海水淡化排放的高鹽廢水對海洋生態環境帶來的負面影響

摘要：鹽度是海洋環境中最重要的生態因子之一， 每種生物各有其適宜生長鹽度要求，當環境鹽度超過該范圍時，生物體的生長、發育、生殖、行為和分布都會受到影響。近10 年來， 隨著淡水資源緊缺和海水淡化處理成本的下降， 海水淡化廠數量急劇增加， 大量濃鹽水進入海區導致受納海域鹽度升高。高濃度鹽水給海洋生態環境帶來許多負面影響， 有關濃鹽水的海洋生態安全問題備受人們關注。在總結和分析濃鹽水對海洋浮游生物、底棲動物、甲殼類動物、魚類和海草等影響的基礎上，指出海水淡化廠排放的高鹽廢水對海洋生態的潛在威脅， 濃鹽水的排放使一些經濟水產種類產量減少，給漁業資源和海洋經濟帶來損失。

 

不同地域環境對海水淡化廠排放水的敏感程度不同，且潮流、海流和水團等水文因素以及海水淡化廠的日處理量和規模等因子決定了排放的高鹽廢水對海域生態影響的程度。為減少排放的高鹽廢水對出水口附近海域的影響，提出了海水淡化工程合理規劃和布局的可行措施，要選擇水體交換良好的海域作為海水淡化工程所在地，對排水口要進行因地制宜地設計，做好高鹽廢水的再利用工作，以最大限度地減少排放的高鹽廢水對海區環境的負面影響。建議對海水淡化廠附近海域進行有針對性的水質調查和監測， 并做好環境風險影響的評價工作；制定及完善相關的法律法規，建立統一的高鹽廢水排放標準， 而該標準則要以排放的高鹽廢水對當地海洋生態不造成較大的影響為依據， 使海水淡化產業的發展有法可依。

 

關鍵詞：海水淡化；濃鹽水；海洋生物

 

0 引言

 

目前， 世界上許多地區面臨著淡水資源短缺問題， 我國也不例外， 人均淡水擁有量僅為世界平均水平的1/4 。世界上常用的淡水來源除河流外， 主要有地下水、遠程調水和海水（苦咸水）淡化三種[ 1] 。其中， 海水淡化作為水資源供給的一種重要途徑得到廣泛認可， 目前應用范圍較廣的海水淡化方法有反滲透膜法、蒸餾法和電滲析法[ 2] 。反滲透膜法在歐洲地中海地區得到廣泛應用， 而中東地區更多的是采用蒸餾法， 電滲析法在世界范圍內應用較少[ 3 -4] 。

 

據統計， 世界范圍內海水淡化日產量為2.45 ×107 m3[ 4] 。在我國， 隨著沿海地區經濟的迅速發展和人口的高速增長， 淡水供求矛盾日益突出；而海水淡化產業正處于起步階段， 目前建成并運行的海水淡化廠日產量約為1.2 ×105 m3 [ 5] ， 預計到2010 年我國海水淡化日產量將達到0.1 ×107 m3[ 4] 。海水淡化是目前解決缺水問題的一個有效的辦法， 但同時它也將對環境產生一系列的負面影響。其中排放的濃鹽水污染就是一個亟待解決的嚴峻問題。在20 世紀90 年代初， 有關濃鹽水的海洋生態安全問題已經開始引起國際上一些學者的關注[ 6 -7] ， 且至今一直未終止過對其研究[ 4 ， 8 -11] 。而在我國國內卻還未引起足夠的重視， 該方面的研究報道并不多見[ 5] 。

 

本文在總結和分析濃鹽水對海洋浮游植物、浮游動物、底棲動物、甲殼類經濟動物、魚類和海草等影響的基礎上， 指出了海水淡化廠排放的高鹽廢水對海洋生態的潛在威脅。

 

1 海水淡化排放的高鹽廢水對受納海域鹽度的影響

 

沿海地區海水淡化廠排放的高鹽廢水主要影響淺海及河口。受大陸淡水影響， 淺海鹽度一般為27—— 30 ， 河口區鹽度一般為0 —— 30[ 12] 。海灣地區由于其蒸發量較高、淡水徑流較少和受海水淡化廠排放的高鹽廢水的影響， 其鹽度往往高于45 ；地中海和紅海的鹽度也超過41[ 13] 。地中海國家， 如西班牙有超過700家的海水淡化廠， 日產量達80 萬m3 ， 其排放的高鹽廢水鹽度是周圍海域鹽度的1.3 —— 1.7 倍[ 3] 。

 

