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华南所(应急所)水生态环境研究中心最新研究成果:三种工业反渗透浓水零排放工艺的能值分析:技术、经济和环境效益比较

发布时间: 2024-02-29  来源:水生态环境研究中心
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         近日,生态环境部华南环境科学研究所(生态环境部生态环境应急研究所)水生态环境研究中心在环境领域Top期刊Journal of Cleaner Production(中科院一区Top期刊,影响因子:11.1)发表论文“Emergy analysis of three industrial reverse osmosis concentrate zero liquid discharge processes: technical, economic and environmental comparison”。华南所(应急所)博士后李士达为第一作者,曾凡棠研究员为通讯作者。论文DOI:https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.140777。

  一、成果简介 

  工业反渗透浓水(ROC)由于其高盐性质均应以蒸发结晶零排放工艺作为唯一、最终的工艺选择,但目前对这类工艺的技术、经济和环境效益尚不清楚。本研究设计了三类工业ROC零排放工艺应用情景(情景A:直接多效蒸发(MED);情景B:臭氧氧化-反渗透(RO)-MED;情景C:缓冲罐前置连续流电氧化还原(CFS-C)-RO-MED),首次依托典型的能值分析手段评估工业ROC零排放工艺的技术、经济与环境效益,为其在生产实践中的广泛应用提供重要依据。 

  二、引言 

  目前在生产实践中已得到广泛应用两类工艺(情景A:MED;情景B:臭氧氧化-RO-MED)无法有效解决ROC中高浓度有机物导致的蒸发结晶系统稳定性差、结晶盐品质低、及生态风险外溢等问题。作者前期研究表明缓冲罐前置连续流电氧化还原工艺(CFS-C)可去除工业ROC中95%以上的有机物,推测“CFS-C-RO-MED”工艺可改善目前已有两类零排放工艺存在的技术短板。但是,蒸发结晶零排放工艺仍然是一种高能耗工艺,高能耗投入会对周围环境和经济产生负面影响,有必要全面评估零排放工艺的技术、经济与环境效益。本研究首次依托典型的能值分析评价过程评估工业ROC零排放工艺的技术、经济与环境效益,为其在生产实践中的广泛应用提供重要依据。 

  三、图文导读 

  (一)零排放工艺能值流系统构建 

  本研究以宁夏回族自治区宁东煤化工基地某煤化工项目的ROC零排放工艺作为分析边界,设计了三类零排放工艺应用情景(情景A:直接多效蒸发(MED);情景B:臭氧氧化-反渗透(RO)-MED;情景C:缓冲罐前置连续流电氧化还原(CFS-C)-RO-MED),并依据Odum等人设计的能值符号绘制零排放工艺能值流系统,描述了系统投入的资源和服务能值间的交互作用。 

  图1 宁夏宁东煤化工基地煤化工项目综合污水深度处理工艺和分析边界(来源:ScienceDirect)

 

  图2 三种零排放工艺能值流系统图:(a)情景A;(b)情景B;(c)情景C。Re:自然资源投入;Rw:煤化工ROC;FR:购买性可再生资源投入;FN:购买性不可再生资源投入;F1:占地造成能值损失;Pw:再生水产品;Ps:结晶盐(来源:ScienceDirect) 

  (2)零排放工艺资源构成分析 

  零排放工艺资源构成分析结果表明,三种情景下购买性资源是总资源投入的主要贡献者,这符合零排放系统的工艺特征。情景B、C购买性资源投入占总资源投入比为~43%(不考虑碳税为~41%),情景A为52%(不考虑碳税为50%),因此情景A对经济产品和服务的依赖性更高。三种情景下电力消耗占购买性资源投入能值的75?88%(不考虑碳税时为83?98%),说明零排放工艺是高耗能人工系统,对系统进行节能降耗优化是零排放工艺进一步推广应用的主要工作。所有情景下考虑碳税时管理服务投入占比由0.1?0.8%迅速增至4.1?5.2%,这说明一旦碳税政策开始实施将显著提高以蒸发结晶零排放工艺的管理服务成本。 

  图3 不同情景下能值输入项组成:(a)考虑碳税;(b)不考虑碳税(来源:ScienceDirect) 

  (3)技术、经济、环境效益对比分析 

  在分析零排放工艺资源构成的基础上,本研究根据技术效益、经济效益以及环境效益指数进一步比较了不同情景下零排放工艺的经济技术与环境效益。与情景A相比,情景B、C处理每m3煤化工ROC的资源投入量分别下降了31%和34%,其中情景C去除单位质量污染物投入的购买性资源比B下降了45%,技术效益逐渐提高;情景B、C的能值投资率分别下降了30%和33%,能值产出率值升高了21%,经济效益逐渐提高;情景B、C的环境负载率分别下降了25%和29%,可持续指数分别升高了58%和71%,环境效益逐渐提高。结果表明,情景B、C在技术、经济和环境效益方面均优于情景A;情景C的技术效益优于情景B,最终推荐情景C作为实现工业ROC零排放的主流工艺。此外,情景C将工业ROC视为一种可再生资源,高品质结晶盐的回用可提供较大的经济回报和环境效益,符合可持续发展的要求。 

  

图4 三种情景能值指数:(a)考虑碳税;(b)不考虑碳税(来源:ScienceDirect) 

  四、结论 

  与情景A相比,情景B、C这两种高耗能人工系统均可利用较少的资源实现煤化工ROC的有效处理;可更多地利用当地资源从而降低对经济产品与服务(即经济市场)的依赖程度,均具有可观的拉动当地资源开发的能力(对经济具有较高的回馈水平),市场竞争力更强;且二者给当地环境造成的压力在可控水平且均具有较好的经济和环境可持续性。情景C的综合效益优于情景A和B,情景C在工业废水零排放处理领域具有较大的应用前景,本研究成果可为“CFS-C-RO-MED”工艺在生产实践中的广泛应用提供重要依据。 

 

 图文摘要(来源:ScienceDirect) 

  五、作者简介 

              

  李士达:水生态环境研究中心博士后,主要从事流域水环境治理技术研发,发表学术论文11篇,其中8篇为中科院TOP期刊。 

             

  曾凡棠(通讯作者):生态环境部华南环境科学研究所首席科学家,主要研究领域包括水环境模拟、流域水污染系统控制、环境影响评价与规划等,主持完成包括国家重大科技专项在内的水环境研究课题30多项,获省部级以上科技奖励15项。