《Separation and Purification Technology》：Pilot-scale evaluation and optimization of osmotically assisted reverse osmosis (OARO) for concentrating real SWRO brine
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该研究通过中试实验评估了基于渗透辅助反渗透（OARO）的苦咸水淡化浓缩工艺，结合预处理纳滤技术，实现了最高245 g/L的浓缩液，产水率72%-85%，能耗7-14 kWh/m3。系统在210-230 g/L浓度区间表现最佳，膜温限制（≤40℃）是关键性能影响因素，证实OARO技术具备高效、可扩展特性，为资源回收与零液排放目标提供实践依据。
A. Rivero-Falcón | Y. López-López | B. Pe?ate-Suárez | N. Melián-Martel
水资源部 – 加那利群岛技术学院（ITC），西班牙拉斯帕尔马斯省圣卢西亚35119
摘要
海水反渗透（SWRO）废液的可持续管理仍然是海水淡化过程中的一个关键问题，并且随着规模的扩大而变得越来越重要。除了处理挑战之外，这些废液还为资源回收和循环经济的实施提供了机会。提高废液浓度可以同时减少废液体积并提取有价值的成分。本研究在试点规模上评估了一种结合渗透辅助反渗透（OARO）技术和传统反渗透预浓缩阶段的集成废液浓缩工艺，使用经过纳滤预处理的真实海水反渗透（SWRO）废液。通过评估系统性能、能源效率和运行行为，确定了可行的操作范围和最佳条件。最终废液浓度达到了245克/升，而总水回收率在72%到85%之间。特定能耗分别为每立方米渗透液7至14千瓦时，以及每立方米浓缩废液18至56千瓦时。在210至230克/升的目标浓度下，系统表现最佳，实现了回收率、能源需求和工艺稳定性之间的平衡。膜温度限制（≤40℃）决定了实际操作范围，并被确定为影响系统性能的关键因素。结果证实，OARO是一种节能且可扩展的SWRO废液浓缩技术。在独特实际条件下的实验验证支持将OARO集成到先进的废液管理和资源回收策略中。
引言
近年来，海水反渗透（SWRO）废液的增值已成为海水淡化领域的核心研究重点，这得益于资源回收和环境可持续性的双重目标[1]、[2]。然而，由于其技术成熟度较低（TRL）以及这些过程本身的高能耗，其大规模应用仍然受到限制。废液增值的最终目标是回收有价值的副产品，从而最大化淡水产量，同时最小化液体废物排放（MLD）[3]，[4]，甚至实现零液体排放（ZLD）[5]、[6]。海水及其废液富含钠、镁、钾和锂等有价值的离子[7]、[8]。通过引入选择性纳滤（NF）[9]作为预处理阶段和膜基废液浓缩（MBC）[10]等创新技术，可以有效地分离和浓缩这些元素。这种策略通过实现高需求产品的回收，同时解决了与废液处理相关的环境问题，从而增加了经济价值。海水淡化废液的增值符合循环经济原则，通过减少废物和优化资源利用来促进可持续实践[11]。
基于膜的海水淡化废液浓缩技术已成为比传统热系统（如多效蒸馏（MED）[13]、[14]和机械蒸汽压缩（MVC）[15]更低能耗的替代方案[12]，因为传统系统受到高特定能耗（SEC）的限制，以及在高浓度下的结垢和腐蚀问题。电渗析（ED）和电渗析反向（EDR）利用离子交换膜和施加的电势通过离子迁移将盐从水中分离出来，从而浓缩废液[16]、[17]、[18]、[19]。特别是，电渗析应用已扩展到旨在选择性回收有价值离子的废液浓缩[20]。最近，电容去离子化（CDI）和膜电容去离子化（MCDI）因依赖于离子在多孔电极上的电化学吸附来去除水中的盐分而受到关注[21]、[22]。尽管这些技术具有模块化、低压操作的特点，并具有选择性离子回收的潜力，但它们的应用目前仅限于相对低盐度的水，且需要改进电极材料以处理SWRO废液的盐度。此外，膜蒸馏（MD）提供了一种热驱动的替代方案，能够处理反渗透（RO）系统操作极限之外的高盐度废液[23]，使其适用于高浓度应用。空气间隙膜蒸馏（AGMD）特别适用于处理高浓度废液，因为它不受渗透压或膜结垢阈值的限制。然而，诸如膜润湿和高热能耗[24]、[25]等挑战仍然是重要的限制因素。高压反渗透（HPRO）和超高压反渗透（UHPRO）在较高压力（100–300巴范围内）下运行，以克服高浓度进料物的渗透压，但其应用受到材料限制和超过80巴压力下对膜造成的机械应力[26]、[27]、[28]的影响。多级纳滤（NF）作为一种基于膜的废液浓缩方法已被探索，特别是在使用级间稀释开发低能耗、高选择性的镁浓缩系统方面[31]、[32]。