濃鹽水的性質主要是由原料水組分決定的， 在濃鹽水中它們將得到濃縮。回收率為50 %時， 反滲透海水淡化排放的高鹽廢水鹽度是自然海水的兩倍；而蒸餾法淡化海水時， 濃鹽水與冷卻海水混合后排放， 其排放的高鹽廢水鹽度較普通海水約高10 %—— 15 %[ 14] 。

 

2海水淡化排放的高鹽廢水對海洋生物的影響

 

鹽度是海洋生態環境中最重要的生態因子之一，其對生物的生長、發育、生殖、行為和分布均有直接或間接的影響[ 15] 。大部分海洋無脊椎動物和某些軟骨魚類屬于等滲動物， 其血液和體液含鹽量與海水含鹽量相近；而變滲動物（如硬骨魚類）的血液鹽含量僅為環境海水含鹽量的30 % —— 50 %。當環境鹽度變化時， 就會出現滲透過程。因此， 當環境鹽度驟然升高時， 那些沒有滲透調節機制的海洋生物體細胞就可能產生質壁分離， 從而發生代謝失調甚至死亡。海洋生物通過細胞內外的離子轉運機制來維持細胞內結構組分的動態平衡[ 16] ， 維持滲透壓的穩定， 從而能適應一定范圍內的鹽度波動， 得以生存。生物體的耐鹽性受其內在基因調控， 在外界鹽度變化時， 會啟動各種蛋白參與滲透調節過程[ 17] 。

 

2 .1  高鹽對浮游生物的影響

 

2 .1 .1 對浮游植物的影響

 

每種生物各有其最適的生長鹽度， 室內研究和野外調查都表明， 鹽度對浮游植物有較大的影響。RO UBEIX et al[ 1 8] 對梅尼小環藻Cy clotel la meneghiniana、美麗星桿藻Asterionella f ormosa 和中肋骨條藻Skeletonema costatum 3 種硅藻在不同鹽度下進行室內培養， 發現海藻細胞體內硅的生化過程受到鹽度的影響， 淡水種隨鹽度的增加其代謝能力持續下降， 而廣鹽種則隨鹽度的增加其代謝趨于活躍。室內研究表明， 當鹽度為18 —— 38 時， 三角褐指藻Phaeodactylum tricornutum 和新月菱形藻N i tzschiaclosterium 的相對生長率和飽和脂肪酸含量均隨鹽度的增加而降低[ 19] 。對遼東灣的野外調查和分析表明， 浮游植物多樣性受鹽度的影響較大[ 20] 。

 

 

海水淡化排放的高鹽廢水含有大量固體懸浮顆粒及營養鹽， 這些成分可造成局部海域富營養化， 促使浮游植物物種單一化和個別種群的爆發性生長、繁殖， 從而嚴重擾亂了該海區的生態平衡[ 9 -10] 。申屠青春等[ 21] 的室內研究發現， 鹽度升高使浮游植物群落的多樣性指數下降， 而藻類中的耐鹽性微藻就成了優勢種。高密度濃鹽水還可導致海水濁度升高， 使入射光線減少， 從而抑制浮游植物的光合作用[ 9] 。

 

2 .1 .2 對浮游動物的影響

 

鹽度的升高或降低都會影響水生生物的代謝活動[ 22 -23] 。各種浮游動物均有各自的耐鹽范圍和最適鹽度， 如表1 所示的各種橈足類動物對鹽度均具有不同的耐受能力。浮游動物在不同發育階段的適鹽范圍也存在差異， 橈足成體的適鹽范圍大于橈足幼體，而橈足幼體的適鹽范圍又大于無節幼體[ 24] 。

 

鹽度對浮游動物的分布、群落組成有較大的影響， 鹽度過高會引起浮游動物生物量的降低和種類數的減少；多樣性指數的降低， 使浮游動物群落向耐鹽類型方向演替[ 21] 。TOUMI e t al[ 28] 對地中海沿岸濱海濕地鹽田的浮游動物的研究表明， 隨著鹽度的增高， 浮游動物種類數呈下降趨勢， 橈足類和輪蟲類對鹽度較敏感， 纖毛蟲類和鹽水蝦類對高鹽的忍耐力較強， 成為優勢種群。

 

甲殼類和雙殼類浮游幼體對鹽度的升高非常敏感。具有較長胃腺的甲殼類動物對高鹽的耐受能力通常弱于具有較短胃腺的甲殼類動物， 且其幼體的適鹽能力弱于成體[ 29] 。鹽度對浮游幼體生長、存活和變態都有顯著影響， 且各種浮游幼體均有各自的適宜和最適鹽度范圍（表2）。許多經濟貝類的浮游期幼蟲對低鹽的適應能力較強， 對高鹽的耐受性較差， 且幼蟲的適鹽范圍較稚貝窄[ 30 -33] 。其原因可能是， 浮游幼蟲生活在鹽度相對穩定的海水中， 而稚貝生活在潮間帶， 受突變鹽度的影響機會多， 在漫長的進化過程中就形成了適應鹽度大范圍變化的特性[ 34] 。

