《Desalination and Water Treatment》：Osmotically Assisted Reverse Osmosis versus Mechanical Vapour Compression for Brine Concentration in Textile Wastewater Zero Liquid Discharge: Techno-Economic Case Study
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水资源短缺不仅取决于淡水的物理可用性，还取决于水能否以可靠、经济且安全的方式获得。在许多发展中国家和全球南方地区，淡水资源的可利用性受到季节性变化、地下水位下降、分配基础设施不足、污染及处理成本等因素的制约。未处理或处理不充分的废水进一步减少了家庭、生态系统、
水资源短缺不仅取决于淡水的物理可用性，还取决于水能否以可靠、经济且安全的方式获得。在许多发展中国家和全球南方地区，淡水资源的可利用性受到季节性变化、地下水位下降、分配基础设施不足、污染及处理成本等因素的制约。未处理或处理不充分的废水进一步减少了家庭、生态系统、农业和生产可用的水资源。纺织湿加工在此背景下尤为重要，因其消耗大量工艺用水，并产生含盐、有色且化学组成复杂的废水。因此，改善纺织废水处理与回用，与淡水保护、公共水安全、产业连续性及纺织供应链的责任化发展密切相关。
纺织湿加工废水含有残余染料、盐类、表面活性剂、有机化学品、碱、酸及悬浮固体。在活性染色工艺中，氯化钠和硫酸钠常作为电解质以促进染料对纤维素纤维的上染，盐用量根据染料类别、色度和配方，常达每升数十克。常规生物及物化处理可降低有机负荷、色度和悬浮物，但无法去除大部分溶解盐。因此，纺织染色废水处理不仅是水回收问题，更是浓盐水及盐分管理问题。
零排放（zero liquid discharge, ZLD）在液体排放受限且需要内部水回用的场所中变得尤为重要。印度蒂鲁布尔（Tiruppur）是典型的纺织案例，其ZLD实施由河流污染、法律干预、产业适应及水回用需求共同驱动。现有的纺织ZLD系统通常结合物化处理、生物处理、反渗透（reverse osmosis, RO）、蒸发、结晶及最终干燥。在本研究所涉及的Tiruppur案例中，实际ZLD系统实现了约95%–97%的水回收率，但等效能耗约28 kWh/m3，扣除回收水和盐类收益后的净处理成本约1.70–2.75 �/m3。文献报告的Tiruppur纺织废水处理运行成本经统一成本基准调整后，ZLD运行成本约为2.91–3.64 �/m3，而未采用ZLD的一级和二级处理仅为0.22–0.44 �/m3。这一巨大成本差异可能导致设备欠维护、维护延迟、盐管理不完整或向执法较弱地区转移。因此，降低ZLD的能耗和成本，对于工艺优化和持久合规均至关重要。
RO是在蒸发浓缩前的主要水回收步骤，因为与蒸发相比，RO能以更低能耗从中低盐度水流中回收水。然而，提高回收率会增加浓缩液的渗透压，并降低有效净驱动压力。在Tiruppur现行纺织ZLD实践中，RO通常处理总溶解固体（total dissolved solids, TDS）约5–10 g/L的废水，将其浓缩至约80–90 g/L，随后剩余浓盐水进入蒸发处理。观测到的RO比能耗约4–7 kWh/m3，部分原因在于各级间浓缩液排放至敞开储罐时压力能得以消散。此外，进一步浓缩受约83 bar的最高操作压力限制。这些限制既要求在可用压力范围内更高效地运行RO，也需要能够将其浓缩能力延伸至压力极限之外的膜工艺。
先进的一级RO配置可优化膜浓缩操作方式。间歇式和半间歇式RO，包括闭路或闭环反渗透（closed-circuit reverse osmosis, CCRO/CLRO），通过减少浓缩过程中的压力失配，在给定压力限值内改善压力轨迹。在这些系统中，施加压力能比定压分段RO更紧密地跟随浓缩液渗透压的升高。这可以减少可避免的能量损失，但本身并不能将操作延伸至RO系统最大压力等级以上。在工业纺织ZLD系统中，CLRO具有现实意义，因为分段RO通常通过多组膜架和中间储罐实施，这会在下一次加压前将液压能耗散。因此，CLRO可提供更可控的一级膜浓缩步骤，但在达到实际RO压力极限后仍需下游浓盐水浓缩。
