全康環(huán)保:零排放可能是環(huán)保圈最時(shí)髦的詞匯。它在廣義上描述的是一種不向外部環(huán)境排放任何廢棄物或污染物的理想狀態(tài)。水處理領(lǐng)域所說(shuō)的零排放，通常是對零液體排放（Zero Liquid Disge，ZLD）的簡(jiǎn)稱(chēng)，指的是某一主體達到不向外部環(huán)境排放廢水的狀態(tài)。

實(shí)現零排放不外乎兩個(gè)途徑。一是通過(guò)源頭廢水減量和內部廢水消納來(lái)實(shí)現；二是通過(guò)對末端廢水進(jìn)行零排放處理來(lái)實(shí)現。當然，也可以是二者的結合。

零排放水處理技術(shù)雖然只經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，但技術(shù)水平不斷提升，應用領(lǐng)域不斷拓展，目前已廣泛應用于能源、化工、造紙等行業(yè)，正在不動(dòng)聲色地引領(lǐng)著(zhù)工業(yè)廢水處理技術(shù)的發(fā)展方向。

第一部分 零排放的起源

零排放水處理的概念起源于美國。故事還要從橫跨美國和墨西哥、全長(cháng)2300多公里的科羅拉多河（Colorado River）說(shuō)起。

科羅拉多河發(fā)源于落基山脈（The Rocky Mountains），上游河水鹽度只有50毫克/升左右。上世紀中期，戰后科羅拉多河流域的工農業(yè)迅速發(fā)展，下游河水鹽度持續升高，進(jìn)入墨西哥時(shí)已經(jīng)超過(guò)1300毫克/升。這不僅引起了美國國內沿線(xiàn)七個(gè)州的廣泛關(guān)注，更導致了墨西哥政府的強烈抗議。

1972年，美國國會(huì )通過(guò)了著(zhù)名的《清潔水法案》（Clean Water Act），明確規定企業(yè)向自然水體排放污染物必須事先獲得許可，正式建立了排污許可證制度。1974年，美國又專(zhuān)門(mén)制定了《科羅拉多河流域鹽度控制法案》（The Colorado River Basin Salinity Control Act）。

而此時(shí)，正是美國火電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。得益于充足的水源和不斷上升的電力需求，不少新建電廠(chǎng)選址于科羅拉多河沿岸。但政府擔心這些電廠(chǎng)的外排廢水會(huì )進(jìn)一步增加河水的鹽度，因此延長(cháng)了審批時(shí)間，企業(yè)獲得項目許可通常需要花費數年之久。

因此，一些電廠(chǎng)開(kāi)始考慮并采納以徹底消除外排為目標的廢水處理方案，這大大縮減了項目許可所需的審批時(shí)間，通常幾個(gè)月就能搞定。零排放水處理應運而生。

1974年，美國亞利桑那州納瓦霍（Navajo）電廠(chǎng)、新墨西哥州圣胡安（San Juan）電廠(chǎng)和猶他州亨廷頓（Huntington）電廠(chǎng)先后投運。它們配套建設了末端廢水的蒸發(fā)濃縮裝置，并將蒸發(fā)裝置產(chǎn)生的少量濃水引入蒸發(fā)塘，從而實(shí)現了零排放。這就是世界上最早的幾個(gè)工業(yè)廢水零排放處理系統。

1980年，科羅拉多河沿線(xiàn)實(shí)現零排放的電廠(chǎng)增加至10余個(gè)。2004年，這一數字進(jìn)一步增加至30來(lái)個(gè)。而此時(shí)，零排放也早已在其它地區和行業(yè)大量應用，全美建成的工業(yè)廢水零排放裝置總數達到120套左右。

第二部分 零排放技術(shù)的早期發(fā)展

早期的零排放水處理技術(shù)主要基于蒸發(fā)器和蒸發(fā)塘。而這兩種技術(shù)在用于廢水濃縮之前，早已在其它行業(yè)得到廣泛應用。其中蒸發(fā)器的典型工業(yè)應用之一是氯堿行業(yè)中的堿液蒸發(fā)。學(xué)化工的同學(xué)們對此應該不陌生。20年前，我的畢業(yè)實(shí)習就是在一個(gè)氯堿廠(chǎng)的蒸發(fā)工段完成的。

而在美國，早在1893年就建成了第一個(gè)氯堿工廠(chǎng)，氯堿工業(yè)在1940年以后更是隨著(zhù)石油化工的興起得到了迅速發(fā)展，大型蒸發(fā)器的應用隨之增加。這些行業(yè)主要使用多效蒸發(fā)器。

與傳統蒸發(fā)應用相比，廢水蒸發(fā)面臨三大主要挑戰。一是廢水中的低溶解度組分極易隨著(zhù)蒸發(fā)濃縮過(guò)程在換熱表面發(fā)生結垢；二是廢水中大量存在的氯離子極易在濃縮和加熱條件下對換熱材料造成腐蝕；三是由于不直接產(chǎn)生任何高價(jià)值產(chǎn)品，因而用戶(hù)普遍對能耗與運行成本更加敏感。

要解決這些問(wèn)題，就需要對原有蒸發(fā)器在設計和工程方面做出相應改進(jìn)。而這主要是由一些技術(shù)實(shí)力雄厚的工程公司完成的。在零排放特別是蒸發(fā)結晶領(lǐng)域，國際上最知名的三家公司是RCC、HPD和Aqua-Chem公司。