 

 

2 .2 高鹽對底棲動物的影響

 

高密度的鹽水沉降到海底， 使底棲生物因細胞脫水、組織膨壓降低而死亡， 并改變其原有生境， 從而給底棲生物帶來巨大的傷害[ 38] 。高鹽對底棲動物幼體的負面影響往往要高于對成體的負面影響， 種群會因幼體的大量死亡而衰退， 群落穩定性也將降低[ 9 ， 38] 。如果排放的高鹽廢水造成海域鹽度超過表2 中所示的范圍時， 海水淡化廠的運行將可能導致其附近海域經濟貝類的減產， 進而影響漁業的經濟效益。

 

底棲動物的高鹽耐受能力存在一定的差異， 對鹽度變化敏感的種類其豐度降低， 甚至消失， 進而導致底棲生物群落的異常演替和多樣性減少[ 39 -40] 。RUSOet al[ 39] 對西班牙A licante 沿岸的調查發現， 海水淡化廠排放的高鹽廢水鹽度可達70 —— 90 ， 在排水口附近海域底棲動物群落趨向單一化， 種類數和生物多樣性均較少， 線蟲豐度較高；在鹽度超過39 的海域出現群落演替現象， 最初以多毛類、甲殼類和軟體類為優勢種， 9 個月后， 線蟲成為絕對優勢種， 其生物量占到總生物量的98 %。CAS TRIOTA et al[ 40] 的研究也發現，U stica 海洋自然保護區底棲動物受高鹽影響群落趨于單一化， 1 年后， 原先占優勢地位的甲殼類和軟體動物逐漸減少， 而棘皮動物最終在該區域消失。

 

2 .3 高鹽對甲殼類經濟動物的影響

 

鹽度是影響海水甲殼動物生長的重要生態因子，鹽度對甲殼動物的影響主要從3 個方面報道：一是動物生存、發育、生長和繁殖的適宜（最適）鹽度范圍， 此類報道較多[ 41 -43] ；二是鹽度對甲殼動物生理過程（如呼吸率、排泄率、攝食率、生長率等）的影響[ 44 -45] ；三是鹽度對甲殼動物代謝及滲透調節的生理生態學機理的探討[ 46] 。

 

王桂忠等[ 41] 的實驗表明， 在鹽度為23 —— 35 時鋸緣青蟹S cy l la serrata 幼體能發育成仔蟹， 且在鹽度為27 時其成活和生長情況最好， 而在高鹽度（鹽度為39）時試驗組在實驗初期幼體便出現大量死亡。青蟹幼體的發育會出現適宜鹽度范圍前移的現象， 早期幼體（Z1 、Z2 、Z3）的適宜鹽度為27 —— 35 ， 而后期幼體（Z4—— M）的適宜鹽度則降為23 —— 31 。廖永巖等[ 42] 的實驗顯示， 中華虎頭蟹Orithyia sinica 能存活的鹽度為5 —— 55 ， 能攝餌的鹽度為10 —— 45 ， 適宜鹽度為25 —— 35 ，最適鹽度為30 。中華虎頭蟹作為一種近海蟹類， 在鹽度較高的水體中其攝餌量顯著下降， 存活率降低。徐海龍等[ 43] 的實驗表明， 口蝦蛄Oratosqui l la oratoria的適宜生長鹽度為23 —— 29 ， 當鹽度升高或降低時， 其耗氧量都將增加；但在高鹽較低值時耗氧率變化更大， 說明口蝦蛄的耐低鹽能力強于耐高鹽能力。

 

凡納濱對蝦Li topenaeus vannamei 為廣鹽性蝦類， 在適宜鹽度范圍內， 其特定生長率、攝食量和飼料轉換效率均呈上升趨勢；當達到臨界鹽度上限后， 其特定生長率、攝食量和飼料轉換效率均隨鹽度的增加而降低[ 44] 。吳凱等[ 45] 將實驗的凡納濱對蝦仔蝦從原生存鹽度向高鹽度馴化， 發現其含水量隨鹽度增加而降低， 仔蝦的生長率也明顯下降。

 

