渗透辅助反渗透和低盐截留率反渗透处理高盐水的能效对比
引言：淡水危机是一个全球性的问题。人类每天的工业活动会将大量的淡水转化成为含盐废水，而这些废水的排放可能会造成严重的环境污染，使得淡水危机加剧。为了防止这种现象的发生，废水的排放标准变得越来越严格。近些年来，废水零排放(ZLD)这一标准被提了出来。具体来说，ZLD是将废水中的所有的水资源进行回收，只留下固体进行处理处置。ZLD可完全消除废水排放造成水污染的风险，同时实现水资源的高效利用。由于实现ZLD的成本很高，废水近零排放（MLD）这一标准被提了出来。相比于ZLD，MLD可对经济成本与环境影响之间进行平衡。
早期的ZLD系统完全是由蒸发器构成的，故其成本极高。近些年来，为了降低ZLD的成本，反渗透（RO）被应用于ZLD系统。具体来说，盐水先通过RO进行浓缩减量，再进入蒸发器，降低了后者的处理负荷，进而降低了整个ZLD系统的成本。与此同时，RO在MLD系统中也有着广泛的应用。然而，虽然使用了RO，ZLD的成本依然很高，这是因为RO对盐水浓缩减量的能力受限于其操作压力（图1）。目前，RO组件能承受的最大压力不超过85 bar，所能将盐水浓缩的最大浓度不超过100,000 mg/L TDS，而蒸发器较优的进水浓度一般都大于200,000 mg/L TDS。类似地，MLD中淡水的回收率也受到了RO操作压力的限制。
为了突破RO操作压力的限制，渗透辅助反渗透（OARO）和低盐截留率反渗透（LSRRO）这两种新型的多级RO技术被研发了出来（图2）。根据之前的研究，这两种技术均可使用常规的操作压力对盐水进行高度地浓缩。具体来说，OARO的核心是一种双端进水的错流膜组件，其两端的进水分别为一股高浓度盐水和一股低浓度盐水。在OARO操作过程中，由于低浓度盐水可降低跨膜的渗透压差，高浓度盐水可在常规操作压力下被进一步浓缩。LSRRO的核心是一种低盐截留率的RO膜组件（LSRRO膜组件），其产水为低浓度的盐水。在LSRRO操作过程中，由于产水侧的低浓度盐水可降低跨膜的渗透压差，常规的操作压力即可实现盐水的高度浓缩。
在MLD/ZLD工艺中，OARO和LSRRO均可对盐水进行高度地浓缩减量，降低蒸发器的处理负荷，进而降低整个工艺的成本。然而，在实际的应用中，具体应该使用哪个技术呢？换句话说，这两个技术是否各具优势？回答上述问题对于未来MLD/ZLD工艺的研发至关重要。
在本研究中，我们使用过程模型对OARO和LSRRO进行了系统的比较。首先，我们证实OARO和LSRRO均可促进MLD/ZLD。然后，以单位产水能耗（SEC）作为性能指标，我们比较了OARO和LSRRO在MLD/ZLD中的能效。接下来，通过分析操作条件，包括盐水浓度、系统级数以及最高操作压力对于SEC的影响，我们识别出了每个技术所适用的场景。最后，我们对两个技术进行了实际地考量，强调了在MLD/ZLD中，LSRRO相比于OARO可能更具优势。
结果与讨论
OARO和LSRRO在MLD中的表现
对MLD，我们比较了2级OARO.和LSRRO系统。从图1中可以看出，2级OARO和LSRRO均可在不提升操作压力的情况下，提升常规RO的最大水回收率（图3A）。实际上，2级OARO/LSRRO可将常规RO产生的浓盐水体积进一步减量50%，故可极大地推进MLD。虽然OARO和LSRRO具有一样的盐水浓缩减量能力，这两种技术的能耗并不相同。如图3B所示，在给定目标浓盐水浓度时，OARO的SEC不随进料液浓度变化，而LSRRO的SEC随着进料液浓度的升高而升高。因此，在处理较低或中等浓度的盐水时（10,000和35,000mg/L），LSRRO的能效更高，而处理高浓盐水时（70,000 mg/L），OARO的能效更高。
OARO和LSRRO在ZLD中的表现
