多级渗透辅助反渗透系统的放大与模拟：实际工业模块的潜力与局限性（用于零液体排放应用）

《Separation and Purification Technology》：Scale-up and simulation of multistage osmotically assisted reverse osmosis systems for zero liquid discharge applications: potential and limitations of real industrial modules

本研究通过实际4040膜组件的实验数据，系统分析了渗透辅助反渗透（OARO）在零液体排放（ZLD）中的应用。结果表明，OARO在达到与高压反渗透（HPRO）相同脱盐率（100,000 ppm）时，能耗显著更高（13.4-19.5 kWh/m3 vs. 7.8 kWh/m3），且需更大膜面积和更复杂的系统设计。尽管OARO与HPRO串联可将浓度提升至150,000 ppm，但总能耗达32 kWh/m3，膜组件数量激增，系统经济性不优于传统热法。研究强调膜组件实际水力限制对OARO性能的关键影响，证实HPRO目前仍是更优的工业ZLD解决方案。

　　在当前水资源日益紧张和环境监管日益严格的背景下，零液体排放（ZLD）策略已成为工业废水处理领域的重要解决方案。这些策略旨在减少对淡水的依赖并消除废水排放，同时促进高盐度废水的资源回收。传统ZLD方案通常包括膜预浓缩步骤，如反渗透（RO）和纳滤（NF），随后结合热处理工艺，如蒸发和结晶。然而，这些热处理步骤通常能耗较高，成为ZLD系统大规模应用的主要障碍。因此，研究者们开始探索替代的膜技术，如渗透驱动反渗透（OARO），以期在降低能耗的同时提高处理效率。

OARO是一种基于渗透压辅助的膜技术，通过在膜的另一侧引入高浓度盐溶液（称为扫流溶液）来减少渗透压梯度，从而在较低的液压压力下实现更高的水通量。与传统高压力反渗透（HPRO）相比，OARO具有一定的优势，尤其是在处理高盐度废水时。然而，目前大多数关于OARO的研究仍基于理想模型或实验室规模的测试，缺乏在真实工业操作条件下的验证。这使得OARO的实际性能评估变得困难，也限制了其在工业应用中的推广。

为了弥补这一空白，本研究采用了实际的4040螺旋缠绕膜模块，并通过实验数据进行建模，以评估OARO在不同配置下的性能。研究分析了OARO在不同阶段和模块配置下的表现，包括水通量、能耗以及系统复杂性。结果显示，尽管OARO能够在理论上达到与HPRO相似的高盐度浓缩水平（约100,000 ppm TDS），但其能耗显著高于HPRO（13.4–19.5 kWh/m3 vs. 7.8 kWh/m3）。此外，OARO还要求更大的膜面积和更高的系统复杂性，这使得其在实际应用中面临一定的挑战。

研究进一步探讨了OARO与HPRO的组合应用。在这种情况下，OARO被用作HPRO后的浓缩步骤，以将盐度提升至150,000 ppm。虽然这种配置理论上可行，但其所需的膜面积和能耗（约32 kWh/m3）使得该方案在现有技术条件下不具备可行性。这表明，即使在高盐度处理中，OARO的能耗仍然较高，特别是在处理高浓度废水时，渗透压急剧上升，导致进一步脱盐变得能源密集且难以维持。

从技术角度来看，OARO在工业应用中的挑战主要来自两个方面：一是膜模块本身的液压限制，二是系统设计的复杂性。例如，膜模块的扫流溶液流量受到物理限制，过低的流量会导致膜通量下降，而过高的流量则可能引发膜的机械应力，影响其寿命。此外，OARO的扫流回流设计增加了系统中的流体流动和控制点，使得整个处理过程更加复杂。相比之下，HPRO虽然需要较高的操作压力，但其设计相对简单，能耗更低，更适合现有工业系统的集成。

值得注意的是，尽管OARO在某些特定场景中展现出潜力，如小规模、批次式应用或有机溶剂的浓缩，但在大规模ZLD系统中，其经济性和技术可行性仍显不足。因此，为了使OARO在工业领域更具竞争力，需要在膜材料和系统设计上取得显著进步，例如提高膜通量、降低压力损失，并优化扫流回流策略，以减少系统复杂性和能耗。

综上所述，OARO作为一种新型膜技术，虽然在高盐度废水处理方面展现出一定的前景，但其在实际工业应用中的挑战不容忽视。目前，HPRO仍然是实现ZLD的更可靠和更经济的解决方案。然而，随着膜技术的不断进步，OARO有望在未来成为一种更具竞争力的替代方案，特别是在需要高浓度回收和较低能耗的特定应用场景中。因此，进一步的研究和技术开发对于推动OARO在工业废水处理中的应用至关重要。