滲透輔助反滲透和低鹽截留率反滲透處理高鹽水的能效對比
引言：淡水危機(jī)是一個(gè)全球性的問題。人類每天的工業(yè)活動(dòng)會(huì)將大量的淡水轉(zhuǎn)化成為含鹽廢水，而這些廢水的排放可能會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，使得淡水危機(jī)加劇。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)變得越來越嚴(yán)格。近些年來，廢水零排放(ZLD)這一標(biāo)準(zhǔn)被提了出來。具體來說，ZLD是將廢水中的所有的水資源進(jìn)行回收，只留下固體進(jìn)行處理處置。ZLD可完全消除廢水排放造成水污染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用。由于實(shí)現(xiàn)ZLD的成本很高，廢水近零排放（MLD）這一標(biāo)準(zhǔn)被提了出來。相比于ZLD，MLD可對經(jīng)濟(jì)成本與環(huán)境影響之間進(jìn)行平衡。
早期的ZLD系統(tǒng)完全是由蒸發(fā)器構(gòu)成的，故其成本極高。近些年來，為了降低ZLD的成本，反滲透（RO）被應(yīng)用于ZLD系統(tǒng)。具體來說，鹽水先通過RO進(jìn)行濃縮減量，再進(jìn)入蒸發(fā)器，降低了后者的處理負(fù)荷，進(jìn)而降低了整個(gè)ZLD系統(tǒng)的成本。與此同時(shí)，RO在MLD系統(tǒng)中也有著廣泛的應(yīng)用。然而，雖然使用了RO，ZLD的成本依然很高，這是因?yàn)镽O對鹽水濃縮減量的能力受限于其操作壓力（圖1）。目前，RO組件能承受的最大壓力不超過85 bar，所能將鹽水濃縮的最大濃度不超過100,000 mg/L TDS，而蒸發(fā)器較優(yōu)的進(jìn)水濃度一般都大于200,000 mg/L TDS。類似地，MLD中淡水的回收率也受到了RO操作壓力的限制。
為了突破RO操作壓力的限制，滲透輔助反滲透（OARO）和低鹽截留率反滲透（LSRRO）這兩種新型的多級RO技術(shù)被研發(fā)了出來（圖2）。根據(jù)之前的研究，這兩種技術(shù)均可使用常規(guī)的操作壓力對鹽水進(jìn)行高度地濃縮。具體來說，OARO的核心是一種雙端進(jìn)水的錯(cuò)流膜組件，其兩端的進(jìn)水分別為一股高濃度鹽水和一股低濃度鹽水。在OARO操作過程中，由于低濃度鹽水可降低跨膜的滲透壓差，高濃度鹽水可在常規(guī)操作壓力下被進(jìn)一步濃縮。LSRRO的核心是一種低鹽截留率的RO膜組件（LSRRO膜組件），其產(chǎn)水為低濃度的鹽水。在LSRRO操作過程中，由于產(chǎn)水側(cè)的低濃度鹽水可降低跨膜的滲透壓差，常規(guī)的操作壓力即可實(shí)現(xiàn)鹽水的高度濃縮。
在MLD/ZLD工藝中，OARO和LSRRO均可對鹽水進(jìn)行高度地濃縮減量，降低蒸發(fā)器的處理負(fù)荷，進(jìn)而降低整個(gè)工藝的成本。然而，在實(shí)際的應(yīng)用中，具體應(yīng)該使用哪個(gè)技術(shù)呢？換句話說，這兩個(gè)技術(shù)是否各具優(yōu)勢？回答上述問題對于未來MLD/ZLD工藝的研發(fā)至關(guān)重要。
在本研究中，我們使用過程模型對OARO和LSRRO進(jìn)行了系統(tǒng)的比較。首先，我們證實(shí)OARO和LSRRO均可促進(jìn)MLD/ZLD。然后，以單位產(chǎn)水能耗（SEC）作為性能指標(biāo)，我們比較了OARO和LSRRO在MLD/ZLD中的能效。接下來，通過分析操作條件，包括鹽水濃度、系統(tǒng)級數(shù)以及最高操作壓力對于SEC的影響，我們識(shí)別出了每個(gè)技術(shù)所適用的場景。最后，我們對兩個(gè)技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際地考量，強(qiáng)調(diào)了在MLD/ZLD中，LSRRO相比于OARO可能更具優(yōu)勢。
結(jié)果與討論
OARO和LSRRO在MLD中的表現(xiàn)
對MLD，我們比較了2級OARO.和LSRRO系統(tǒng)。從圖1中可以看出，2級OARO和LSRRO均可在不提升操作壓力的情況下，提升常規(guī)RO的最大水回收率（圖3A）。實(shí)際上，2級OARO/LSRRO可將常規(guī)RO產(chǎn)生的濃鹽水體積進(jìn)一步減量50%，故可極大地推進(jìn)MLD。雖然OARO和LSRRO具有一樣的鹽水濃縮減量能力，這兩種技術(shù)的能耗并不相同。如圖3B所示，在給定目標(biāo)濃鹽水濃度時(shí)，OARO的SEC不隨進(jìn)料液濃度變化，而LSRRO的SEC隨著進(jìn)料液濃度的升高而升高。因此，在處理較低或中等濃度的鹽水時(shí)（10,000和35,000mg/L），LSRRO的能效更高，而處理高濃鹽水時(shí)（70,000 mg/L），OARO的能效更高。
OARO和LSRRO在ZLD中的表現(xiàn)
