海水反渗透浓盐水中的盐度影响特性及潜在处理技术的优先级排序

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Impact Characterization of Salinity in Seawater Reverse Osmosis Brine and Preference Rankings of Potential Treatment Technologies

本研究评估海水淡化浓水排放的生态毒性潜力，提出改进的USEtox模型框架计算盐度影响的冲击评分（IS），并通过PROMETHEE-GAIA方法对比ZLD和MLD系统处理效果，发现ZLD系统最优但受准则权重影响，为浓水处理优化提供依据。

　　随着全球人口的增长、城市化进程的加快以及工业活动的扩展，淡水资源的需求持续上升。面对这一挑战，海水淡化技术成为许多国家获取淡水的重要手段之一。根据相关数据，截至2024年，全球海水淡化产能已超过每天9500万立方米，其中85%的设施采用反渗透（RO）技术。然而，海水淡化过程中产生的浓盐水（brine）管理问题一直备受关注，因为它可能对海洋生态系统造成潜在的生态毒理影响。浓盐水的排放量估计为每天约1.5亿立方米，这使得如何有效处理和管理浓盐水成为一项重要的环境议题。

海水淡化浓盐水的排放问题引发了公众的广泛讨论。研究表明，浓盐水排放可能导致水体分层，进而影响水质和生态环境。然而，更主要的担忧是由于浓盐水盐度较高，可能对水生生物造成致命的渗透压冲击，导致其死亡。尽管一些研究指出这些影响可能局限于排放区域附近，但不容忽视的是，即使是局部的盐度变化也可能对敏感的水生生态系统产生深远影响。因此，采取有效的措施来减少浓盐水排放的影响，如将浓盐水排放到更深的水域、在管道出口安装扩散器以增强混合，以及在排放前对浓盐水进行稀释，都是值得考虑的策略。

目前，评估浓盐水排放的生态毒理影响主要依赖于生命周期影响评估（LCIA）框架，特别是基于USEtox模型的方法。然而，近期有研究指出，USEtox模型在生态毒理性表征因子（CF）的计算方面仍存在改进空间。特别是，现有模型未能充分考虑环境或背景条件下的化学物质影响浓度，从而导致不同化学物质的毒理效应未能得到准确的统一表征。因此，有必要对USEtox模型进行优化，特别是在表征盐度组（包括钠、钾、钙、镁、硫酸盐和碳酸盐等溶解离子）的生态毒理影响方面。

在本研究中，我们旨在评估未处理的海水反渗透浓盐水排放到海水中的生态毒理潜力（ETP），并分析不同处理技术在减少其生态毒理影响方面的有效性。具体目标包括：（1）根据USEtox模型的最新建议，估算盐度组的表征因子；（2）分析表征因子估算过程中的不确定性；（3）评估文献中报道的最小液排放（MLD）和零液排放（ZLD）系统在浓盐水管理中的有效性；（4）利用多标准决策方法，分析不同场景下处理系统的偏好情况。通过这些研究，我们希望为未来的海水淡化浓盐水管理提供科学依据，并支持更加可持续和环保的处理策略。

本研究提出了一种改进的框架，该框架基于USEtox科学共识模型，用于估算浓盐水排放对盐度增加的生态毒理影响。为了评估这一影响，我们考虑了一个基准场景，该场景中浓盐水的停留时间为135天，盐度水平为61.25克/升。在这一场景下，没有对浓盐水进行后续处理。我们还评估了多种ZLD和MLD系统，以确定它们在减少浓盐水生态毒理影响方面的有效性。评估的标准包括净收益、单位能耗、浓盐水排放的生态毒理潜力以及浓盐水的体积。通过使用偏好排名组织方法用于丰富评估（PROMETHEE）和几何分析用于交互辅助（GAIA），我们对不同处理技术进行了系统分析。

研究结果表明，在基准场景下，使用慢性EC10等效浓度（HC20_EC10_eq）估算的生态毒理影响得分（IS）为9.10 PDF立方米/天，其95%置信区间为6.85-15.09 PDF立方米/天。这一结果揭示了浓盐水排放对水生生态系统的潜在影响。进一步分析发现，一种包含反渗透（RO）、正渗透（FO）、浓盐水浓缩器（BC）和浓盐水结晶器（BCr）的ZLD系统被识别为最优选的处理技术。然而，其他系统的偏好排名主要受到不同评价标准权重的影响。这些结果为优化海水淡化浓盐水处理系统提供了重要的见解，并支持在环境管理中采取更加科学和谨慎的措施。

在当前的研究中，我们还探讨了如何通过优化USEtox模型来更准确地估算盐度组的生态毒理影响。这包括考虑环境或背景条件下的影响浓度，以提高不同化学物质毒理效应的表征一致性。此外，我们还分析了不同处理技术在减少浓盐水生态毒理影响方面的有效性，特别是在提高水和矿物回收率、降低单位能耗以及提升成本效益方面。通过这些分析，我们希望为未来海水淡化浓盐水的处理和管理提供科学支持，并促进更加可持续的水资源利用方式。

近年来，浓盐水的利用与水回收率的提高成为研究热点。许多研究关注如何减少浓盐水的体积，以降低其对环境的影响。在这一背景下，MLD和ZLD系统受到越来越多的关注。这些系统通过多阶段处理过程，结合膜技术和热处理方法，实现较高的水回收率。例如，ZLD系统可以实现高达100%的淡水回收率，而MLD系统则可以实现95%的回收率。此外，浓盐水还可以用于回收有价值的矿物质，如钙、镁、硼、锂、铀和铷等，这些矿物质的销售可以抵消淡水生产成本。这种做法不仅有助于减少浓盐水的体积，还支持循环经济的发展，减少对环境的负面影响。

尽管MLD和ZLD系统在理论上具有较大的潜力，但目前大多数研究仍停留在概念阶段，主要依赖于过程建模和软件工具。只有少数研究已经推进到实验室或试点规模的实施。然而，这些系统仍然是评估和比较不同处理技术参数的重要工具，如水和矿物回收率、单位能耗、成本效益以及减少浓盐水生态毒理性的潜力。因此，进一步的研究和实践探索对于推动海水淡化浓盐水处理技术的发展具有重要意义。

在本研究中，我们采用了一种改进的框架，该框架基于USEtox科学共识模型，用于估算浓盐水排放的生态毒理影响。通过这一框架，我们能够更准确地评估不同处理技术在减少生态毒理影响方面的有效性。此外，我们还分析了不同处理技术在不同场景下的偏好情况，以支持更加科学和合理的决策。这些研究结果不仅有助于优化海水淡化浓盐水处理系统，还为未来的环境管理提供了重要的科学依据。

通过综合考虑多种因素，如处理技术的净收益、单位能耗、生态毒理影响以及浓盐水的体积，我们能够更全面地评估不同处理技术的优劣。这不仅有助于确定最有效的处理方案，还能够为政策制定者和行业管理者提供决策支持。此外，我们还探讨了如何通过优化模型参数来提高评估的准确性，特别是在处理不同化学物质的生态毒理影响时。这些改进对于实现更加可持续的水资源管理具有重要意义。

总之，本研究通过提出一种改进的框架，评估了海水反渗透浓盐水排放的生态毒理影响，并分析了不同处理技术在减少其生态毒理影响方面的有效性。研究结果表明，ZLD系统在处理浓盐水方面具有较高的优先级，而其他系统的偏好主要受到不同评价标准权重的影响。通过这些研究，我们希望为未来的海水淡化浓盐水处理和管理提供科学支持，并促进更加环保和可持续的水资源利用方式。