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：淡水危機是一個全球性的問題。人類每天的工業活動會將大量的淡水轉化成為含鹽廢水，而這些廢水的排放可能會造成嚴重的環境污染，使得淡水危機加劇。為了防止這種現象的發生，廢水的排放標準變得越來越嚴格。近些年來，廢水零排放(ZLD)這一標準被提了出來。具體來說，ZLD是將廢水中的所有的水資源進行回收，只留下固體進行處理處置。ZLD可完全消除廢水排放造成水污染的風險，同時實現水資源的高效利用。由于實現ZLD的成本很高，廢水近零排放（MLD）這一標準被提了出來。相比于ZLD，MLD可對經濟成本與環境影響之間進行平衡。
早期的ZLD系統完全是由蒸發器構成的，故其成本極高。近些年來，為了降低ZLD的成本，反滲透（RO）被應用于ZLD系統。具體來說，鹽水先通過RO進行濃縮減量，再進入蒸發器，降低了后者的處理負荷，進而降低了整個ZLD系統的成本。與此同時，RO在MLD系統中也有著廣泛的應用。然而，雖然使用了RO，ZLD的成本依然很高，這是因為RO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，而蒸發器較優的進水濃度一般都大于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技術被研發了出來（圖2）。根據之前的研究，這兩種技術均可使用常規的操作壓力對鹽水進行高度地濃縮。具體來說，OARO的核心是一種雙端進水的錯流膜組件，其兩端的進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操作壓力下被進一步濃縮。LSRRO的核心是一種低鹽截留率的RO膜組件（LSRRO膜組件），其產水為低濃度的鹽水。在LSRRO操作過程中，由于產水側的低濃度鹽水可降低跨膜的滲透壓差，常規的操作壓力即可實現鹽水的高度濃縮。
在MLD/ZLD工藝中，OARO和LSRRO均可對鹽水進行高度地濃縮減量，降低蒸發器的處理負荷，進而降低整個工藝的成本。然而，在實際的應用中，具體應該使用哪個技術呢？換句話說，這兩個技術是否各具優勢？回答上述問題對于未來MLD/ZLD工藝的研發至關重要。
在本研究中，我們使用過程模型對OARO和LSRRO進行了系統的比較。首先，我們證實OARO和LSRRO均可促進MLD/ZLD。然后，以單位產水能耗（SEC）作為性能指標，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、系統級數以及最高操作壓力對于SEC的影響，我們識別出了每個技術所適用的場景。最后，我們對兩個技術進行了實際地考量，強調了在MLD/ZLD中，LSRRO相比于OARO可能更具優勢。
結果與討論
OARO和LSRRO在MLD中的表現
對MLD，我們比較了2級OARO.和LSRRO系統。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RO的最大水回收率（圖3A）。實際上，2級OARO/LSRRO可將常規RO產生的濃鹽水體積進一步減量50%，故可極大地推進MLD。雖然OARO和LSRRO具有一樣的鹽水濃縮減量能力，這兩種技術的能耗并不相同。如圖3B所示，在給定目標濃鹽水濃度時，OARO的SEC不隨進料液濃度變化，而LSRRO的SEC隨著進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（10,000和35,000mg/L），LSRRO的能效更高，而處理高濃鹽水時（70,000 mg/L），OARO的能效更高。
OARO和LSRRO在ZLD中的表現
在ZLD中，OARO和LSRRO產生濃水濃度需要超過200,000 mg/L，所以至少需要三級系統。如圖4A所示，與MLD的結果類似，3級OARO的SEC是由目標濃鹽水濃度所決定的，不隨進料液濃度變化，而3級LSRRO的SEC隨進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。
我們進一步考察了4級OARO和LSRRO的表現（圖4A和B），發現：系統級數的增加不會改變OARO的SEC，但會顯著降低LSRRO的SEC。此外，我們考察了3級OARO和LSRRO的表現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級數的增加或/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。
結論與展望
為了突破常規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被研發了出來。我們的研究發現，在處理較低濃度的鹽水時，LSRRO的能效更具優勢，而處理高濃度的鹽水時，OARO更具優勢。但我們也發現，LSRRO的能效可隨其系統所用級數的增加而上升，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在能效上也會更具優勢。
對于一種技術的評價，除了能效外，實際可操作性也是一個考量。在本研究中，我們以膜組件的實際性和系統的投資成本作為兩個指標對OARO和LSRRO的實際可操作性進行了定性的比較（圖5）。OARO需要兩端進水的錯流式膜組件，目前，市面上這種膜組件非常少見，同時，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，甚至報廢的反滲透膜組件進行搭建，且由于鹽也可以直接透過膜，其濃差極化現象也不會十分顯著。因此，從膜組件的實際性上來講，LSRRO優于OARO。從系統的投資成本上來講，由于OARO的水通量較低，其系統所需的膜組件數量較多，同時，OARO所需的高壓泵和能量回收裝置也多于LSRRO。所以，LSRRO在系統的投資成本上也優于OARO。綜上所述，相比于OARO，LSRRO的實際操作性更強。
最后，需要強調的是，本研究的主要目標是從理論層面對OARO和LSRRO的能效進行對比。但對于兩種技術的實際應用，更為詳細的經濟技術分析還有待進行。此外，在兩種技術操作過程中的存在一些實際問題，如膜污染和膜結垢，本文也尚未涉及，而如何解決這些實際問題，將會是這些技術在未來能否實現大規模應用的關鍵。
主要作者介紹
第一作者：王樟新，廣東工業大學教授，碩士生導師，Chemical Engineering Journal Advances青年編委。主要從事膜法水處理技術方面的研究，以第一作者在Science Advances, Engineering, Environmental Science & Technology, Water Research等期刊發表多篇論文，其中3篇入選ESI高被引論文。獲授權國家發明專利2件，美國發明專利1件。
通訊作者：何頔，廣東工業大學教授，博士生導師。國家級高層次青年人才、廣東省“珠江人才計劃”青年拔尖人才、Environmental Science & Technology青年編委、《土木與環境工程學報》編委。主要從事污染物遷移轉化與水污染控制新技術研究。發表SCI論文50余篇，其中在Environmental Science & Technology和Water Research上發表20余篇，SCI高被引論文4篇、熱點論文1篇。
通訊作者： Menachem Elimelech, 耶魯大學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域領軍人物。在Science, Nature和專業頂級期刊發表論文600余篇，論文總引用近11萬次，H-index為167。
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