多源含盐废水电化学脱盐的技术经济分析：杂质去除 - 浓缩 - 电解

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《Desalination》：Techno-economic analysis of electrochemical desalination for multi-source saline wastewater: impurity removal-concentration-electrolysis

【字体：大中小】 时间：2026年09月21日 来源：Desalination 9.9

编辑推荐：

　　 •开发了一种针对多源高盐废水的电化学脱盐工艺。•源自特定水质的预处理将杂质去除成本降至12.3–65.5元/m3。•3.0 mol/L Cl?阈值指导了MVR与三效蒸发技术的选择。•相较于盐提取，盐水电解使单位净现值提高5.5%–53.5%。•转换价格界定了特定废水的工艺路径

　　

•开发了一种针对多源高盐废水的电化学脱盐工艺。•源自特定水质的预处理将杂质去除成本降至12.3–65.5元/m3。•3.0 mol/L Cl?阈值指导了MVR与三效蒸发技术的选择。•相较于盐提取，盐水电解使单位净现值提高5.5%–53.5%。•转换价格界定了特定废水的工艺路径选择边界。

引言

随着工业化进程加速和环境法规日趋严格[1]、[2]，高盐废水的有效管理已成为化工、冶金、发电、海水淡化和城市固废焚烧（MSWI）行业面临的普遍难题[3]、[4]、[5]、[6]。各工业产生的高盐度废水在离子组成、pH值和有机物含量上差异显著，尤其在离子组成和总盐度方面差异明显（见表1）。盐度≥3.5 wt%（总溶解固体超过3.5 wt%）的废水被归类为高盐废水[7]、[8]。此类废水含有高浓度的溶解盐及杂质离子（Ca2?、Mg2?和SO?2?）。这些成分差异以及高盐度和杂质离子浓度给废水处理与处置带来了巨大挑战。

传统的基于蒸发结晶的零液体排放（ZLD）路线往往受限于高能耗、经济性差以及混合盐缺乏可行出路等问题[14]、[15]。Panagopoulos[14]将盐结晶器与风助强化蒸发用于处理海水反渗透浓缩液进行了对比。结晶器实现99.14%的水回收率，而强化蒸发为85.75%，对应的能耗分别为22.15和15.34 kWh/m3[14]。该研究还表明，项目盈利能力强烈依赖于回收水和固体盐的市场化程度。相比之下，我们之前的研究针对MSWI飞灰（FA）洗涤废水，MVR蒸发结晶的能耗为98 kWh/m3[16]。Liu等人[17]进一步指出，传统蒸发结晶方法因运行费用高且回收无机盐价值极低而受限。在他们研究的矿井水处置场景中，部分盐分分级或封存并不能从根本上减少混合盐的量，这些混合盐仍需进入危险废物管理或处置系统。因此，在某些应用中，传统ZLD路线可能只是将液体排放问题转化为高能耗、高额成本以及混合盐处置或低价值纯盐市场需求有限等问题。

相比之下，电化学转化可将高盐废水中的氯化物和硫酸盐转化为更高价值的酸碱产品[18]、[19]。它还可联产H?（清洁能源载体）和Cl?（化工生产的主要原料）[20]。

双极膜电渗析（BMED）利用双极膜界面的水解离产生H?和OH?[21]。同时，阳离子交换膜和阴离子交换膜实现盐离子的定向迁移，使得高盐废水无需添加外部化学试剂即可直接转化为酸碱产品[18]、[22]。Fan等人[23]采用BMED将NaNO?基高盐废水转化为HNO?和NaOH。在35 V、700 A/m2和12 wt% NaNO?的最优条件下，NaOH浓度达到2.227 mol/L，能耗为3.23 kWh/kg。类似地，Dong等人[24]使用BMED处理煤化工废水，在能耗2.08 kWh/kg的条件下产出了1.50 mol/L NaOH。López等人[25]开发了一种集成纳滤—离子交换—BMED工艺。通过分离多价离子以及深度去除Ca2?和Mg2?，脱盐浓缩液被转化为约1 mol/L浓度、高纯度的HCl和NaOH。NaOH的最低平准化生产成本约为344 €/t。

尽管BMED可将高盐废水转化为增值酸碱，但传统BMED构型在可实现的进料和产品浓度方面往往受限。随着酸碱浓度升高，H?和OH?的反扩散以及共离子泄漏现象更加明显。这些效应增加了中和损失和无效能耗，导致电流效率显著下降。因此，BMED在产出高浓度酸碱时通常表现出明显的浓度上限[26]、[27]、[28]。相比之下，离子交换膜电解（IEMES）可适应更高浓度的进料盐水，产出更浓的碱液，同时联产H?[29]、[30]。

