 35 , 而后期幼体(Z4—— M)的适宜盐度则降为23 —— 31 。廖永岩等[ 42] 的实验显示, 中华虎头蟹Orithyia sinica 能存活的盐度为5 —— 55 , 能摄饵的盐度为10 —— 45 , 适宜盐度为25 —— 35 ,最适盐度为30 。中华虎头蟹作为一种近海蟹类, 在盐度较高的水体中其摄饵量显著下降, 存活率降低。徐海龙等[ 43] 的实验表明, 口虾蛄Oratosqui l la oratoria的适宜生长盐度为23 —— 29 , 当盐度升高或降低时, 其耗氧量都将增加;但在高盐较低值时耗氧率变化更大, 说明口虾蛄的耐低盐能力强于耐高盐能力。


凡纳滨对虾Li topenaeus vannamei 为广盐性虾类, 在适宜盐度范围内, 其特定生长率、摄食量和饲料转换效率均呈上升趋势;当达到临界盐度上限后, 其特定生长率、摄食量和饲料转换效率均随盐度的增加而降低[ 44] 。吴凯等[ 45] 将实验的凡纳滨对虾仔虾从原生存盐度向高盐度驯化, 发现其含水量随盐度增加而降低, 仔虾的生长率也明显下降。


甲壳动物渗透压调节机能与N a+ , K+-A TPase活性变化直接相关。盐度胁迫引起虾蟹类体内的Na+ ,K +-A TPase 活性产生相应的变化, 新陈代谢加速, 耗氧率升高, 能量需求量增加, 引起体内代谢机能的失常和免疫防御能力的降低, 以致于正常状态下处于隐性感染的病原体对其也可能造成严重的病害[ 46] 。


2 .4 高盐对鱼类的影响


盐度对鱼类的直接效应是引起鱼体对渗透压的调节作用, 间接作用则表现为对鱼体与环境间的物质交换与能量流动的影响。鱼类对盐度变化的适应能力取决于对机体渗透压的调节、代谢的重新调整和能量的重新分配等。目前, 盐度对鱼类影响的报道主要集中在研究经济海产鱼类的适盐范围, 特别是研究鱼类受精卵孵化及早期发育阶段的适盐范围[ 47 -49] 。有关低盐对海水鱼类影响的大量研究成果促进了海产鱼类的淡水化养殖[ 47] , 而高盐对鱼类影响的报道相对较少[ 50 -51] 。因此, 随着海水淡化厂的增加, 有必要研究其排放的高盐废水对海产鱼类的影响。


在适宜盐度范围内, 鱼类受精卵能正常孵化(表3),但若超出该范围, 鱼类孵化率将随盐度的增加而降低, 仔鱼畸形率也将随之增加[ 52] 。盐度过高时卵膜由于难以调节细胞与周围介质之间的物质平衡而导致卵细胞受到损伤或破裂, 且盐度的增加会提高仔鱼的代谢速度, 高盐条件下其卵黄囊消失较快[ 53] 。


海水淡化排放的高盐废水对海洋生态环境带来的负面影响


在一定的盐度范围内, 低盐度组的仔、稚鱼存活率通常比高盐度组的高, 如鲈鱼Lateolabrax japonicus[47] 、鮸状黄姑鱼N ibea mi ichthioides[ 48] 、真鲷P agrosomusmajor[ 49] 等。这说明, 海水盐度在一定范围内变化时, 相对低盐的海水更有利于一些鱼类仔稚鱼的生长发育,这和双壳类的生长发育有相似的规律, 且鱼类胚胎正常发育所需的盐度范围也较幼鱼的窄[ 49] 。


由于受淡水径流的影响, 河口海域盐度波动很大, 丰水期时有大量的淡水注入, 使河口区海域盐度较低, 而枯水季节缺少淡水注入, 河口区海域盐度升高。事实上, 大多数河口鱼类对盐度在一定范围内的波动还是具有一定适应性的, 其种类分布和适盐性由其生理耐受性决定, 但若盐度的升高超过其耐受限,鱼类就会死亡[ 50] , 鱼群种类数和种群密度也会因此而下降[ 51] 。


河口、海湾和近岸通常是经济鱼类的产卵场和索饵场, 海水淡化排放的高盐废水对海洋鱼类将会造成一定的不利影响, 进而影响渔业资源的消耗和渔业生产的效益。


2 .5 高盐对海草的影响


盐度的变化会改变植物的生化生理过程, 从而影响其代谢、生长、发育和繁殖[ 57 -58] 。在高盐极端环境下, 水生植物的光合作用和呼吸作用常受到抑制, 盐度的增加可导致植物体内叶绿素含量下降、叶绿体亚显微结构改变、电子流受抑制和酶活性降低等[ 59 -60] 。多学者对海草的光合作用与盐度的相关性进行了研究, 均发现海草的光合作用效率对海水盐度的变化敏感[ 58 , 61] 。海草Thalassia testudinum 的适宜生长盐度为30 —— 40 , 当盐度超过该范围时, 海草的光合系统及色素会遭到破坏[ 60] 。可见, 受海水淡化排放的高盐废水的长期影响, 海域盐度将会一直维持在较高水平上, 海草一直遭受高盐胁迫, 光合作用受抑制, 长此以往, 对海域生产力将造成较大的不利影响。


