低盐排斥反渗透膜能够降低废水零排放系统中的能源消耗和经济效益

《Desalination》：Low-salt-rejection reverse osmosis membranes decrease energy consumption and economic cost in a wastewater zero liquid discharge system

零液体排放（ZLD）系统中采用低盐排斥反渗透（LSRRO）工艺替代传统反渗透（RO）和电渗析（ED）组合，通过多级串联设计实现230g/L高盐度浓缩，能耗降至4.95kWh/m3，系统总能耗降低26%，成本降低37%，为高盐废水处理提供节能经济新方案。

　　

王天月|王海兰|陈建旭宣|王张欣|戴若彬|王志伟

中国上海同济大学环境科学与工程学院，上海污染控制与生态安全研究所，水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室，200092

摘要

零液体排放（ZLD）是一种有前景但能耗较高的盐水管理策略。基于高截留率反渗透（RO）和电渗析（ED）的传统ZLD系统在处理高盐度废水时面临严峻挑战，因为这些方法会产生过高的渗透压、增加能耗并导致运营成本上升。本文提出了一种低盐截留率反渗透（LSRRO）工艺，作为传统RO和ED单元的替代方案，用于高盐度工业废水处理。我们建立了一个工艺模型，评估了LSRRO设计参数（包括级数、操作压力和盐水浓度）对能耗和系统性能的影响。优化后的LSRRO配置可将NaCl浓度浓缩至230 g/L，远超传统RO的极限，同时仅消耗4.95 kWh/m3的电能。当该工艺集成到完整的ZLD系统中时，总能耗降低了约26%，水的平准化成本降低了约37%。这些结果表明，LSRRO有望实现高效且经济可行的ZLD，为可持续的工业盐水管理提供了一条新的膜基途径。

引言

淡水短缺已成为全球最紧迫的挑战之一[[1], [2], [3], [4]]，而快速的经济发展和工业化进一步加剧了水资源的过度使用和污染[[5], [6], [7]]。未经充分处理的废水排放到水环境中会导致严重污染，对生态系统和公共健康产生负面影响[3,8,9]。零液体排放（ZLD）是一种雄心勃勃的废水管理策略，旨在回收废水中的所有水分，仅留下固体废物，这些废物可以以更安全、更环保的方式进行处理[10,11]。ZLD不仅减少了废水排放带来的风险，还提高了水资源利用效率，促进了资源回收，并降低了环境影响，使其成为可持续工业水处理的关键途径[[12], [13], [14]]。

目前，典型的ZLD系统结合了膜技术和热处理技术[[11,12,15]]。反渗透（RO）等膜单元主要用于废水浓缩和水分回收[[16], [17], [18]]。然而，传统的高截留率RO膜受到跨膜渗透压的限制，随着盐水盐度的增加，渗透压会显著上升[[19], [20], [21], [22]]。通常，RO最多可将废水中的总溶解固体（TDS）浓缩至70 g/L[[23]]。进一步浓缩需要极高的操作压力，这在技术上不可行且经济成本高昂[[5,24,25]]。电渗析（ED）虽然可以进一步浓缩盐水，但存在能耗高、电流效率低以及低稀释度下膜面积需求大的问题[[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34]]。这些挑战凸显了在ZLD系统中迫切需要替代传统RO+ED配置的节能方案。

低盐截留率反渗透（LSRRO）工艺是一种新型的分级RO技术，最近受到了关注。与传统强调高盐截留率的RO膜不同，LSR膜允许部分盐分通过，从而显著降低了跨膜渗透压。LSRRO系统通常分为多个阶段，每个阶段的浓缩液进入下一阶段进行进一步浓缩，而下游阶段的渗透液则回流到上游。这种分级盐水流动和渗透液回流的设计使得可以从第一阶段收集淡水，从最后一阶段获得最终浓缩盐水，从而在中等操作压力下实现更高的盐浓度浓缩[[23]]。与其他新型RO基技术相比[[13,[35], [36], [37], [38], [39], [40], [41]]，LSRRO具有资本成本低和实用性强的优势[[42]]。尽管目前关于LSRRO的研究在理论建模和能耗分析方面取得了进展[[13,23,[42], [43], [44]]，Van Houghton等人也通过中试实验证明了LSRRO膜的性能优于传统海水RO[[45]]，但对其集成到完整ZLD系统中的综合评估仍较为有限。具体而言，系统性地定量评估LSRRO相对于传统RO+ED配置在能效和经济可行性方面的优势仍然是一个未解决且至关重要的研究问题。

在这项研究中，我们基于实际工艺配置构建了一个代表性的高盐度工业废水ZLD系统概念模型，并通过用LSRRO工艺替换传统RO和ED单元来开发了优化方案。通过模型计算，系统评估了LSRRO级数、操作压力和盐水浓度等关键参数对能耗和系统性能的影响，明确了LSRRO在ZLD应用中的潜力。为了进行整体比较，我们采用了文献中的数据来计算热结晶单元的能耗，从而评估了优化后ZLD配置的总能耗和成本结构。还进行了敏感性分析以验证结果的可靠性。本研究突显了LSRRO在ZLD场景中同时实现能源和成本优化的独特优势，为开发高效且经济可行的ZLD系统提供了理论和方法支持。

系统细节

ZLD系统概述

我们建立了一个概念性的ZLD系统，该系统基于钢铁厂冷轧废水处理的全规模工艺配置设计，处理能力为5000 m3/d（图1）。废水主要由NaCl和Na?SO?组成，这些物质主要来自冷轧工艺和预处理步骤。系统框架结合了多级膜工艺和结晶单元。最初，预处理后的冷轧废水进入

ZLD系统的分析与LSRRO优化

我们首先分析了原始ZLD系统的SEC（图3A）。最初的膜工艺，包括第一次反渗透（RO）、第一级纳滤（NF）和第二级纳滤（NF），显示出相对较低的SEC。尽管第一次反渗透过程具有较高的能效，但其较大的渗透液体积导致了总能耗的显著部分（图3B）。相比之下，第三次反渗透过程的SEC最低（0.19 kWh/m3），这归因于最低的渗透压

结论

本研究探讨了用低盐截留率反渗透工艺替代传统RO和ED以优化典型ZLD系统的可行性，重点关注能耗和经济性能。基于模型的分析表明，LSRRO工艺的SEC为4.95 kWh/m3，同时能够达到传统RO膜在类似条件下无法实现的盐水浓度。当该工艺集成到完整的ZLD系统中时，能耗显著降低

作者贡献声明

王天月：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法论设计、数据分析。王海兰：可视化、方法论设计、概念构思。陈建旭宣：可视化、方法论设计。王张欣：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计。戴若彬：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、概念构思。王志伟：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（项目编号：52522006、52470091、52430001、524B2139）和上海市科学技术委员会国际合作项目（项目编号：24230712000）提供的财务支持。