在ZLD中，OARO和LSRRO产生浓水浓度需要超过200,000 mg/L，所以至少需要三级系统。如图4A所示，与MLD的结果类似，3级OARO的SEC是由目标浓盐水浓度所决定的，不随进料液浓度变化，而3级LSRRO的SEC随进料液浓度升高而升高。因此，LSRRO适合处理较低浓度盐水，而OARO适合处理高浓度盐水。
我们进一步考察了4级OARO和LSRRO的表现（图4A和B），发现：系统级数的增加不会改变OARO的SEC，但会显著降低LSRRO的SEC。此外，我们考察了3级OARO和LSRRO的表现随最大操作压力的变化（图4C）。同样地，最大操作压力的提升无法改变OARO的SEC，但可以降低LSRRO的SEC。综上所述，LSRRO的能效可以通过系统级数的增加或/和最大操作压力的提升而上升，这就使得LSRRO有潜力在高浓度盐水处理上也击败OARO。
结论与展望
为了突破常规反渗透浓缩盐水的极限，OARO和LSRRO这两种可使用较低的操作压力高度地浓缩盐水的技术被研发了出来。我们的研究发现，在处理较低浓度的盐水时，LSRRO的能效更具优势，而处理高浓度的盐水时，OARO更具优势。但我们也发现，LSRRO的能效可随其系统所用级数的增加而上升，此外，使用更高的操作压力也可显著地提升LSRRO的能效。因此，我们相信，在不久的未来，即使是处理高浓度的盐水，LSRRO在能效上也会更具优势。
对于一种技术的评价，除了能效外，实际可操作性也是一个考量。在本研究中，我们以膜组件的实际性和系统的投资成本作为两个指标对OARO和LSRRO的实际可操作性进行了定性的比较（图5）。OARO需要两端进水的错流式膜组件，目前，市面上这种膜组件非常少见，同时，由于浓差极化的存在，这种膜组件的水通量极低。而LSRRO可使用纳滤膜组件，甚至报废的反渗透膜组件进行搭建，且由于盐也可以直接透过膜，其浓差极化现象也不会十分显著。因此，从膜组件的实际性上来讲，LSRRO优于OARO。从系统的投资成本上来讲，由于OARO的水通量较低，其系统所需的膜组件数量较多，同时，OARO所需的高压泵和能量回收装置也多于LSRRO。所以，LSRRO在系统的投资成本上也优于OARO。综上所述，相比于OARO，LSRRO的实际操作性更强。
最后，需要强调的是，本研究的主要目标是从理论层面对OARO和LSRRO的能效进行对比。但对于两种技术的实际应用，更为详细的经济技术分析还有待进行。此外，在两种技术操作过程中的存在一些实际问题，如膜污染和膜结垢，本文也尚未涉及，而如何解决这些实际问题，将会是这些技术在未来能否实现大规模应用的关键。
主要作者介绍
第一作者：王樟新，广东工业大学教授，硕士生导师，Chemical Engineering Journal Advances青年编委。主要从事膜法水处理技术方面的研究，以第一作者在Science Advances, Engineering, Environmental Science & Technology, Water Research等期刊发表多篇论文，其中3篇入选ESI高被引论文。获授权国家发明专利2件，美国发明专利1件。
通讯作者：何頔，广东工业大学教授，博士生导师。国家级高层次青年人才、广东省“珠江人才计划”青年拔尖人才、Environmental Science & Technology青年编委、《土木与环境工程学报》编委。主要从事污染物迁移转化与水污染控制新技术研究。发表SCI论文50余篇，其中在Environmental Science & Technology和Water Research上发表20余篇，SCI高被引论文4篇、热点论文1篇。
通讯作者： Menachem Elimelech, 耶鲁大学Sterling讲席教授，美国工程院院士，中国工程院外籍院士，是膜分离与水处理领域领军人物。在Science, Nature和专业顶级期刊发表论文600余篇，论文总引用近11万次，H-index为167。
