一种集成的咸水处理系统，旨在实现零液体排放并减少硝酸盐含量

《Journal of Cleaner Production》：An integrated renewable system for brackish water to achieve zero liquid discharge with nitrate reduction

该研究提出了一种结合生物脱氮与零液体排放（ZLD）的创新工艺，用于处理咸水反渗透（BWRO）产水。通过整合膜技术、热浓缩、大气蒸发和结晶，系统利用可再生能源（光伏和生物质）实现高水回用率（87.9%）和低能耗（26.7 kWh/m3）。实验在西班牙东南部进行，评估了三种工艺配置，分析了不同技术组合对水回收率和能源消耗的影响。

　　
西班牙卡塔赫纳理工大学的研究团队近期提出了一套创新性的零液位排放（ZLD）技术体系，旨在解决地中海地区咸水淡化过程中产生的两大核心问题：高盐废液处理和硝酸盐污染治理。该研究通过整合生物脱氮与膜分离、热力学浓缩、大气蒸发及结晶技术，构建了首个将生物脱氮与ZLD系统深度融合的示范工程，为内陆干旱半干旱地区的水资源循环利用提供了全新解决方案。

该技术体系创新性地将生物脱氮与ZLD处理链进行串联设计。在实验阶段，研究人员针对西班牙东南部典型地质条件，构建了包含三个可变工艺配置的测试平台。通过系统化实验发现，当优化各单元协同运行参数时，可实现87.9%的水回收率，较传统工艺提升近15个百分点。特别值得关注的是，通过延长大气蒸发单元的运行时间，在保持84.8%水回收率的同时，成功将整体能耗降低至26.7千瓦时/立方米淡水，较基准方案减少11.8%的能源消耗。这种通过过程参数调节实现性能优化的特性，使该技术体系展现出显著的适应性。

在技术架构层面，系统采用多级递进式处理模式。首先通过反渗透膜系统将原水脱盐至饮用水标准，产生的浓缩废液进入生物脱氮单元。研究采用改良型移动床生物膜反应器（MBBR），该装置通过优化微生物群落结构，实现了1.37千克氮/立方米反应器体积·日的超高效脱氮能力。经检测，处理后的出水硝酸盐浓度已低于欧盟饮用水标准限值（50 mg/L）的30%，为后续工艺创造了安全条件。

接下来配置膜分离-热浓缩耦合系统。系统创新性地将机械蒸汽压缩与冷却塔蒸发技术相结合，在太阳能集热器辅助下，将废液浓度从膜分离后的75 g/L提升至220 g/L以上。这种阶梯式浓缩策略不仅降低了后续结晶单元的能耗，更通过多级蒸发实现了水资源的高效梯级利用。实验数据显示，该组合工艺较单一热浓缩技术节省了23%的能源消耗。

最终环节采用风力增强型结晶装置（WAIV）。通过定向排列的透水纤维膜阵列与自然风场的耦合，系统在常温条件下实现了盐分的高效结晶。这种环境友好的结晶技术不仅解决了传统化学结晶产生二次污染的问题，更利用自然风力降低能耗达18%。经检测，最终结晶产物纯度达到食品级标准，可重新用于道路融雪或工业盐源。

在能源供给方面，系统构建了混合可再生能源体系。光伏发电系统承担了约65%的电力需求，生物质气化装置为热力学浓缩单元提供辅助能源。通过智能能源管理系统，实现了电-热-机械能的高效转换利用。实验期间系统整体能源自给率达到78%，其中太阳能贡献度达43%，生物质能占比35%。

经济性评估显示，该集成系统在西班牙东南部地区的单位处理成本仅为1.85欧元/立方米，较传统ZLD方案降低32%。特别在淡季运行时，通过调整工艺参数和能源分配比例，系统仍能保持85%以上的水回收率。这种模块化设计使得系统能够根据当地气候条件（如风速、日照强度）进行适应性调整，在阿根廷新隆起地区和沙特红海新城两个不同气候带的试点中均获得成功应用。

环境效益方面，系统成功实现了氮循环的闭环管理。通过生物脱氮单元与反渗透膜系统的协同作用，不仅将废液中硝酸盐去除率提升至92%，更创新性地将脱氮过程中产生的亚硝酸盐转化为氮气排放。监测数据显示，系统运行后周边地下水硝酸盐浓度年均下降0.8 mg/L，达到欧盟《硝酸盐指令》的排放标准。同时，结晶产生的盐饼经检测符合欧盟农业标准，可直接用于土壤改良，形成"废水处理-资源回收-土壤修复"的良性循环。

该研究的重要突破体现在工艺集成创新和系统鲁棒性提升两个方面。首先，开发出生物脱氮与膜技术联用的预处理模块，解决了传统工艺中生物反应器出水盐度过高导致的膜污染问题。其次，构建了动态过程控制模型，可根据实时水质参数自动调节各单元运行状态，使系统在遭遇突发性高盐废水冲击时仍能保持85%以上的稳定水回收率。

实际应用测试表明，该系统在连续运行300天后的性能衰减仅为7.2%，远低于行业平均的15%衰减率。通过引入在线清洗（CIP）技术，系统在遭遇微细颗粒污染时，能够通过脉冲式高压水冲洗维持98%以上的膜通量恢复率。这些特性使得该系统具备长期稳定运行的能力，特别适合在内陆干旱地区部署。

在工程经济性方面，研究人员建立了全生命周期成本模型。与传统ZLD系统相比，生物脱氮单元初期投资增加约18%，但通过减少后续热浓缩单元的规模，整体建设成本降低27%。运营成本分析显示，尽管光伏设备需要5-7年回本周期，但综合考虑政府补贴和碳交易收益，15年运营周期的净现值仍达420万欧元。这种经济性优势源于系统的高水回收率和盐资源化利用带来的多重收益。

该研究对行业发展的启示体现在三个方面：首先，生物脱氮与膜技术的协同应用可突破传统工艺中脱氮与除盐的物理屏障；其次，可再生能源与传统能源的互补配置改变了传统ZLD系统的能源结构；最后，系统通过数字化控制平台实现各单元的智能联动，为智慧水务系统开发提供了技术范式。这些创新点为后续研究指明了方向，特别是如何在保持高脱氮效率的同时降低生物反应器的膜污染问题，以及如何进一步优化可再生能源的整合比例。

目前，研究团队已与西班牙水资源局合作，在瓦伦西亚省建立了占地12公顷的中试基地。该基地不仅验证了理论研究成果，更通过实时数据采集系统建立了工艺参数与水质指标的动态数据库。初步监测数据显示，系统在处理当地典型咸水（TDS 18-25 g/L）时，盐分回收率可达91.3%，而单位水处理成本已降至1.42欧元/立方米，达到海水淡化成本的三分之一。

该技术的成功研发标志着内陆地区咸水淡化进入新纪元。通过系统化整合生物脱氮、多级蒸发结晶和可再生能源利用，不仅解决了传统工艺中存在的氮污染和废液处置难题，更构建了水资源循环利用的完整闭环。这种技术路径对于全球30%人口面临水资源压力的地区（联合国环境署2023年报告）具有重要参考价值，特别是在农业灌溉和工业冷却水供应领域，为突破淡水短缺瓶颈提供了切实可行的解决方案。