通过原位清洗方法增强连续盐度梯度能量-反向电渗析（SGE-RED）在实际废水中的运行稳健性

《Journal of Water Process Engineering》：Enhancing the operational robustness of continuous salinity gradient energy-reverse electrodialysis, SGE-RED, in real effluent streams through in-situ cleaning approaches

　　

•通过SGE-RED技术推进从城市污水处理厂（UWWTP）废水中的水回收
•连续中试规模SGE-RED系统运行无性能损失
•盐度梯度能量（SGE）采集与非饮用水回用处理的整合
•防止反向电渗析（RED）技术中污染和结垢的清洗方案

背景：反向电渗析（Reverse Electrodialysis, RED）系统在利用实际水体进行盐度梯度能量（Salinity Gradient Energy, SGE）采集时，面临显著的长期性能稳定性限制。膜污染（有机物、无机物、胶体/颗粒和微生物协同作用）、无机结垢（如CaCO₃、Mg(OH)₂沉淀）以及隔室电阻增加共同导致了总功率密度下降和能量回收效率降低。已有研究在实验室或中试规模上尝试了不同清洗策略，但在实际污水处理厂（Wastewater Treatment Plant, WWTP）环境中连续运行及原位清洗验证仍较为缺乏。因此，本研究旨在评估中试RED系统在真实三级处理出水和天然海水条件下的长期可行性、稳定性及能量性能，并首次在TRL 6（技术就绪水平6）级别下开发和评估原位清洗协议。

研究人员开展的研究：研究人员在西班牙坎塔布里亚（Cantabria）的Comillas WWTP部署了中试RED系统，以超滤（Ultrafiltration, UF）处理后的市政污水为低浓度（Low-concentration, LC）进料，天然海水为高浓度（High-concentration, HC）进料。系统包括商业RED模块（FuMA-Tech? FT-ED-1750-2-115，115个电池对，有效膜面积20.125 m²）。通过超过100小时的非连续连续运行（2024年12月至2025年2月），研究人员实施了针对有机物（CIP1：KOH碱洗）和无机物（CIP2：柠檬酸或HCl酸洗）的原位清洗方案。

结论：系统实现了稳定的平均功率密度0.75 ± 0.04 W/m²（范围0.52–0.94 W/m²），最大功率密度0.90 W/m²（在1000 L/h流量下）。清洗方案有效恢复了膜性能，压力降稳定在0.5–0.6 bar。出水质量满足西班牙RD 1085/2024标准中的非饮用水回用等级（Urban–Quality B等），可生产约0.5 m³/h的可回用水。研究表明，超滤预处理结合周期性碱洗和酸洗可有效控制污染与结垢，实现RED系统在真实污水环境下的稳健连续运行。

重要意义：这项工作首次在中试规模上验证了深度三级处理与RED技术的耦合可行性，为沿海污水处理厂利用盐度梯度进行可再生能源回收和水回用提供了可扩展的技术方案，支持了盐度梯度能量与循环水管理框架的整合。

论文发表在《Journal of Water Process Engineering》。

关键的技术方法：
中试规模RED系统采用FuMA-Tech模块，包含115个电池对和fumasep? FKS-PET-75（阳离子交换膜，CEM）及FAS-PET-75（阴离子交换膜，AEM），有效膜面积20.125 m²。进料为三级处理出水（经UF处理，ZeeWeed 500D 370，孔径0.04 μm）和天然海水（经10 μm和5 μm两级过滤）。清洁方法采用原位清洗（Clean-in-place, CIP），包括CIP1（KOH溶液，5%浓度，303–308 K，逆流30 min）和CIP2（柠檬酸1%或HCl 5%，室温逆流30 min），以及连续运行时的酸性添加（同浓度，正向运行）。清洗后均使用去离子水冲洗30 min。样本来源为西班牙坎塔布里亚Comillas WWTP（约20,000人口当量）的三级出水，海水取自坎塔布里亚海。

**3. Results**

**3.1. Water quality characterization（水质表征）**
通过一年采样分析，海水（经25 μm和10 μm过滤）电导率55.7 ± 8.2 mS/cm，浊度<1 NTU，BOD₅<10 mg O₂/L，总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）2.3 ± 0.6 mg/L。三级出水（经UF处理）电导率0.55 ± 0.08 mS/cm，浊度1.02 ± 0.69 NTU，悬浮固体（Total Suspended Solids, TSS）2.37 ± 2.28 mg/L，BOD₅ 6.02 ± 2.04 mg O₂/L，TOC 3.5 mg/L，大肠杆菌<100 CFU/100 mL。水质满足排放标准，且UF处理有效降低了污染风险。

