海水淡化废水怎么办?

2018年初，南非首都开普敦发布了自来水“零日”预警：预计到4月，当水库储量低于13.5%时，全市所有居民区和绝大多数公共场所的自来水将停止供应，人们只能排队到公共取水点领取少量水。随后，开普敦实行“6B级”用水限制措施，规定每人每天消耗水量不得超过50升。在政府机构和所有市民共同努力下，开普敦最终避免了断水，迎来了多雨的冬季。6月，冬雨降临，河流与水库的水位逐渐回升。然而，开普敦的限水措施仍在继续，人们必须时刻注意节约用水，才可能避免下一次断水危机。

开普敦虽然是一个极端例子，但它绝不是唯一一座严重缺水的城市。圣保罗、开罗、班加罗尔……水资源短缺的城市还有很多。即使是公认气候湿润的伦敦，每年降雨量也不过600毫米。据估计，伦敦到2025年就可能出现供水不足的问题。随着人口增长，水资源短缺只会愈发严重。联合国2007年的统计数据显示，全世界有16亿人所需的饮用水得不到保障。预计到2025年，全世界将有18亿人生活在缺水环境中。

2018年1月，开普敦多座水库几近干涸。

为了解决缺水问题，许多城市都把目光投向似乎取之不尽的水源——海洋，利用海水淡化技术获取淡水。当越来越多的海水淡化装置投入使用，科学家开始把注意力投向海水淡化后留下的浓盐水（卤水）。他们指出，把海水淡化后剩余的卤水直接排放到环境中的做法存在很大隐患。幸运的是，更先进的淡化方案已经出現。

卤水的隐患

随着人口不断增长，许多地方都没有充足易得的淡水资源（如水量充沛的河流和水库，或易开采的地下水）来满足人们对水资源与日俱增的需求。有两种方法能增加淡水来源：一种是大规模回收和净化废水;另一种是利用海洋或咸水泻湖的咸水。

海水淡化技术得到普遍使用。根据国际海水淡化协会的数据，2005年，世界各地的海水淡化装置每天生产约400亿升淡水;到了2015年，全球近1900家工厂每天能生产870亿升淡水。绝大多数海水淡化工厂位于波斯湾附近的干燥国家，但其他地方的工厂也越来越多：澳大利亚阿德莱德市大约一半的供水来自一家巨大的海水淡化工厂;开普敦正在建造多座海水淡化装置;美国加州正在建设8家新的海水淡化工厂……

海水淡化有望解决很多地区水资源短缺的问题，然而，经过淡化过程后剩下的卤水可能造成新问题。目前，海水淡化工厂一般用反渗透技术处理海水，即对海水施加压力，使其中的水分子通过一种能滤除盐离子的半透膜，“挤出”淡水并留下高盐度卤水。这些卤水的盐度大约是最初海水的2倍，大多数工厂会将其直接排到海洋中。这种做法令一些科学家感到担忧。

海水淡化的基本流程

不同海域的海水盐度各不相同，全球海水的平均盐度为35‰，也就是说每1千克海水中大约含有35克盐。而卤水排放可能导致局部海水盐度大幅增加。海洋中的生物都适应于其所在海域的盐度，一旦海水盐度超过海洋生物所适应的水平，就可能使它们的细胞无法正常代谢。

2012年，美国科学家在实验室中模拟了高盐度的海洋环境，探究盐度增加对海洋生物的影响。结果显示，很多海洋生物似乎都能适应海水盐度增加，但巨藻等关键物种则可能面临生存危机。巨藻是一种大型褐藻，大量巨藻常常聚在一起，形成茂密的“海藻森林”，为多种海洋动物提供重要的栖息地。研究发现，最适宜巨藻生长的海水盐度为20‰～35‰。由于太平洋的海水盐度已经达到35‰，盐度增加可能对巨藻生长造成很大影响，进而影响依赖于巨藻的生态系统。