甲殼動物滲透壓調節機能與N a+ ， K+-A TPase活性變化直接相關。鹽度脅迫引起蝦蟹類體內的Na+ ，K +-A TPase 活性產生相應的變化， 新陳代謝加速， 耗氧率升高， 能量需求量增加， 引起體內代謝機能的失常和免疫防御能力的降低， 以致于正常狀態下處于隱性感染的病原體對其也可能造成嚴重的病害[ 46] 。

 

2 .4 高鹽對魚類的影響

 

鹽度對魚類的直接效應是引起魚體對滲透壓的調節作用， 間接作用則表現為對魚體與環境間的物質交換與能量流動的影響。魚類對鹽度變化的適應能力取決于對機體滲透壓的調節、代謝的重新調整和能量的重新分配等。目前， 鹽度對魚類影響的報道主要集中在研究經濟海產魚類的適鹽范圍， 特別是研究魚類受精卵孵化及早期發育階段的適鹽范圍[ 47 -49] 。有關低鹽對海水魚類影響的大量研究成果促進了海產魚類的淡水化養殖[ 47] ， 而高鹽對魚類影響的報道相對較少[ 50 -51] 。因此， 隨著海水淡化廠的增加， 有必要研究其排放的高鹽廢水對海產魚類的影響。

 

在適宜鹽度范圍內， 魚類受精卵能正常孵化（表3），但若超出該范圍， 魚類孵化率將隨鹽度的增加而降低， 仔魚畸形率也將隨之增加[ 52] 。鹽度過高時卵膜由于難以調節細胞與周圍介質之間的物質平衡而導致卵細胞受到損傷或破裂， 且鹽度的增加會提高仔魚的代謝速度， 高鹽條件下其卵黃囊消失較快[ 53] 。

 

 

在一定的鹽度范圍內， 低鹽度組的仔、稚魚存活率通常比高鹽度組的高， 如鱸魚Lateolabrax japonicus[47] 、鮸狀黃姑魚N ibea mi ichthioides[ 48] 、真鯛P agrosomusmajor[ 49] 等。這說明， 海水鹽度在一定范圍內變化時， 相對低鹽的海水更有利于一些魚類仔稚魚的生長發育，這和雙殼類的生長發育有相似的規律， 且魚類胚胎正常發育所需的鹽度范圍也較幼魚的窄[ 49] 。

 

由于受淡水徑流的影響， 河口海域鹽度波動很大， 豐水期時有大量的淡水注入， 使河口區海域鹽度較低， 而枯水季節缺少淡水注入， 河口區海域鹽度升高。事實上， 大多數河口魚類對鹽度在一定范圍內的波動還是具有一定適應性的， 其種類分布和適鹽性由其生理耐受性決定， 但若鹽度的升高超過其耐受限，魚類就會死亡[ 50] ， 魚群種類數和種群密度也會因此而下降[ 51] 。

 

河口、海灣和近岸通常是經濟魚類的產卵場和索餌場， 海水淡化排放的高鹽廢水對海洋魚類將會造成一定的不利影響， 進而影響漁業資源的消耗和漁業生產的效益。

 

2 .5 高鹽對海草的影響

 

鹽度的變化會改變植物的生化生理過程， 從而影響其代謝、生長、發育和繁殖[ 57 -58] 。在高鹽極端環境下， 水生植物的光合作用和呼吸作用常受到抑制， 鹽度的增加可導致植物體內葉綠素含量下降、葉綠體亞顯微結構改變、電子流受抑制和酶活性降低等[ 59 -60] 。多學者對海草的光合作用與鹽度的相關性進行了研究， 均發現海草的光合作用效率對海水鹽度的變化敏感[ 58 ， 61] 。海草Thalassia testudinum 的適宜生長鹽度為30 —— 40 ， 當鹽度超過該范圍時， 海草的光合系統及色素會遭到破壞[ 60] 。可見， 受海水淡化排放的高鹽廢水的長期影響， 海域鹽度將會一直維持在較高水平上， 海草一直遭受高鹽脅迫， 光合作用受抑制， 長此以往， 對海域生產力將造成較大的不利影響。

 

海草是海洋中一類主要的水生植物， 而由其構成的海草床是一種非常重要生境類型， 特別是在地中海， 由海草Posidonia oceanica 構成的海底特殊生境為許多海洋生物提供了棲息覓食的場所[ 62] 。但隨著地中海沿岸海水淡化工業的不斷發展， 高鹽廢水的排放對海草及其周圍生物造成威脅。P .oceanica 對鹽度變化極為敏感， 隨著鹽度的增加， 其個體生長明顯減緩， 組織細胞出現破損， 生物量下降， 種群結構發生改變[ 63] 。高鹽廢水的排放還對由P .oceanica 構成的生境內其它海洋生物（如海綿、蝦蟹類、腹足類和雙殼類等）構成威脅， 從而影響該海域的生態平衡[ 11 ， 62] 。

