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超高压反渗透膜系统与能量回收技术结合，实现零排放与节能双赢

发布时间：

2025-12-26

本文是杜邦水处理及美国能量回收公司在2021年国际海水淡化协会（IDA）会议上共同发表的最新研究成果。该研究聚焦于超高压反渗透膜与能量回收装置在零排放应用中的融合，旨在探讨其结合方法、实际效果及其显著优势。以下为全文翻译，供行业同仁们参考：

在高压环境下，超高压反渗透（UHPRO）膜元件能够展现出卓越的性能，其运行压力高达120 bar，使得水回收效率得以显著提升，同时浓水的总溶解固体（TDS）水平也相应提高。然而，将水加压至83 bar以上需要消耗大量能量。幸运的是，现在已有能量回收装置能够在高达120 bar的压力下工作。借助能量回收技术，超高压反渗透在节能方面表现出色，从而在脱水技术领域中相较于热法处理更具竞争力。本文将深入探讨三种不同的超高压反渗透膜系统设计，其中集成了能量回收装置，并详细分析每种设计的节能效果。

一、引言

随着环保法规日趋严格及可用水资源的日益减少，水的优化利用已成为共识，推动工业用户寻求零排放技术（ZLD）或近零排放技术（MLD）作为废水管理的有效途径。零排放技术有助于保护淡水资源免受过度开采和污染的威胁。但不容忽视的是，该技术同时带来了高昂的能耗。为了实现真正意义上的水资源管理可持续发展，我们必须综合考虑水资源需求、水体污染及碳排放足迹。因此，探索一种既能降低能耗又实现零排放的可持续方法显得尤为迫切。
1.1 近零排放技术
近零排放技术（MLD，简称“近零排放”）通过反渗透膜从含盐废水中回收水资源，其回收率受限于反渗透系统的最大允许操作压力及盐水的总溶解固体（TDS）浓度。相较于仅采用热法处理技术的零排放工艺，近零排放与零排放的融合，能将零排放的成本降低约60%¹。

零排放工艺正逐渐采用反渗透替代热法处理，这一趋势与海水淡化的工艺优化路径相似。在海水淡化过程中，反渗透技术的创新与等压能量回收装置的结合，使得排放浓盐水中的压力得以有效回收。同样，这种膜法创新与能量回收方案的融合，作为最具可持续性的解决方案，预计将进一步推动近零排放/零排放工艺在工业废水处理领域的应用。

通过将近零排放技术与零排放工艺相结合，可以显著降低零排放的成本。相较于仅采用零排放工艺，这种融合技术能够使成本降低约60%。这一优势使得近零排放/零排放组合工艺在工业废水处理领域具有更广泛的应用前景。
1.2 近零排放技术的进一步拓展：三次盐水浓缩
在近零排放/零排放系统中，一次盐水浓缩工艺主要处理TDS含量在0-40,000 mg/L范围内的水，其操作压力不超过41bar。对于TDS含量更高的水，则需采用二次盐水浓缩工艺，其操作压力同样不超过83bar。经过这两级浓缩，盐水的TDS含量可提升至80,000mg/L。然而，为了进一步提高回收率和盐水TDS浓度，系统需要具备在更高压力下运行的能力，即三次盐水浓缩，这要求膜系统能够在最高达120bar的压力下稳定工作。

随着盐水TDS浓度的提升，热法处理工艺与膜处理工艺之间的水回收成本差异逐渐缩小。为了实现高TDS浓度（>80,000 mg/L）的浓缩，需要采用更致密的膜以保障产水质量，但这也带来了更高的能耗。因此，当前的研究重点在于探索能够提升三次盐水浓缩能量利用效率的新技术，从而优化近零排放/零排放系统的整体能耗。

二、超高压反渗透盐水浓缩技术

随着盐水TDS浓度的进一步提升，标准的海水淡化反渗透膜元件及设备的设计压力上限（83bar）已无法满足处理需求。为此，市场上已出现了最大工作压力高达120bar的超高压反渗透膜元件，并已实现商业化。同时，配套的超高压设备，如能在120bar压力下稳定工作的膜壳和高压泵等，也已应运而生。

然而，当初超高压反渗透膜元件刚推出时，市场上尚无压力等级达到120bar的能量回收装置。这使得膜系统的节能优势未能得到充分展现。幸运的是，如今已有适合的等压能量回收装置可供选择，从而使得采用超高压反渗透膜元件的三级浓缩工艺在能量利用上相较于热法处理工艺具有显著优势。

本文旨在探索将等压能量回收装置合理集成至超高压反渗透膜系统中的最佳方案，以充分发挥其节能潜力。

三、三种配置方案能耗对比

以中国某工业废水回用厂处理的近零排放浓盐水为例，该厂进水量为23.33 m³/h，进水TDS浓度高达74,336 mg/L。我们对比了三种不同的三次浓缩超高压反渗透膜系统设计的能耗需求。在模拟过程中，我们采用了杜邦的Water Application Value Engine（WAVE）系统设计软件，并配合杜邦的超高压反渗透膜元件XUS180808，对反渗透膜系统进行详细模拟。随后，将WAVE的模拟结果导入美国能量回收公司（ERI）的Power Model软件，进一步计算在此反渗透膜系统中采用Ultra PX等压能量回收装置时的净系统能耗。
3.1 单段系统与浓水循环

