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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

来源:环境人Environmentor更新时间:2021-07-21

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。


原标题:广东工业大学何頔、王樟新团队和耶鲁大学Elimelech院士ES&T: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

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