**3.2. Power performance of the pilot RED plant（中试RED电厂功率性能）**
在QLC=QHC=500 L/h、温度约287 K条件下，实验测得最大功率密度0.88 ± 4×10^?3 W/m²（电流2.4 A），与模拟值0.96 W/m²吻合良好（偏差约9%）。开路电压（Open Circuit Voltage, OCV）实测0.139 V/膜对，与Nernst方程预测值0.134 V/膜对接近，无明显额外电压损失。该结果与NaCl等效进料下的文献值（1.02 ± 0.06 W/m²）一致，表明实际基质多价离子等引起的额外电阻在预期范围内。

**3.3. Continuous performance（连续运行性能）**
在超过100小时的有效运行中，系统在稳态电流1.92 ± 0.06 A下运行，平均功率密度0.75 ± 0.04 W/m²。HC侧压力降0.59 ± 0.10 bar，LC侧0.53 ± 0.09 bar，LC浊度0.97 ± 0.65 NTU，表明污染有限。清洗策略效果：单独CIP1可恢复功率，但HCO侧压力轻微上升；联合CIP1和酸洗（含连续酸添加）或CIP2（逆流酸洗）能完全恢复压力降和功率密度，其中CIP2表现出最优的长期稳定性，将功率密度波动控制在<10%。

**3.4. Performance indicators（性能指标）**
能量指标：最大功率密度0.90 W/m²（1000 L/h），对应能量回收18.11 Wh/m³_LC，膜面积归一化能量0.90 Wh/(m²·m³_LC)；低流量（250 L/h）下达3.04 Wh/(m²·m³_LC)。与文献比较，该系统功率密度和膜利用率优于类似规模研究（如Mehdizadeh等0.62 W/m²，Nam等0.76 W/m²）。水回用指标：出水符合西班牙RD 1085/2024中Urban–Quality B等标准，P90大肠杆菌<100 CFU/100 mL，BOD₅<10 mg/L，TSS 5 mg/L（P90），浊度1.9 NTU（P90），总磷、总氮等化学污染物均低于排放限值。可回用水产量约0.5 m³/h。

讨论部分（原文在Results中穿插讨论）：
研究人员指出，LC侧进料水质（尤其是浊度维持在1 NTU附近）是可持续运行的关键。联合实施CIP1和CIP2可获得最稳定的长期效果，逆流酸洗（CIP2）比单独的CIP1或CIP1+酸添加更有效地恢复RED性能。尽管温度较低（286 K）和LC摩尔浓度处于次优范围（3.5×10^?3–7.7×10^?3 M），系统仍实现了紧凑设计和稳健控制。未来优化方向包括提高运行温度以增加性能。

结论翻译（4. Conclusions）：
本研究对集成于沿海污水处理厂的中试反向电渗析系统的长期运行性能进行了全面评估，利用三级处理出水与海水之间的盐度梯度。
在一年监测期内，两种进料流均表现出稳定的物理化学特性，三级出水满足排放标准，海水变异性有限。在匹配流量条件（QLC=QHC=500 L/h）下，系统达到最大总功率密度0.88 W/m²。
实验表明，经超滤预处理的出水可实现持续可靠运行，在连续恒流操作下功率密度在0.52至0.94 W/m²之间变化，污染累积有限，体现在稳定的水力和电化学参数上。定期碱洗和酸洗方案在保持膜性能和完整性方面证明有效，这是对运行真实污水出水的RED系统进行原位维护和清洗策略的首次中试规模验证。
使用标准化指标进行能量性能基准测试进一步证实了所开发系统的竞争力。尽管膜面积相对紧凑，中试装置实现了高达3.04 Wh/(m²·m³_LC)的膜比能量回收，超过了较大规模研究报告的值。此外，在本工作提出的中试配置下，超过0.5 m³/h的RED后出水符合非饮用水回用的Urban–Quality B标准，电导率和关键物理化学及微生物参数均保持在监管限值内。
总之，本工作表明，将高级三级废水处理与反向电渗析技术耦合是一种技术上稳健且可扩展的途径，可用于沿海污水处理厂的可再生能源回收和水回用，支持盐度梯度能量整合入循环水管理框架。