进一步的浓盐水处理通常采用蒸发技术。机械蒸汽压缩（mechanical vapour compression, MVC）是一种成熟的电驱动浓盐水浓缩工艺，其产生的蒸汽被压缩并作为加热介质循环使用。与常规蒸发相比，MVC可降低直接蒸汽需求，但仍属于资本和电力密集型工艺。文献报道的高盐度浓盐水浓缩MVC比能耗通常为每立方米MVC进水25–40 kWh/m3，具体取决于进水盐度、目标浓度、压缩机效率、沸点升高、温升、传热条件和结垢控制等因素。因此，MVC是最终结晶前一种稳健但成本较高的中间浓缩选项。
由于蒸发式浓盐水浓缩能耗较高，膜法浓盐水浓缩器作为最终结晶前的替代或减载步骤受到关注。高压和超高压RO通过提高允许水压范围来扩展膜浓缩能力。低盐截留反渗透（low-salt-rejection reverse osmosis, LSRRO）则采用不同方法，使用盐截留率有意降低的膜来减小膜两侧的渗透压差，从而改善浓盐水浓缩的能量性能。这些方法可减轻蒸发处理的负荷，但其性能仍取决于压力极限、膜传输特性、盐透过率、产水水质和系统配置。
渗透辅助反渗透（osmotically assisted reverse osmosis, OARO）提供了另一种基于膜的高盐度浓盐水浓缩路径。在OARO中，渗透侧存在一股含盐扫流，降低了阻碍水传输的有效渗透压差，使水能在常规RO实用范围之外从高盐度浓盐水中压力驱动转移。已有研究表明，OARO性能取决于段数、扫流侧操作、浓度相关传输、内浓差极化、压降、盐透过及组件尺度水力行为。近期工作采用工业组件进行了多段OARO放大研究，并利用真实海水RO浓盐水进行了中试规模运行，证实了OARO用于高盐度浓盐水浓缩的潜力和实际局限性。
OARO和MVC代表了同一中间浓盐水浓缩角色的不同策略。然而，OARO的研究多集中于配置设计、传输建模、组件尺度实验或简化的浓盐水管理比较，而非作为完整ZLD工艺链中的一个单元。其实际效益取决于与上游膜浓缩、扫流侧循环、下游结晶、盐回收、能耗和总处理成本的相互作用。因此，针对ZLD系统，特别是纺织染色废水ZLD，在工艺链层面比较OARO与MVC的研究仍不充分。
本研究以印度Tiruppur为技术经济案例，通过比较OARO和MVC作为纺织废水ZLD中替代中间浓盐水浓缩步骤来填补这一空白。两种技术在相同的ZLD回收率和结晶目标下进行评估，同时将OARO扫流侧循环的上游影响纳入工艺链平衡。研究因此评估了中间浓盐水浓缩步骤对整个ZLD链的影响，而非仅针对单个单元操作。通过同时考虑常规分段RO和CLRO作为一级膜浓缩路线，研究识别了OARO相对于MVC能够降低纺织ZLD能耗和成本负担的工艺链条件。
论文解读：纺织废水零排放中OARO与MVC作为中间浓盐水浓缩步骤的技术经济比较
1. 研究背景与问题
水资源短缺不仅取决于淡水物理可得性，还取决于供水的可靠性、经济性和安全性。纺织湿加工消耗大量工艺水，并产生含盐、有色且化学复杂的废水。在印度Tiruppur，纺织废水零排放（ZLD）的实施由河流污染、法律干预和回用需求驱动。现有ZLD系统虽可实现约95%–97%的水回收率，但等效能耗约28 kWh/m3，净处理成本高达1.70–2.75 �/m3。文献报告的ZLD运行成本为2.91–3.64 �/m3，远高于非ZLD处理的0.22–0.44 �/m3。这一成本压力可导致设备欠维护、盐管理不完整或产业转移。因此，降低ZLD能耗和成本对于工艺优化和持久合规至关重要。
现有纺织ZLD中，反渗透（RO）是主要水回收步骤，可将TDS 5–10 g/L的废水浓缩至80–90 g/L，但受约83 bar最高操作压力限制，进一步浓缩困难。机械蒸汽压缩（MVC）是常用的中间浓盐水浓缩技术，但比能耗高达25–40 kWh/m3。渗透辅助反渗透（OARO）作为膜法替代技术，通过渗透侧扫流降低有效渗透压差，理论上可超越常规RO压力极限，但其在完整ZLD工艺链中的实际效益尚未得到充分评估。
2. 研究内容与结论
本研究以印度Tiruppur为技术经济案例，比较了OARO和MVC作为中间浓盐水浓缩步骤的性能。四种工艺链被评估：分段RO–MVC–结晶器、分段RO–OARO–结晶器、CLRO–MVC–结晶器和CLRO–OARO–结晶器。所有配置基于1000 m3/d进水，设计实现97%有效水回收率和约70%硫酸钠回收率。
结果表明，OARO可降低中间浓缩能耗，但其扫流侧循环会增加上游膜段的水力和盐度负荷。闭合回路反渗透（CLRO）因其渐进式浓缩特性，能更好地适应这一额外负荷。CLRO–OARO–结晶器链总等效比能耗（SEC）从分段RO–MVC参考链的19.43 kWh/m3降至16.61 kWh/m3，净ZLD成本从1.82 �/m3降至1.33 �/m3，分别降低约15%和27%。敏感性分析显示，膜更换周期是CLRO–OARO链的关键参数，而OARO组件成本影响中等。
