海水淡化工艺环境影响评估：膜法 vs 热法

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@小白创作中心

海水淡化工艺环境影响评估：膜法 vs 热法

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http://www.gxshuixie.com/xszc/21392.jhtml

随着全球水资源短缺问题日益严重，海水淡化作为一种重要的水资源补充手段，其环境影响评估变得尤为重要。本文通过生命周期评估（LCA）方法，对不同海水淡化工艺的环境影响进行了详细分析，并探讨了清洁能源使用和卤水资源化对环境影响的减量作用。

图1 海水淡化厂LCA系统边界

1. 研究方法与数据来源

研究选取了电渗析（ED）、反渗透（RO）两种膜法海水淡化工艺，以及多级闪蒸（MSF）、多效蒸馏（MED）和膜蒸馏（MD）三种热法海水淡化工艺。通过对全球60座海水淡化厂规模进行统计，发现大多数工厂规模为20×104~30×104m3⸱d-1，因此将计算工厂规模设为20万m3⸱d-1。

LCA评价数据清单包括建设、运行和拆除三个阶段。所投入的能源和材料背景数据主要来源于文献以及Ecoinvent数据库。根据文献数据，每生产1 m3淡水将排放1.63 m3卤水，表1列出了卤水中主要物质成分。

2. 生命周期影响评价

生命周期影响评价（LCIA）是整个LCA过程的核心内容。研究中选用最具全球代表性的ReCiPe 2016 Midpoint (E) v1.1方法来分析和比较不同海水淡化工艺的环境影响，并选取其中10个具有代表性的常见指标进行评价（表2）。评价中将功能单位（FU）定义为产生1 m3淡水的环境影响。

由于ReCiPe 2016 v1.1方法中没有能够有效体现卤水排海对海洋生物影响的指标，因此设定卤水生物减量潜能（BBRP）对此方面影响进行具体定量评价。BBRP定义为：生产1 m3淡水过程中，对应卤水直接排海造成的海洋盐度和温度升高所导致的海洋生物指标下降率。

3. 各海水淡化工艺环境影响

3.1 特征化结果及分析

膜法海水淡化工艺在生产每立方米淡水过程中，运行能耗（基于化石燃料）过程对环境影响最大，尤其是对全球变暖潜能（GWP）的贡献。反渗透（RO）工艺的贡献率高达96%，即每生产1 m3淡水便产生1.8 kg⸱m-3碳排放。电渗析（ED）工艺运行能耗产生的GWP为0.92 kg⸱m-3，对该指标的贡献率接近80%，源于化石能源电力供应，势必导致CO2间接排放。两工艺运行过程还显著影响其他环境指标，除海水富营养化（ME）和海洋生态毒性（MET）外，大多数指标的能耗贡献超过60%。

热法海水淡化工艺卤水排海主要影响与膜法工艺结论一致，但因太阳能集热器组件的加入，卤水排海对MET和ME指标的影响贡献占比有所降低，但仍能达到70%以上。热法海淡法与膜海淡法卤水排海盐度升高造成生物量指标下降从长期来看大致相同。热海淡法卤水温度高于膜法，与海水混合后会使排水口附近海域海水温度提高大约0.86 ℃，使排水口附近海域海洋生物总质量下降4.3%。

3.2 归一化结果与分析

海水淡化各工艺LCA归一化因子与计算结果显示于表3。图5显示，五种海水淡化工艺的全球变暖潜能（GWP）与陆地酸化（TA）在环境影响中贡献相当。卤水直接排海显著影响海洋生态毒性（MET），成为第二大环境影响因素，尽管其对海水富营养化（ME）的影响较小。卤水排放对海洋生态环境的影响不可忽视，应推进卤水资源化或零排放策略。对人类致癌毒性的影响在所有环境指标中最大，成为主要环境影响因素。相比之下，热法淡化工艺的环境影响较膜法大一个数量级，表明膜法相对更可持续，尤其在使用清洁能源时，环境影响可进一步减小。因BBRP指标是根据过往研究总结而得出的卤水排海对海洋生物影响结果，故无全球基准值，目前无法进行归一化计算。

3.3 清洁能源对环境影响的减量作用

本小节选取3.1节环境影响特征化结果中电能影响最为明显的RO海水淡化技术，将其运行能耗中的供电方式分别替换为太阳能独立供电和风能独立供电两种清洁能源供电模式并重新特征化计算（表4），工艺过程对各环境影响指标贡献示于图6。

当光伏电独立为RO海水淡化工艺供电时，运行能耗过程对各项指标贡献均有明显下降（10%~40%），如图6a所示；其中，运行能耗GWP指标由原来的1.725 kg⸱m-3降低至0.102 kg⸱m-3，具有明显的碳减排效果。需要注意的是太阳能因天气及土地资源问题，会对供水持续性造成威胁，实际使用中会限定清洁能源使用比例。

当风电独立为RO海水淡化工艺供电时，运行能耗对GWP指标贡献值相对光伏单独供电场景下降近20%，碳减排效果明显优于太阳能。但是，风电陆地与淡水生态毒性相对光伏发电场景均有所增加。图7显示，相较于光伏，风电RO海淡工艺环境影响归一化结果中，人类致癌毒性（HCT）和淡水生态毒性指标（FET）有所增加；全球变暖潜能值（GWP）、陆地酸化（TA）和化石能源消耗（FDS）归一化结果降低，其余指标变化不大。

3.4 卤水资源化利用

海淡卤水中镁浓度高达2.51 kg⸱m-3，可作为镁产品的来源，同时产生经济、社会和环境效益。资料显示，MED海水淡化工艺1 m3卤水可以回收3.6 kg的MgO。此处，以卤水MgO回收新工艺代替传统MgO生产，评价卤水产生的环境效益（FU：1 m3卤水），两者之差（减量值）就是卤水产生的环境效益。各环境影响指标特征化计算结果列于表6，对环境影响指标的贡献值见图9a。

根据表5和图9a，当海水淡化与卤水MgO回收相结合并替代传统MgO生产时，平均每生产1 m3淡水可降低碳排放0.29 kg⸱m-3。除陆地生态毒性和化石能源消耗外，对陆地酸化和淡水富营养化等其余环境影响大幅减量（3%~99%），甚至部分指标出现净零环境影响。

卤水资源化利用能有效降低排放回海的离子浓度，这对并对海洋生态环境的影响会相应减弱，直至达到卤水零排放目标。其实，海淡卤水中的各种矿物质非常丰富，完全可按需索取；卤水中的高值离子还有锂、氘、铀等贵元素，时机成熟时都是可以回收的宝贵的资源。因此，海水淡化与卤水资源化相结合势必能达到卤水净零排放之目标，产生更大的环境效益。