在ZLD中，OARO和LSRRO產(chǎn)生濃水濃度需要超過200,000 mg/L，所以至少需要三級系統(tǒng)。如圖4A所示，與MLD的結(jié)果類似，3級OARO的SEC是由目標(biāo)濃鹽水濃度所決定的，不隨進(jìn)料液濃度變化，而3級LSRRO的SEC隨進(jìn)料液濃度升高而升高。因此，LSRRO適合處理較低濃度鹽水，而OARO適合處理高濃度鹽水。
我們進(jìn)一步考察了4級OARO和LSRRO的表現(xiàn)（圖4A和B），發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)級數(shù)的增加不會(huì)改變OARO的SEC，但會(huì)顯著降低LSRRO的SEC。此外，我們考察了3級OARO和LSRRO的表現(xiàn)隨最大操作壓力的變化（圖4C）。同樣地，最大操作壓力的提升無法改變OARO的SEC，但可以降低LSRRO的SEC。綜上所述，LSRRO的能效可以通過系統(tǒng)級數(shù)的增加或/和最大操作壓力的提升而上升，這就使得LSRRO有潛力在高濃度鹽水處理上也擊敗OARO。
結(jié)論與展望
為了突破常規(guī)反滲透濃縮鹽水的極限，OARO和LSRRO這兩種可使用較低的操作壓力高度地濃縮鹽水的技術(shù)被研發(fā)了出來。我們的研究發(fā)現(xiàn)，在處理較低濃度的鹽水時(shí)，LSRRO的能效更具優(yōu)勢，而處理高濃度的鹽水時(shí)，OARO更具優(yōu)勢。但我們也發(fā)現(xiàn)，LSRRO的能效可隨其系統(tǒng)所用級數(shù)的增加而上升，此外，使用更高的操作壓力也可顯著地提升LSRRO的能效。因此，我們相信，在不久的未來，即使是處理高濃度的鹽水，LSRRO在能效上也會(huì)更具優(yōu)勢。
對于一種技術(shù)的評價(jià)，除了能效外，實(shí)際可操作性也是一個(gè)考量。在本研究中，我們以膜組件的實(shí)際性和系統(tǒng)的投資成本作為兩個(gè)指標(biāo)對OARO和LSRRO的實(shí)際可操作性進(jìn)行了定性的比較（圖5）。OARO需要兩端進(jìn)水的錯(cuò)流式膜組件，目前，市面上這種膜組件非常少見，同時(shí)，由于濃差極化的存在，這種膜組件的水通量極低。而LSRRO可使用納濾膜組件，甚至報(bào)廢的反滲透膜組件進(jìn)行搭建，且由于鹽也可以直接透過膜，其濃差極化現(xiàn)象也不會(huì)十分顯著。因此，從膜組件的實(shí)際性上來講，LSRRO優(yōu)于OARO。從系統(tǒng)的投資成本上來講，由于OARO的水通量較低，其系統(tǒng)所需的膜組件數(shù)量較多，同時(shí)，OARO所需的高壓泵和能量回收裝置也多于LSRRO。所以，LSRRO在系統(tǒng)的投資成本上也優(yōu)于OARO。綜上所述，相比于OARO，LSRRO的實(shí)際操作性更強(qiáng)。
最后，需要強(qiáng)調(diào)的是，本研究的主要目標(biāo)是從理論層面對OARO和LSRRO的能效進(jìn)行對比。但對于兩種技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，更為詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析還有待進(jìn)行。此外，在兩種技術(shù)操作過程中的存在一些實(shí)際問題，如膜污染和膜結(jié)垢，本文也尚未涉及，而如何解決這些實(shí)際問題，將會(huì)是這些技術(shù)在未來能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。
主要作者介紹
第一作者：王樟新，廣東工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，Chemical Engineering Journal Advances青年編委。主要從事膜法水處理技術(shù)方面的研究，以第一作者在Science Advances, Engineering, Environmental Science & Technology, Water Research等期刊發(fā)表多篇論文，其中3篇入選ESI高被引論文。獲授權(quán)國家發(fā)明專利2件，美國發(fā)明專利1件。
通訊作者：何頔，廣東工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。國家級高層次青年人才、廣東省“珠江人才計(jì)劃”青年拔尖人才、Environmental Science & Technology青年編委、《土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)》編委。主要從事污染物遷移轉(zhuǎn)化與水污染控制新技術(shù)研究。發(fā)表SCI論文50余篇，其中在Environmental Science & Technology和Water Research上發(fā)表20余篇，SCI高被引論文4篇、熱點(diǎn)論文1篇。
通訊作者： Menachem Elimelech, 耶魯大學(xué)Sterling講席教授，美國工程院院士，中國工程院外籍院士，是膜分離與水處理領(lǐng)域領(lǐng)軍人物。在Science, Nature和專業(yè)頂級期刊發(fā)表論文600余篇，論文總引用近11萬次，H-index為167。
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