3. 主要技术方法
研究基于Tiruppur纺织废水处理设施实地调研、运行数据及文献数据构建案例基础。关键技术方法包括：分段RO采用逐段膜设计方法；CLRO采用先前开发的投影框架；OARO利用阶段式盐水分流投影工具，基于Toyobo FB10155S中空纤维组件；MVC从水去除负荷和固定SEC进行尺寸计算；结晶段采用冷却结晶与蒸发结晶相结合。经济评估采用2024年成本基准，资本成本更新采用CEPCI指数，运行成本基于表2所列统一假设。所有工艺链在同一进水基础、同一最终浓盐水浓度400 g/L和同一结晶概念下进行评估，差异归因于一级膜浓缩和中间浓缩技术选择。
4. 研究结果
4.1 过程链质量平衡与回收率
所有配置均实现有效回收水970 m3/d，硫酸钠回收量3.56–3.75 t/d（约占进入结晶段硫酸钠的70%）。OARO扫流循环使一级膜进水从1000 m3/d增至约1163–1169 m3/d，入口盐度从7.54 g/L升至约14.6 g/L。CLRO–MVC和CLRO–OARO的平均产水盐度分别为244 mg/L和258 mg/L。OARO的主要质量平衡效应是内部扫流循环，它降低了中间浓缩负荷，但增加了一级膜段的水力和盐度负荷。
4.2 能耗与比能耗
基于工厂进水基准，分段RO–MVC–结晶器链总等效SEC最高，为19.43 kWh/m3；CLRO–OARO–结晶器链最低，为16.61 kWh/m3，降幅约15%。OARO循环使一级膜段SEC增加：分段RO从2.49增至4.37 kWh/m3，CLRO仅从1.90增至2.23 kWh/m3，这归因于CLRO渐进式浓缩减小压力失配。MVC局部SEC高达28.66 kWh/m3，但仅8%–9%工厂进水进入MVC，其工厂进水贡献为2.29–2.40 kWh/m3；OARO局部SEC为3.10 kWh/m3，对应工厂进水贡献0.56–0.59 kWh/m3。与现有Tiruppur约28 kWh/m3相比，CLRO–OARO降低了约41%。但热结晶负荷仍达1648–1737 MWh
th/yr，说明膜工艺改进不能消除最终结晶的重要性。
4.3 处理成本与净ZLD成本
处理成本从分段RO–MVC的约2.63 �/m3降至CLRO–OARO的约2.16 �/m3。ZLD收益（回收水、硫酸钠及残余处置）相似，约0.88 �/m3。净ZLD成本从1.82 �/m3降至1.33 �/m3，降幅约27%。与实测Tiruppur净成本范围1.70–2.75 �/m3相比，CLRO–OARO降低约22%–52%。成本结构显示，MVC链中中间浓缩是主要成本单元，而OARO链成本转移至膜段，特别是上游膜段和OARO单元。
4.4 敏感性分析
膜更换间隔从1年增至7年时，CLRO–OARO处理成本从3.06 �/m3降至2.13 �/m3（基准6年为2.16 �/m3）。OARO对更换频率最敏感，其成本贡献从1.50降至0.68 �/m3，CLRO仅从0.77降至0.66 �/m3。OARO组件成本±20%变化使总处理成本变化约±0.11 �/m3（±5%）。在500–2400 m3/d产能范围内，两种链条均显示规模经济，MVC链从规模缩放中获益更多，但CLRO–OARO在所有产能下成本更低，处理成本降低幅度从500 m3/d时的17%降至2400 m3/d时的10%。MVC SEC在25–32 kWh/m3范围内变化对MVC链成本影响中等，不改变比较结论。
5. 总结与结论
研究结论为：在评估的工艺链假设下，OARO可降低中间浓盐水浓缩的能耗与成本负担，但其效益依赖工艺链整合，因为稀释的OARO扫流出口需循环至上游。CLRO因渐进式浓缩特性，对OARO循环带来的额外负荷适应能力更强，因此OARO与CLRO整合时改进效果最显著。CLRO–OARO–结晶器链在所有评估配置中总等效SEC和净ZLD成本最低，分别降至16.61 kWh/m3和1.33 �/m3。敏感性分析表明，膜更换周期是关键参数，而OARO组件成本影响中等，CLRO–OARO的成本优势在所评估范围内具有稳健性。该评估为工艺链技术经济分析而非验证性现场设计；实际废水可能引入结垢、污堵、水质波动和回收盐质量等未完全表征的约束。未来工作应在中试或现场规模下使用实际纺织废水验证所提出的CLRO–OARO–结晶器链，包括长期膜运行、预处理要求、结晶器稳定性和回收盐回用。尽管存在上述限制，研究结果仍表明，将CLRO与OARO整合是降低纺织ZLD能耗和成本负担的有前景路径，前提是最终结晶、盐处理和工艺可靠性需与膜工艺优化同步解决。
