渗透辅助反渗透和低盐截留率反渗透处理高盐水的能效对比
引言：淡水危机是一个全球性的问题。人类每天的工业活动会将大量的淡水转化成为含盐废水，而这些废水的排放可能会造成严重的环境污染，使得淡水危机加剧。为了防止这种现象的发生，废水的排放标准变得越来越严格。近些年来，废水零排放(ZLD)这一标准被提了出来。具体来说，ZLD是将废水中的所有的水资源进行回收，只留下固体进行处理处置。ZLD可完全消除废水排放造成水污染的风险，同时实现水资源的高效利用。由于实现ZLD的成本很高，废水近零排放（MLD）这一标准被提了出来。相比于ZLD，MLD可对经济成本与环境影响之间进行平衡。
早期的ZLD系统完全是由蒸发器构成的，故其成本极高。近些年来，为了降低ZLD的成本，反渗透（RO）被应用于ZLD系统。具体来说，盐水先通过RO进行浓缩减量，再进入蒸发器，降低了后者的处理负荷，进而降低了整个ZLD系统的成本。与此同时，RO在MLD系统中也有着广泛的应用。然而，虽然使用了RO，ZLD的成本依然很高，这是因为RO对盐水浓缩减量的能力受限于其操作压力（图1）。目前，RO组件能承受的最大压力不超过85 bar，所能将盐水浓缩的最大浓度不超过100,000 mg/L TDS，而蒸发器较优的进水浓度一般都大于200,000 mg/L TDS。类似地，MLD中淡水的回收率也受到了RO操作压力的限制。
为了突破RO操作压力的限制，渗透辅助反渗透（OARO）和低盐截留率反渗透（LSRRO）这两种新型的多级RO技术被研发了出来（图2）。根据之前的研究，这两种技术均可使用常规的操作压力对盐水进行高度地浓缩。具体来说，OARO的核心是一种双端进水的错流膜组件，其两端的进水分别为一股高浓度盐水和一股低浓度盐水。在OARO操作过程中，由于低浓度盐水可降低跨膜的渗透压差，高浓度盐水可在常规操作压力下被进一步浓缩。LSRRO的核心是一种低盐截留率的RO膜组件（LSRRO膜组件），其产水为低浓度的盐水。在LSRRO操作过程中，由于产水侧的低浓度盐水可降低跨膜的渗透压差，常规的操作压力即可实现盐水的高度浓缩。
在MLD/ZLD工艺中，OARO和LSRRO均可对盐水进行高度地浓缩减量，降低蒸发器的处理负荷，进而降低整个工艺的成本。然而，在实际的应用中，具体应该使用哪个技术呢？换句话说，这两个技术是否各具优势？回答上述问题对于未来MLD/ZLD工艺的研发至关重要。
在本研究中，我们使用过程模型对OARO和LSRRO进行了系统的比较。首先，我们证实OARO和LSRRO均可促进MLD/ZLD。然后，以单位产水能耗（SEC）作为性能指标，我们比较了OARO和LSRRO在MLD/ZLD中的能效。接下来，通过分析操作条件，包括盐水浓度、系统级数以及最高操作压力对于SEC的影响，我们识别出了每个技术所适用的场景。最后，我们对两个技术进行了实际地考量，强调了在MLD/ZLD中，LSRRO相比于OARO可能更具优势。
结果与讨论
OARO和LSRRO在MLD中的表现
对MLD，我们比较了2级OARO.和LSRRO系统。从图1中可以看出，2级OARO和LSRRO均可在不提升操作压力的情况下，提升常规RO的最大水回收率（图3A）。实际上，2级OARO/LSRRO可将常规RO产生的浓盐水体积进一步减量50%，故可极大地推进MLD。虽然OARO和LSRRO具有一样的盐水浓缩减量能力，这两种技术的能耗并不相同。如图3B所示，在给定目标浓盐水浓度时，OARO的SEC不随进料液浓度变化，而LSRRO的SEC随着进料液浓度的升高而升高。因此，在处理较低或中等浓度的盐水时（10,000和35,000mg/L），LSRRO的能效更高，而处理高浓盐水时（70,000 mg/L），OARO的能效更高。
OARO和LSRRO在ZLD中的表现
在ZLD中，OARO和LSRRO产生浓水浓度需要超过200,000 mg/L，所以至少需要三级系统。如图4A所示，与MLD的结果类似，3级OARO的SEC是由目标浓盐水浓度所决定的，不随进料液浓度变化，而3级LSRRO的SEC随进料液浓度升高而升高。因此，LSRRO适合处理较低浓度盐水，而OARO适合处理高浓度盐水。