在超高压反渗透系统中，通常都会设计浓水循环，旨在提升反渗透膜元件进水流道内的水流速度。此举不仅有助于减轻浓差极化的影响，还能在既定压力条件下增加产水量，同时也有利于减少因有机污染而导致的通量下降。

采用图2所示设计，系统在115bar的进水压力下运行，回收率达到34%。在未配置能量回收装置时，系统能耗为3.87 kWh/m³进水。而配备了等压能量回收装置后，能耗显著降低至1.51 kWh/m³进水。此外，该设计还带来了其他诸多好处，例如所需高压泵的尺寸缩小、成本降低。值得注意的是，该系统设计仅需一台流量大而扬程低的循环泵即可。
3.2多段系统设计，利用段间增压优化性能
在多段反渗透系统中，为了平衡各段流量并确保仅在必要工段施加高压，通常会设置段间增压泵。然而，这种设计面临一个挑战：二段反渗透的浓水压力会高于一段反渗透的进水压力。尽管等压能量回收装置能回收大部分浓水压力，但仍有部分压力需要耗散以匹配一段反渗透的进水压力，这意味着并非所有浓水能量都能被有效利用。此外，这种设计还需要配备一台高压段间增压泵。采用这种系统设计处理案例进水时，水回收率可达34%。对比使用和不使用等压能量回收装置的系统，其能耗分别为2.08 kWh/m³进水和3.99 kWh/m³进水，可见节能效果显著。

在多段反渗透系统中，为了进一步提升性能，可以采取增加段间增压的措施。通过提高增压水平，可以更好地平衡各段流量，确保在高压工段施加适当压力。这种设计优化不仅有助于提高系统的处理效率，还能进一步降低能耗，实现节能减排的目标。
3.3 多段系统，采用优化的段间增压配置

在第三个设计方案中，我们进一步探讨了多段系统的应用（见图4）。此设计中，我们精心调整了两段之间的增压压力，使得二段浓水的压力与一段进水压力保持高度一致。尽管各段通量存在轻微的不平衡，但相较于前一个多段设计方案，该方案的能耗表现有所改善。此设计实现了37.5%的水回收率，且无需使用高扬程增压泵，即可满足使用需求。在不采用能量回收的情况下，系统能耗为3.88 kWh/m³进水；而配备等压能量回收装置后，系统能耗进一步降低至1.66 kWh/m³进水。

四、结果概览

在超高压反渗透系统中，不论采用何种设计方案，只要配备了等压能量回收装置，其能耗均可降低至少48%。其中，单段带浓水循环的系统设计在总体能耗上表现最优，相较于未使用能量回收装置的设计（见表1），其节能效果最为显著。而多段系统若采用经过优化的段间增压设计，则可有效减少因二段浓水和一段进水间的压力差所导致的能量损失，从而在能耗上达到较低水平，仅次于单段带浓水循环方案，位列第二。尽管利用高增压来优化一段和二段间流量平衡的多段系统设计，其通过增设等压能量回收装置所获得的节能收益相对较低，但仍然实现了显著的能量节约和极快的投资回报。
表1：安装等压能量回收装置的节能效果与投资回报期概览
在超高压反渗透系统中增设等压能量回收装置，其投资回报率成为一个关键考量。为了深入了解这一附加设备的经济效益，我们对比了不同设计方案的投资成本。这些成本包括等压能量回收装置的增设、高压泵和电机尺寸的缩小、以及增压泵/再循环泵的选用，同时考虑了阀门、仪表和管道的变更。在估算中，我们假设用电成本为$0.10/kWh。结果显示，所有设计方案均展现出良好的投资回报。特别是单段带浓水循环的系统设计，凭借其最低的投资需求、卓越的节能效果以及仅需约14个月的能量回收装置投资回报期，脱颖而出。

五、结论

零排放技术已成为大型工业废水处理厂降低成本的重要工艺途径，其有效性已得到广泛认可。通过在超高压反渗透膜系统中应用等压能量回收装置，对进入蒸发器前的浓盐水进行三次浓缩，可以进一步回收利用水分，从而带来显著的节能效益。本文的研究显示，采用此装置后，能耗可降低高达61%。结合膜技术的创新与系统设计的优化，我们能够为水资源管理提供真正可持续的解决方案。

六、参考文献

在撰写本文的过程中，我们参考了众多前人的研究成果。这些文献为我们提供了丰富的背景信息，帮助我们深入理解零排放技术在大型工业废水处理中的应用。通过综合分析这些资料，我们得以总结出零排放技术的节能潜力，并为其在实践中的应用提供理论支持。在此，我们衷心感谢这些文献的作者们，他们的研究为我们奠定了坚实的基础。

Bond, R.G. 和 Veerapanenei, S.：“内陆海水淡化零排放技术聚焦”，美国给水工程协会期刊，2008年，100(9)，76-79页。