一项研究显示，在海水淡化工厂密集的阿拉伯湾和红海沿岸，海水盐度从1996年到2008年增加了一倍多，预计到2050年还会再翻一番。目前，科学家还不清楚卤水对海洋环境到底会造成多大影响。现有的研究大多集中于探索卤水出水口附近物种短期内的变化，尚未探明卤水排放在大范围海洋生态系统中可能造成的长期影响。此外，卤水的成分、排放方式、扩散速率以及海洋生物对盐度的敏感性等因素，都会使卤水排放对特定海域生态的影响产生很大差异。

卤水排放（上）可能对“海藻森林”（下）的生态环境造成严重影响。

正渗透与反渗透

尽管如此，为避免海水盐度增加的潜在风险，很多海水淡化工厂都改进了排水口结构，使卤水和海水充分混合，避免局部海水盐度剧增。还有一些工厂把卤水稀释后再排放到海洋中。用于稀释卤水的淡水是经过处理的污水或工业设施的冷却水，这样的水虽然达不到饮用标准，但可以排放到海洋中。但这种做法似乎不合逻辑。淡化海水和净化污水都要消耗能量，人们却把净化后的污水和卤水一起直接排放到海里，这是不是一种浪费呢？

一种新的工程技术可以降低这一过程的能耗。为了淡化海水，反渗透装置通过施加压力来对抗水从低盐度溶液流向高盐度溶液的自然倾向，这一步需要消耗能量。相反，如果顺应这种自然趋势，让低盐度溶液（处理后的污水）水通过半透膜自然渗透进装有卤水的容器，使容器中的水压增加，这种高压的水可以用来驱動涡轮机，通过一个名为“压力延迟渗透”（PRFO）的过程产生电能。如果将这种通过渗透作用供能的系统与反渗透海水淡化系统结合，就能在稀释卤水的同时产生一定能量，用于海水淡化或其他用途。

目前，这种混合系统的发展还不成熟。2009年，第一家采用这种系统的海水淡化厂在挪威开业。它的设施建造和运营成本很高，但其产生的能量却不如人意。5年后，该厂就关闭了。现在，新加坡国立大学的科学家也在研究这种混合系统，并声称已经将这项技术发展到了一个具有经济可行意义的程度。研究人员建立了一个与此前挪威海水淡化工厂类似的装置，并改进了其中所用的渗透膜。经过500个小时的测试，这套装置运行稳定，能量消耗仅为常规反渗透淡化装置耗能的四分之一。新加坡的一个研究孵化机构采用了这一设计，并计划建造一个试点工厂。新加坡自然资源匮乏，能源和水资源都很宝贵。因此，这种混合淡化系统意义重大。

反渗透淡化装置和王渗透发电装置联合系统。

终极淡化技术

如果采用一系列方法提取卤水中的水分，最终实现海水中水和盐的完全分离，这就是“零液体排放（ZLD）”淡化技术。这种技术一举三得：最大限度提取淡水、不产生卤水、产生的盐可作为化工原料。

卤水中含有多种矿物质，化学家们早已探索了从海水或卤水中提炼各种矿物质的方法。但是很少有人想过开采卤水中的“矿藏”，主要是因为卤水成分复杂，难以分离，很多成分浓度又很低，提取和纯化的成本过高。然而在某些情况下，将海水淡化与从卤水中提炼化学品相结合，能够产生积极的经济效益。

大多数海水淡化工厂都建在海边，但美国是个例外。美国很多地区的地下水都是矿物质含量过高的咸水（俗称“苦水”），不能饮用。因此美国95%的海水（咸水）淡化工厂都建在内陆地区。这些工厂的卤水排放问题更让人头疼。大多数工厂把卤水直接排入河中;一些工厂把卤水引入蒸发池;在得克萨斯州等地质条件适宜的地方，卤水被注入深井中。但以上所有方法能处理的卤水量都是有限的。因此，亚利桑那州试图修建一条经墨西哥直通大海的水渠，用于排放卤水。但这项计划至今没有得到墨西哥政府许可。

