反渗透技术在盐水浓缩中的应用

来源：GWI研究

导语：作为目前全球海水淡化的首选技术，反渗透同样活跃于盐水浓缩领域。而在诸多蒸发器替代技术各显神通的背景下，反渗透又能否在竞争激烈的盐水浓缩市场上走出自己的一条新路呢？

随着各国环境标准的加严和排放成本的持续增长，脱盐和零排放已经成为未来必然的发展趋势。过去由于回收率等局限，传统的反渗透（RO）技术在盐水浓缩方面的应用并不广泛。但这一形势随着新技术的诞生正在发生逆转，特别是在进水浓度相当高的情况下，为了替代固定支出和运营成本双高的传统蒸发器，近两年有许多创新的系统设计开始陆续投入市场。

创新的RO配置系统在较高的操作压力（如超过1,200 psi，约8MPa）或多级系统运行下，能够将总溶解固体（TDS）浓度高于50,000 mg/L的进水进一步浓缩至TDS浓度超过100,000 mg/L的浓盐水，同时防止通量的下降与膜表面结垢，以保证膜的过滤能力和清洁表面均不受影响。这一过程可以显著减少下一步进入蒸发器或蒸发塘进行处理的浓盐水体积，实现更高的回收率。

下图显示了各盐水浓缩技术所能达到的平均TDS浓度，其中，逆流反渗透（或称逆反渗透，Counter flow RO）能将盐水浓缩至与蒸发器相近的浓度，也赋予了RO技术在盐水浓缩领域更大的发展潜力。

技术概览

除了RO外，有许多新兴的膜盐水浓缩技术在过去的十至十五年间相继推出，其中包含取得不少成功市场化应用的垂直管降膜蒸发器（VTFF），以及在市场化应用基础上尚需进一步优化的正渗透（FO）和膜蒸馏（MD）技术等。相较于这些前沿技术，RO的优势在于它在海水淡化领域所积累的相当成熟的应用及运营经验。

在将RO技术用于盐水浓缩方面，以色列反渗透技术公司Desalitech近两年的表现非常出色。在Desalitech一些项目的实际操作中，可将RO处理后的浓水浓度达到80,000 mg/L TDS。目前，该公司在与传统RO系统相竞争的同时，其研发团队也在马不停蹄地优化产品，希望可以实现在1,800 psi的压力下运行，并使盐水浓度进一步浓缩至100,000 mg/L TDS。

另一个创新的RO技术来自以色列Rotec公司所开发的Flow Reversal技术。这一技术与Desalitech相类似，通过其高回收率解决方案来替换或改造传统的RO系统。与此同时，也有许多针对RO浓水处理的初创技术在如火如荼地研发中，有些基于批处理式模式，另一些则使用高压。这些解决方案可以是单个系统或是多级串联系统，主要取决于进水的浓度以及终端客户对排水水质的要求。

下表中列举了目前市场上部分将RO技术用于盐水浓缩的主导公司及其产品：

资料来源：GWI

这些技术所应用的系统配置通常包含：盐水预处理技术、定制化的膜过滤系统、新型膜清洗方案、新型盐水排放系统、高压操作条件、循环泵及能量回收装置等。一般而言，限制反渗透将盐溶液浓缩到更高倍数的主要原因，是外加压力达到渗透压的极限，从而导致系统无法进一步对盐水进行浓缩。

针对这一挑战，目前有两个颇具前景的新兴技术，可将盐水浓缩至高于高压反渗透的浓度水平：

• 戈润环保（Gradiant Corporation）的逆流反渗透（CFRO，Counterflow RO）盐浓缩蒸发技术

• 土耳其Hyrec公司所开发的多级渗透辅助反渗透（OARO, Osmotically Assisted RO）盐浓缩蒸发器

常见的标准RO、逆流RO和正渗透FO三者的渗透原理区别如下图所示。而这两项技术则是通过利用不同渗透压（正渗透与反渗透）的原理，在反渗透膜出水端添加少量盐溶液，以维持RO膜进料端和渗透端的盐水浓度，从而有效降低膜两侧的压力差。通过这一新兴的盐浓缩蒸发设备和多级串联的处理，出水浓度可高达250,000 mg/L TDS。这样一来，系统在进行浓缩的同时，其所消耗的外加压力也相应降低，同时实现了节能的目的。

图片来源：Bouma / Lienhard

澳大利亚公司Osmoflo是最早推出反渗透膜浓缩解决方案的公司之一，其盐水浓缩浓度高于100,000 mg/L TDS。Osmoflo于2014年推出其浓盐水处理设备OBS（Osmoflo Brine Squeezer）,使用了可热降解的涂层专用膜及新型的膜清洁技术。

市场上也有许多技术公司采用定制化的预处理方案来应对膜结垢和污染的问题。加拿大浓水处理专家Saltworks公司CEO Ben Sparrow先生告诉GWI：“通过将我们的高压Xtreme RO解决方案与公司的BrineRefine系统（不使用混凝剂的化学软化）相结合，可以成功将水质调节至更加‘反渗透友好’的水平。”

技术动态

目前，高压反渗透的相关技术已经取得了不少成功的市场化案例，如美国颇尔（Pall）公司的DTRO（碟管式反渗透膜技术），通过将碟片式的膜片堆叠在垂直的专有容器中，可以实现大于传统卷式反渗透膜三倍甚至更高的回收率。这一技术目前多用于垃圾渗滤液等难处理污水的处理。

除了碟管式的RO技术之外，杜邦水处理公司（由杜邦与陶氏合并成立）及美国海德能（Hydranautics）等膜制造商也推出了在高达1,800 psi的压力下进行操作的新型卷式反渗透膜，以实现更高的脱盐率。

即使在较高的操作压力下，与传统的盐浓缩器相比，这些高压RO系统依然具有显著的运营成本优势，特别当应用于工业中常见的小规模项目中时，这一优势将更加突出。据相关高压RO系统供应商称，与传统的热蒸发器相比，这些新的高压RO系统仅需消耗约50%的能源，显著缓解了以昂贵著称的零排放或脱盐系统的成本压力。

从短期来看，这一RO技术可以帮助进一步缩小下游所需蒸发器的容量及尺寸大小，如Saltworks公司巧妙地将RO盐水浓缩器与其现有的蒸发-结晶技术相结合，对整套系统进行优化。Sparrow表示：“如果客户打电话给我们说想要蒸发器，我们通常发现在我们RO盐浓缩器的辅助下，客户对蒸发器的需求可以由4台降至1台。”

在某些情形下，使用RO盐浓缩器甚至可以不安装小容积蒸发器，直接将RO浓水导入结晶器进行处理。在沙特海水淡化公司（SWCC）一处理能力为100 m3/d的SWRO中试项目中，通过采用Hyrec公司的RO浓缩设备，每天可产水70立方米，剩下的浓盐水则直接进入结晶器。

然而，在现场有热源可供利用的条件下，由于蒸发器所需的能耗大幅降低，RO-结晶器的系统与蒸发-结晶器的系统相比优势并不大。但尽管如此，在工业小规模项目中，传统蒸发器的能耗一般在35kWh/m3左右或更高。此时，能耗仅15kWh/m3的盐浓缩器便非常具有优势。

本文节选并翻译自GWI最新6月刊技术板块（Chief Technology Officer ）中的特色全球技术概览文章（Market Map）。原文同时深度剖析了杜邦、海德能、Osmoflo、Saltmaker、Gradiant、Hyrec、Aquatech等公司在反渗透膜浓缩技术上的进展情况、在全球不同工业行业市场中的应用，以及未来技术优化的趋势展望。