ZERO BRINE——循环经济时代的工业水处理
近几年来，循环经济（Circular Economy）这个概念越来越火，它的核心理念是要将各种资源物尽其用，没有所谓的垃圾。这本来就是大自然的运转法则。
为了在工业废水界实践循环经济理念，“欧盟地平线2020”计划于2017年专门成立了一个为期4年的子项目ZERO BRINE。
加工行业会产生大量含盐水，例如化工每年就生产1150万吨盐水，然后我们又要花费很高的成本去处理它们。其实工业盐水含有各种盐、矿物质、金属，有机物等多种化学物质。
ZERO BRINE的目标就是要想办法回收这些含盐废水中的各种资源，一改过去消耗资源的处理方法，给产生废水的污水厂或者周边行业创造新的创收点和价值供应链，形成一个资源利用的闭环。
原来在欧洲，很多关键原材料也是100%依靠进口，例如镁元素 (欧洲94%的镁来自中国)。ZERO BRINE给了欧洲一个从污水回收这些原材料的希望。这是一石二鸟的愿景：和环境和谐相处的同时，提高欧洲工业的竞争力。
在欧盟100％进口依赖关键原材料（例如镁）的时代，零卤（ZERO BRINE）技术为从废水中收获第二代材料提供了许多好处。ZERO BRINE解决方案在与环境和谐相处的同时，还增强了欧洲工业的竞争力。
ZERO BRINE这个项目一共吸引了10个国家22个合作伙伴，荷兰TU Delft大学是项目的牵头和协调单位。
中试示范是这个项目的重点，这些项目分布在荷兰、西班牙、土耳其和波兰四个国家。
从2019年1月开始，荷兰的水务公司EVIDES在鹿特丹的Botlek开启的名为去矿质水厂的大型示范工程，重点考察离子交换和膜技术的工业废水处理技术，具体包括了溶气气浮 (DAF)、反渗透、混合床离子交换。
图. 荷兰示范项目现场 | 图源：zerobrine官网
荷兰有两个场地，场地一用纳滤-蒸发法来处理离子交换产生的废再生液，回收里边的钙、镁(目标回收率>90%)、盐和水，场地二则是处理反渗透的浓缩液，将考察阴离子交换–纳滤–蒸发–共晶冻结结晶（EFC）的可行性，目标回收物包括硫酸盐(目标回收率>70%)、碳酸氢钠、富含氯化钠的再生溶液和水。
图. 鹿特丹Botlek污水厂的工艺流程图 | 图源：zerobrine官网
波兰的矿堆每年都会将约400万吨的盐倾倒入河，包括为60%的波兰人提供淡水的Vistula河。
当局计算显示，这些含盐废水每年给工业和农业造成约1-2.5亿美元的损失。
反渗透-蒸气压缩系统是波兰目前主流的脱盐手段。
ZERO BRINE项目和Silesian理工大学合作，选择在波兰Laziska Górne的一个煤矿厂作为考察对象，希望能开发以纳滤+反渗透+电渗析组合的新工艺，目标能耗仅为现行工艺的50%，目标回收物包括了去矿质水、氢氧化镁、含钙溶液，剩下的浓缩液可以用于盐结晶。
图. 波兰Boleslaw Smialy煤矿厂全景 | 图源：ZEROBRINE官网
这个项目从2019年7月开始运行，规模为400L/小时，处理废水的盐度约23g/L。结果显示，纳滤能有效分离氯化钠和氢氧化镁。单位能耗为12kWh/m³，盐回收率为83%。
图. 波兰示范项目的工艺流程图 | 图源：ZEROBRINE官网
西班牙IQE集团是一家专门生产无机原材料的公司，成立于1958年，总部位于西班牙的萨拉戈萨。非晶硅是他们的重要产品之一。非晶硅的合成非常耗水，1吨硅的生产需要40吨的水，同时需要用到硫酸和砂，因为会产生约35吨废水，硫酸钠的浓度高达20g/L。
据统计，欧洲每年生产62万吨硅，继而有2170万废水需要处理。IQE希望通过这个项目将污水回收率提高到80%，减少淡水消耗。
在西班牙这个项目里，ZERO BRINE工艺分为三部分，首先硅废水先通过悬浮固体滤池和超滤膜进行预处理，然后通过反渗透膜进行浓缩，得到清水和硫酸钠的浓缩液，浓缩液进入第三部分的蒸发结晶，得到纯净水和无水硫酸盐。
这套工艺预计能为IQE每年回收20000吨的硫酸钠和100万吨的回用水。这种通过反渗透预浓缩技术的成本估计是直接蒸发的30%。
他们的成本分析显示，改良后的工艺能为工厂每年节省46万欧元的污水处理费用，而且还能从回收硫酸钠得到180万欧的收入。
纺织业是土耳其的支柱产业之一，占了全国GDP的10%，为75万人提供就业。但纺织业也产生了大量的废水，无论从环境还是经济角度考虑，实施零排放的技术方案对土耳其都是有利的。
生物或物理化学的污水处理在纺织业也很常见，使用三级处理的厂还会用到纳滤和反渗透。如果要实现零排放，需要对反渗透的浓水也进行处理。
他们选了土耳其伊斯坦布尔西北边的Luleburgaz的Zorlu纺织厂进行中试，通过臭氧氧化和纳滤去除杂质（例如色度、硬度、有机质和硫酸盐），然后用反渗透去除剩下的10-20%的盐，回收净水，最后用离子交换来回收盐。另外会有活性炭吸附和紫外氧化单元去除多余的臭氧。
图. 土耳其中试的工艺流程图 | 图源：ZEROBRINE官网
这个系统能每小时能处理300L的RO浓缩液，氯化钠的回收率约70-80%，反渗透的清水回收率在50-60%之间。
图. 土耳其中试地点 | 图源：zerobrine官网
除了示范工程，ZERO BRINE项目也积极推动含盐废水的基础研究。项目在荷兰、意大利、西班牙、波兰和希腊的大学和研究院设有实验室的研究课题，对共晶冷冻结晶、纳滤、离子交换、反渗透和盐回收等工艺技术的细节进行考察。
图. 荷兰TU Delft实验室的研究设备 | 图源：ZEROBRINE官网
此外，他们还建立了一个在线知识平台，将所有含盐废水相关的信息都汇集到一个网站里，帮助相关参与者得到咨询和交流的机会。注册用户可以在里边了解到加工行业目前会产生含盐废水的来源、各种矿物的用途和属性、ZERO BRINE案例更详细的介绍，以及各种代号的解释。感兴趣的读者不妨亲自注册一试。
总的来说，ZERO BRINE是欧洲在生产制造业推行循环经济理念的一个重大实践。因为这个项目预计在今年才结束，各地项目还在进行时。等项目正式结束并有更多数据的时候，我们再为读者带来后续报道。
参考资料
https://revolve.media/from-waste-to-resource-2/
https://www.youtube.com/watch?v=3bP9WQ-pZ94&feature=emb_logo
https://zerobrine.eu/wp-content/uploads/2019/02/D4.1.pdf
https://www.samcotech.com/how-to-remove-silica-from-industrial-water-and-wastewater/
https://zerobrine.eu/wp-content/uploads/2020/08/Factsheet-NL-V2.pdf
（来源：IWA国际水协会）