卤水“冶炼”装置能完全分离卤水中的水和盐，实现零液体排放。

美国最大的内陆咸水淡化工厂位于得克萨斯州的埃尔帕索，它每天为270万人提供超过1亿升淡水，并将废弃的卤水注入距工厂25千米的一处深井。但这样做的成本很高，而且这口深井可能在不久的将来被填满。这样的条件使ZLD技术有了用武之地。

2018年4月，该工厂与当地一家水处理企业合作，借鉴了石油炼制的一些技术，建造出一套从水中提取目标成分的装置。该公司首席执行官称其为“水冶炼厂”。就像原油可以被分离成多种有价值的产品一样，该设施将咸水分成五股，最终提取出其中几乎全部淡水，并得到一些有价值的化学品，如氯化钠、盐酸、氢氧化钠、石膏和氢氧化镁等。这套设施几乎没有使用任何新技术，只是现有技术的新组合。该设施很快将进入全面运转，每天能够从淡化工厂的卤水中回收750万升饮用水。这种做法是否能产生足够的经济价值还是个未知数。

一些科学家也在思考如何用类似技术对一些更极端环境中的水进行“冶炼”，他们把目光投向的了石油井废水。石油开采过程中抽出的地下水量大约是石油的5倍，目前常用的处理方法是将这些水泵回地下。

但这些废水中可能蕴含“宝藏”。例如，得克萨斯州的石油井废水中含有约1‰的锂，而锂是制造电池的重要原料。目前已有矿产公司利用这种废水来开采锂盐。最近，得克萨斯大学与澳大利亚莫纳什大学的科学家合作研发了一种新型薄膜，它可以选择性地从水中分离锂元素，能有效降低锂盐开采的能耗，减少化学污染。这种薄膜也有望用于ZLD淡化技术。如果能用类似的薄膜分离卤水中多种不同元素，那么卤水的“冶炼”成本和能耗就能大幅降低。但要实现这一点，对研究人员将是一个巨大挑战。

随着全球水资源短缺进一步加重，海水淡化设施正变得越来越普遍。要解决随之而来的卤水处理等问题，必须采用多样化的技术，并针对地域特点选择当地可行的方案。ZLD技术不会在任何地方都能实现。但有科学家说，一些更尖端技术之所以没有得到广泛应用，并不是因为它们不起作用，而是因为我们的处境还不够绝望。然而，开普敦的例子告诉我们，那样的情形并不遥远。

反渗透法淡化海水

海水淡化也称海水脱盐，是指将海水中的多余盐分和矿物质去除，得到适宜饮用和灌溉的淡水的工序。远洋船只或潜艇一般都配有海水淡化装置。很多极度干旱的地区都将淡化海水作为重要的淡水来源。海水淡化的方法有很多，包括蒸馏（多级闪蒸、真空蒸馏、蒸汽压缩等）、冻融、反渗透等。目前，反渗透法是海水淡化的主流方法。

什么是反渗透？这要先从渗透作用说起。1748年，法国科学家诺莱特把装入酒精的动物膀胱浸泡在水中，发现水可以进入膀胱中，但酒精却不能透过膀胱进入水里。膀胱有选择透过性，能使水分子自由透过，而酒精和盐等溶质则不能透过。具有这种特性的膜被称为半透膜。水分子经半透膜扩散的现象被称为“渗透”。

如果用半透膜将高浓度盐溶液和低浓度盐溶液中间隔开，低浓度溶液中的水分子会自动向高浓度溶液中移动，使薄膜两侧的液体浓度趋于平衡，这就是渗透作用。而反渗透是与之相反的过程：在高浓度盐溶液一侧施加足够压力，高浓度溶液中的水就能渗入低浓度溶液。通过这种反渗透机制，就能从海水中“挤出”淡水。

近年来，随着反渗透膜工艺的迅速发展，反渗透技术的应用也越来越广。除了海水淡化外，反渗透技术也被用于污水处理、医疗用水净化、食品加工（如浓缩果汁）等方面。