 

3 其它因素對受高鹽廢水影響的生態效應的作用

 

高鹽廢水對海洋環境的影響存在生境差異， 其對珊瑚礁、巖礁和沙礫區域生物的影響程度各不相同[ 8 ， 64] 。HOPNER et al [ 64] 根據不同地域環境對海水淡化排放的高鹽廢水的敏感程度不同， 將全球海洋生境分為15 個類型， 其中珊瑚礁、紅樹林、濱海鹽堿濕地和一些低生產力的潮間帶等生態系統更為脆弱，對排放的高鹽廢水較敏感， 極易受影響。

 

潮流、海流和水團等水文因素對受高鹽廢水影響的海域生態產生干擾[ 8 ， 64 -65] 。此外， 海水淡化廠的不同日處理量和規模排放的高鹽廢水對海洋環境的影響程度也不相同[ 65 -66] 。這是因為， 如果海水淡化排放的高鹽廢水量小， 海域鹽度的增量就小， 其對海域環境的影響也就較小。

 

4減少高鹽水負面影響的措施

 

4 .1 排放口的設計

 

為減少高鹽廢水對出水口周圍海域環境的影響，部分學者認為， 可從出水口處接一長距離管道， 直通大陸架深處， 使高鹽廢水排至離岸數百米外的海底[ 67] ；PET ERS et al[ 68] 還提出， 在管道出口處安裝1個或數個擴散裝置， 使排放的高鹽廢水各成分迅速得到稀釋， 以最大限度地減少高鹽廢水對海域環境的負面影響。

 

還有不少學者通過室內模擬研究， 認為將排水管道的出水口設置成與大陸坡呈60°傾角向上， 使排出的高鹽廢水盡快得到擴散[ 69] 。而BLENINGER etal[ 70] 則提出， 將出水口設置成與大陸坡呈30°或45°傾角向上， 將更有利于排出的高鹽廢水在海水中的擴散， 降低其對環境的不利影響。但此類方法可能需因地制宜， 因為不同的海底地貌形態差異較大， 且海流、潮流和水團等水文條件也各不相同， 所以不同的海水淡化廠的出水口管道需根據當地實際情況予以設計。

 

4 .2 高鹽廢水的再利用

 

海水淡化過程所產生的較高濃度的高鹽廢水， 可供發展鹽化工業。在中東和澳大利亞一些干旱或半干旱地區利用太陽能， 將濃鹽水儲存于蒸發池中讓其逐漸蒸發回收原鹽[ 71] 。青島市采取由制鹽企業來“消化”部分濃鹽水的方式， 濃鹽水經再提煉后可用于原鹽使用， 既不影響原鹽質量， 又可以減少曬鹽時間和曬鹽池的占地面積， 將大大降低鹽田制鹽的成本。另外， 濃鹽水的剩余部分還可提取出鉀、鎂等元素， 而這些成分可以作為原料制作化學肥料應用于農業。浙江省岱山縣政府也考慮到綜合利用海水淡化產生的濃縮水的措施[ 72] ， 在解決淡水供應矛盾的同時又增加了一定的經濟效益， 并盡可能減少高鹽廢水對當地海域生態的負面影響。

 

5   結論與展望

 

海水淡化是在淡水資源緊缺的沿海地區解決用水問題的重要措施之一， 為當地生活、工業和農業提供了用水保障。但海水淡化過程直接排放的高鹽廢水將對生態環境造成不利的影響， 局部海域鹽度的巨大波動對當地海洋生態的擾動極大， 導致鹽度增加后耐受性較差的種類數量的下降， 一些經濟種類的產量減少， 給海洋經濟帶來損失。

 

我國的海水淡化事業剛剛起步， 現正處于發展階段， 但由海水淡化排放的高鹽廢水引起的海洋環境問題不容忽視。我國目前有關海水淡化對海域生態影響的研究還很少， 且缺乏現場調查資料， 因此有必要開展對海水淡化工程前后的調查研究。海水淡化是一個新興產業， 相關法律法規尚未制定， 需建立高鹽廢水的統一排放標準， 而該標準要以高鹽廢水對當地海洋生態不造成較大影響為依據， 使海水淡化產業發展有法可依。此外， 有關部門需合理規劃海水淡化廠， 在工程規劃和建設時必須進行科學論證， 實現建成運行和生態環境的“雙贏” ： 如針對性地定期進行水質監測， 選擇水體交換良好的海域作為工程所在地，高鹽廢水的排水口應因地制宜地巧妙設計， 妥善解決高鹽廢水的再利用等。