渗透辅助反渗透（OARO）因其能够利用渗透压差来降低分离所需的水力压力，从而在效率和鲁棒性之间提供了有希望的平衡而最近受到了关注[33]、[34]。其他基于膜的技术也遵循类似原理，但目前在大规模试点应用方面较少。低盐排斥反渗透（LSRRO）[29]、[30]使用具有天然低盐排斥率的膜，允许部分盐分通过，从而减少渗透压的积累并提高回收率，尽管在渗透液质量方面存在折中。LSRRO迄今为止主要通过模拟和实验室规模实验进行研究，报道的最大出口废液浓度约为210克/升[35]，而温度敏感性、结垢和在高盐度下的长期性能等实际方面仍有待验证。
不同作者提出了各种结合OARO技术的膜系统配置[35]、[36]、[37]。这些包括级联渗透辅助反渗透（COMRO）、多级OARO，以及多级OARO，其中最终浓缩废液部分从高压侧循环到低压侧，作为驱动溶液并逐渐稀释。这种布置降低了渗透压梯度，从而减少了驱动过程所需的水力压力。结果，系统实现了更高的能源效率，并减轻了膜上的机械应力，延长了其使用寿命。此外，这种设计使得在更高进料浓度下有效运行成为可能，促进了更高浓度废液流的生产，并降低了能源需求。这些OARO配置的示意图以及LSRRO的示意图在补充材料的第S3节中提供，以便于比较和理解它们之间的差异。
尽管具有这种潜力，大多数现有研究仅限于模拟[38]或使用合成废液的实验[39]，只有少数案例[40]在真实世界条件下评估了其性能。印度尼西亚首个商用OARO工厂的最近投产[41]证明了这项技术的日益成熟。然而，在真实运行条件下进行详细的实验评估对于评估系统性能、识别优化机会和支持未来工艺设计和可扩展性改进至关重要。在这方面，OARO和其他新兴技术在现实条件下的实验验证是弥合实验室开发和工业应用之间差距的关键步骤。为了满足这一需求，本研究在加那利群岛技术学院（ITC）的废液增值开放测试平台上，使用真实的SWRO废液[44]，对一个多级OARO系统进行了表征和优化，该平台是DESAL+ LIVING LAB设施的一部分[43]。通过研究OARO的运行挑战和能源效率，本研究旨在提供关于其性能和可扩展性的实际见解。
案例研究
案例研究
本研究在位于大加那利岛Pozo Izquierdo的ITC设施中的废液增值开放测试平台上进行。这一独特的实验区域允许在真实世界条件下运行多个试点工厂，旨在优化先进技术，同时促进循环经济原则和创新[42]。
海水从海滩井中抽取，提供清澈的水（SDI < 1）到反渗透（RO）试点工厂，该工厂紧邻纳滤（NF）系统。
结果与讨论
本节介绍了BC工艺评估的主要发现，重点是其生产高浓度废液的能力以及降低能源需求。讨论首先分析了所得流体的浓缩行为和化学组成，随后评估了特定能耗（SEC）和水回收率。接着，研究了膜通量曲线和运行温度的影响。最后，总结了最佳操作参数组合。
结论
本研究评估了渗透辅助反渗透（OARO）在海水反渗透（SWRO）废液增值中的性能，提供了在现实条件下这种新兴技术运行的新见解。集成RO–OARO系统成功地将经过纳滤（NF）预处理的真实SWRO废液浓缩至245克/升，实现了72%到85%的总水回收率，特定能耗为每立方米渗透液7–14千瓦时。
资助
本研究得到了HORIZON EUROPE计划通过SOL2H2O项目（项目编号：101079305）和INTERREG MAC 2021–2027计划通过IDIWATER项目（1/MAC/1/1.1/0022）的支持。
未引用的参考文献
[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者还要感谢Ersan Ozdemir先生和Eren Y?rüko?lu先生（Hyrec）在OARO技术方面的技术支持。