海草是海洋中一类主要的水生植物, 而由其构成的海草床是一种非常重要生境类型, 特别是在地中海, 由海草Posidonia oceanica 构成的海底特殊生境为许多海洋生物提供了栖息觅食的场所[ 62] 。但随着地中海沿岸海水淡化工业的不断发展, 高盐废水的排放对海草及其周围生物造成威胁。P .oceanica 对盐度变化极为敏感, 随着盐度的增加, 其个体生长明显减缓, 组织细胞出现破损, 生物量下降, 种群结构发生改变[ 63] 。高盐废水的排放还对由P .oceanica 构成的生境内其它海洋生物(如海绵、虾蟹类、腹足类和双壳类等)构成威胁, 从而影响该海域的生态平衡[ 11 , 62] 。


3 其它因素对受高盐废水影响的生态效应的作用


高盐废水对海洋环境的影响存在生境差异, 其对珊瑚礁、岩礁和沙砾区域生物的影响程度各不相同[ 8 , 64] 。HOPNER et al [ 64] 根据不同地域环境对海水淡化排放的高盐废水的敏感程度不同, 将全球海洋生境分为15 个类型, 其中珊瑚礁、红树林、滨海盐碱湿地和一些低生产力的潮间带等生态系统更为脆弱,对排放的高盐废水较敏感, 极易受影响。


潮流、海流和水团等水文因素对受高盐废水影响的海域生态产生干扰[ 8 , 64 -65] 。此外, 海水淡化厂的不同日处理量和规模排放的高盐废水对海洋环境的影响程度也不相同[ 65 -66] 。这是因为, 如果海水淡化排放的高盐废水量小, 海域盐度的增量就小, 其对海域环境的影响也就较小。


4减少高盐水负面影响的措施


4 .1 排放口的设计


为减少高盐废水对出水口周围海域环境的影响,部分学者认为, 可从出水口处接一长距离管道, 直通大陆架深处, 使高盐废水排至离岸数百米外的海底[ 67] ;PET ERS et al[ 68] 还提出, 在管道出口处安装1个或数个扩散装置, 使排放的高盐废水各成分迅速得到稀释, 以最大限度地减少高盐废水对海域环境的负面影响。


还有不少学者通过室内模拟研究, 认为将排水管道的出水口设置成与大陆坡呈60°倾角向上, 使排出的高盐废水尽快得到扩散[ 69] 。而BLENINGER etal[ 70] 则提出, 将出水口设置成与大陆坡呈30°或45°倾角向上, 将更有利于排出的高盐废水在海水中的扩散, 降低其对环境的不利影响。但此类方法可能需因地制宜, 因为不同的海底地貌形态差异较大, 且海流、潮流和水团等水文条件也各不相同, 所以不同的海水淡化厂的出水口管道需根据当地实际情况予以设计。


4 .2 高盐废水的再利用


海水淡化过程所产生的较高浓度的高盐废水, 可供发展盐化工业。在中东和澳大利亚一些干旱或半干旱地区利用太阳能, 将浓盐水储存于蒸发池中让其逐渐蒸发回收原盐[ 71] 。青岛市采取由制盐企业来“消化”部分浓盐水的方式, 浓盐水经再提炼后可用于原盐使用, 既不影响原盐质量, 又可以减少晒盐时间和晒盐池的占地面积, 将大大降低盐田制盐的成本。另外, 浓盐水的剩余部分还可提取出钾、镁等元素, 而这些成分可以作为原料制作化学肥料应用于农业。浙江省岱山县政府也考虑到综合利用海水淡化产生的浓缩水的措施[ 72] , 在解决淡水供应矛盾的同时又增加了一定的经济效益, 并尽可能减少高盐废水对当地海域生态的负面影响。


5 结论与展望


海水淡化是在淡水资源紧缺的沿海地区解决用水问题的重要措施之一, 为当地生活、工业和农业提供了用水保障。但海水淡化过程直接排放的高盐废水将对生态环境造成不利的影响, 局部海域盐度的巨大波动对当地海洋生态的扰动极大, 导致盐度增加后耐受性较差的种类数量的下降, 一些经济种类的产量减少, 给海洋经济带来损失。


我国的海水淡化事业刚刚起步, 现正处于发展阶段, 但由海水淡化排放的高盐废水引起的海洋环境问题不容忽视。我国目前有关海水淡化对海域生态影响的研究还很少, 且缺乏现场调查资料, 因此有必要开展对海水淡化工程前后的调查研究。海水淡化是一个新兴产业, 相关法律法规尚未制定, 需建立高盐废水的统一排放标准, 而该标准要以高盐废水对当地海洋生态不造成较大影响为依据, 使海水淡化产业发展有法可依。此外, 有关部门需合理规划海水淡化厂, 在工程规划和建设时必须进行科学论证, 实现建成运行和生态环境的“双赢” :如针对性地定期进行水质监测, 选择水体交换良好的海域作为工程所在地,高盐废水的排水口应因地制宜地巧妙设计, 妥善解决高盐废水的再利用等。


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