我们进一步考察了4级OARO和LSRRO的表现（图4A和B），发现：系统级数的增加不会改变OARO的SEC，但会显著降低LSRRO的SEC。此外，我们考察了3级OARO和LSRRO的表现随最大操作压力的变化（图4C）。同样地，最大操作压力的提升无法改变OARO的SEC，但可以降低LSRRO的SEC。综上所述，LSRRO的能效可以通过系统级数的增加或/和最大操作压力的提升而上升，这就使得LSRRO有潜力在高浓度盐水处理上也击败OARO。
结论与展望
为了突破常规反渗透浓缩盐水的极限，OARO和LSRRO这两种可使用较低的操作压力高度地浓缩盐水的技术被研发了出来。我们的研究发现，在处理较低浓度的盐水时，LSRRO的能效更具优势，而处理高浓度的盐水时，OARO更具优势。但我们也发现，LSRRO的能效可随其系统所用级数的增加而上升，此外，使用更高的操作压力也可显著地提升LSRRO的能效。因此，我们相信，在不久的未来，即使是处理高浓度的盐水，LSRRO在能效上也会更具优势。
对于一种技术的评价，除了能效外，实际可操作性也是一个考量。在本研究中，我们以膜组件的实际性和系统的投资成本作为两个指标对OARO和LSRRO的实际可操作性进行了定性的比较（图5）。OARO需要两端进水的错流式膜组件，目前，市面上这种膜组件非常少见，同时，由于浓差极化的存在，这种膜组件的水通量极低。而LSRRO可使用纳滤膜组件，甚至报废的反渗透膜组件进行搭建，且由于盐也可以直接透过膜，其浓差极化现象也不会十分显著。因此，从膜组件的实际性上来讲，LSRRO优于OARO。从系统的投资成本上来讲，由于OARO的水通量较低，其系统所需的膜组件数量较多，同时，OARO所需的高压泵和能量回收装置也多于LSRRO。所以，LSRRO在系统的投资成本上也优于OARO。综上所述，相比于OARO，LSRRO的实际操作性更强。
最后，需要强调的是，本研究的主要目标是从理论层面对OARO和LSRRO的能效进行对比。但对于两种技术的实际应用，更为详细的经济技术分析还有待进行。此外，在两种技术操作过程中的存在一些实际问题，如膜污染和膜结垢，本文也尚未涉及，而如何解决这些实际问题，将会是这些技术在未来能否实现大规模应用的关键。
主要作者介绍
第一作者：王樟新，广东工业大学教授，硕士生导师，Chemical Engineering Journal Advances青年编委。主要从事膜法水处理技术方面的研究，以第一作者在Science Advances, Engineering, Environmental Science & Technology, Water Research等期刊发表多篇论文，其中3篇入选ESI高被引论文。获授权国家发明专利2件，美国发明专利1件。
通讯作者：何頔，广东工业大学教授，博士生导师。国家级高层次青年人才、广东省“珠江人才计划”青年拔尖人才、Environmental Science & Technology青年编委、《土木与环境工程学报》编委。主要从事污染物迁移转化与水污染控制新技术研究。发表SCI论文50余篇，其中在Environmental Science & Technology和Water Research上发表20余篇，SCI高被引论文4篇、热点论文1篇。
通讯作者： Menachem Elimelech, 耶鲁大学Sterling讲席教授，美国工程院院士，中国工程院外籍院士，是膜分离与水处理领域领军人物。在Science, Nature和专业顶级期刊发表论文600余篇，论文总引用近11万次，H-index为167。
以上是小编收集整理的渗透辅助反渗透和低盐截留率反渗透处理高盐水的能效对比部分内容来自网络，如有侵权请联系删除：153045535@qq.com;
本文地址：//www.mdejanelas.com/shuichuli/697.html