Melián-Martel等人[13]在化学软化、蒸发浓缩和离子交换精制之后对脱盐浓缩液进行膜电解，产出Cl?、H?和32 wt% NaOH。Du等人[31]进一步整合了纳滤、化学软化、离子交换、盐水浓缩、IEMES和淡盐水处理，每吨浓缩液可产出11.9 kg 32 wt% NaOH。在我们之前的研究中[32]、[33]，IEMES被用于评估FA洗涤废水，并与传统盐提取进行对比，表明将溶解盐转化为更高价值的产品可以改善工艺经济性。Tu等人[34]进一步将膜电解与CO?转化为NaHCO?相结合，展示了电化学产品路径的灵活性。综合而言，这些研究证明了膜电解在特定高盐废水资源回收中的可行性。然而，其工艺构型和经济评估通常针对个别废水源量身定制，使得难以判断盐度和杂质组成变化如何影响优选的预处理、浓缩技术和资源回收路径。

因此，主要差距在于：缺乏在一致的技术和经济边界下对不同组成高盐废水的集成资源回收工艺的系统比较。现有研究通常聚焦于个别废水源或特定工艺阶段[35]、[36]、[37]、[38]、[39]，而废水组成会同时影响杂质去除需求、后续蒸发负荷和整体工艺经济性。特别是，源自不同来源的Ca2?、Mg2?和SO?2?浓度对预处理选择和下游盐水浓缩的影响尚未进行系统性比较。在不同盐度和沸点升高（BPE）条件下选择MVR与三效蒸发的定量准则也仍然有限。此前的技术经济分析也很少在共同的系统边界下比较完整的资源回收路径[32]、[33]。因此，废水组成、杂质去除策略、浓缩技术和资源回收路径对经济性能的综合影响仍有待充分解决。

为弥补这一空白，本研究建立了针对四种代表性高盐废水的统一工艺设计与技术经济分析（TEA）框架：高钙FA洗涤废水（HC）、高硫FA洗涤废水（HS）、脱硫废水（DS）和脱盐浓缩液（SO）。如图1所示，首先根据废水组成和下游工艺的杂质限值设计源特异性杂质去除路线，并使用Aspen Plus量化其物料和能量需求。随后利用预处理后的盐水评估MVR与三效蒸发的选择，并通过两种资源回收路径进行进一步评估：传统盐提取和盐水电解。在一致的系统边界下，比较四种废水源的物料与能耗、资本与运行成本、产品收入和单位净现值（UNPV）。随后通过敏感性和转换值分析识别主要经济变量以及决定路径选择的关键条件。本研究并非寻求适用于所有高盐废水的统一处理路线，而是将源自依赖性的废水组成与预处理、浓缩技术和资源回收路径选择相联系，从而界定特定废水的经济适用边界。

分节摘要

源特异性杂质去除工艺设计

表2总结了工艺模拟中使用的四种高盐废水的进料组成和运行能力，废水来源依据和进料流量确定方法见补充材料（S1.1）。

根据进料组成，Ca2?、Mg2?和SO?2?被选定为工艺设计中考虑的主要杂质，因为它们决定了下游单元的结垢和膜污染风险。所需杂质水平

源特异性杂质去除性能与优化

不同的杂质组成和下游水质要求导致不同预处理路线在物料、能量、盐水平衡和经济性能上存在差异。对这些差异进行评估以确定各废水源优选的杂质去除策略及其对进料组成的敏感性。

此外，杂质去除方案按照废水源、下游资源回收路径和方案编号进行编码。HC、HS、DS和

结论

本研究建立了针对四种组成各异的高盐废水，用于选择杂质去除、盐水浓缩和资源回收路径的统一工艺模拟与技术经济框架。结果表明，工艺选择不能仅依据盐度。高Ca2?负荷有利于采用低成本Na?SO?进行分步脱钙，随后进行有限的深度去除，而高SO?2?废水则受益于冷冻结晶与盐析联用的方案

符号说明

缩写

ACP 年废水处理量
MVR 机械蒸汽再压缩
BMED 双极膜电渗析
NPV 净现值
BPE 沸点升高
OPC 年运行成本
CAPC 年资本成本
PI 产品收入
CEPCI 化工装置成本指数
SOT 盐析
CNY 人民币
TEA 技术经济分析
COD 化学需氧量
TI 总投资
COP 性能系数
UNPV 单位净现值
C 废水处理率
WCI 流动资金投入

作者贡献声明

Xiaoyang Chen：概念设计、方法论、形式化分析、初稿撰写、可视化。Ting Zhao：数据整理、调查研究。Peixiong Tan：验证、资源。Chan Zou：资源。Yipeng Wang：资源、调查研究。Huimin Liu：调查研究、监督、审阅与编辑、经费获取。Hongyun Hu：调查研究、监督、经费获取。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（52676125）、深圳市科技计划项目（JSGG20220831101202005, JCYJ20250604190043055）和新疆油田科技计划项目（2023AB073）的资助。

Xiaoyang Chen | Ting Zhao | Peixiong Tan | Chan Zou | Yipeng Wang | Huimin Liu | Hongyun Hu

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