HPD公司成立于1921年，總部位于伊利諾伊州，號稱(chēng)世界上最大的蒸發(fā)與結晶公司，在全球提供了超過(guò)800套蒸發(fā)結晶系統。1998年，HPD被威立雅（Veolia）公司收購。

Aqua-Chem公司成立于1931年，總部位于威斯康星州，是熱法脫鹽系統的先驅之一。2000年，Aqua-Chem的工業(yè)濃縮與脫鹽（ICD）部門(mén)被阿奎克（Aquatech）公司收購，零排放業(yè)務(wù)即包括在內。

RCC公司成立于1970年前后，總部位于華盛頓州，是最早推動(dòng)零排放的技術(shù)公司?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，RCC就是為零排放而生。1993年，RCC被Ionics公司收購。2005年，Ionics公司被GE收購。2017年，GE水處理業(yè)務(wù)被蘇伊士（Suez）收購。

1970年代早期，RCC的研究人員向廢水蒸發(fā)器中加入大量硫酸鈣顆粒，其粒徑為數十微米，它們與鹽水形成固液混合的漿液后，再進(jìn)入豎直的換熱管內壁實(shí)現降膜蒸發(fā)。這就是所謂的晶種法工藝（Seeded Slurry Process）。

晶種法蒸發(fā)器改變了濃縮后的鹽水中硫酸鈣等低溶解度鹽的析出位置，使得結晶過(guò)程優(yōu)先發(fā)生在懸浮的硫酸鈣顆粒表面，而非換熱管表面，從而巧妙地解決了換熱管表面的結垢問(wèn)題。

與此同時(shí)，航空鈦材也被開(kāi)始用于制造廢水蒸發(fā)器的換熱管，有效解決了氯離子的腐蝕問(wèn)題；機械蒸汽壓縮（MVR）工藝也得到應用，大幅降低了蒸發(fā)器的絕對能耗，并方便電廠(chǎng)等用戶(hù)使用電能。

至此，采用鈦換熱管的晶種法MVR蒸發(fā)器，成為了第一代零排放處理技術(shù)的核心。時(shí)至今日，MVR鈦管蒸發(fā)器依然是幾乎所有零排放工藝的標配。

蒸發(fā)塘是一種模仿自然過(guò)程的古老技術(shù)。由于它受氣候條件的限制較大，因此后續在一些項目中被噴霧干燥器取代。1981年，弗羅里達州蓋恩斯維爾（Gainesville）電廠(chǎng)建成，其零排放系統即在蒸發(fā)器后配備了噴霧干燥器。

但噴霧干燥器需要消耗大量的熱空氣，絕對能耗極高，處理規模有限，因此又逐漸被效率更高、操作彈性更大的強制循環(huán)結晶器所取代。這樣，蒸發(fā)器與結晶器的組合也逐漸成為零排放系統的代名詞。

第三部分 膜濃縮技術(shù)的發(fā)展

1980年代中后期，反滲透和電滲析脫鹽技術(shù)逐漸成熟，并開(kāi)始用于廢水處理與回用領(lǐng)域。隨著(zhù)應用經(jīng)驗的增加，人們開(kāi)始考慮，將反滲透和電滲析用在蒸發(fā)器之前，以對廢水進(jìn)行初步濃縮，從而減少蒸發(fā)器的處理負荷。這就是膜濃縮。時(shí)至今日，膜濃縮技術(shù)的進(jìn)步在很大程序上決定了零排放的技術(shù)水平。

1991年，弗吉尼亞州多斯維爾（Doswell）電廠(chǎng)投運，并同步建成了零排放系統。該系統通過(guò)串聯(lián)的倒極電滲析和反滲透裝置（回收率分別為85%和75%），將56.8噸/小時(shí)的廢水減量至20.2噸/小時(shí)后，再送入蒸發(fā)器和結晶器，從而有效降低了零排放工藝的總體投資和運行成本。

反滲透膜濃縮用于零排放工藝時(shí)，其技術(shù)進(jìn)步的主要目標就是不斷提高回收率。這包括兩個(gè)階段，在滲透壓成為限制因素之前，主要依靠提升預處理水平來(lái)提高回收率；在滲透壓成為限制因素之后，主要通過(guò)提高操作壓力或調整膜的截留特性來(lái)突破滲透壓的限制。

1996-1997年間，印裔美國工程師Debasish Mukhopadhyay提出一種反滲透組合工藝，以離子交換除硬、高pH值RO運行（pH>8.5）等為主要特征。Deb作為唯一發(fā)明人和專(zhuān)利權人申請了專(zhuān)利（US5,925,255）。這就是高效反滲透（HERO）工藝。

HERO工藝在提出之初，主要被用于超純水制備項目。通過(guò)高pH值下二氧化硅的離子化，HERO工藝改善了反滲透膜對硅的截留率，同時(shí)具有更高的系統水回收率。后來(lái)，阿奎克公司將其作為自己的主推膜濃縮工藝用于零排放項目，HERO因此聲名鵲起。

有意思的是，德士古公司（Texaco）于1992年也申請了一件以除硬和高pH值RO運行（pH>9.5）為主要特征的組合反滲透專(zhuān)利（US5,250,185）。該組合工藝最初用于油田采出水中硼的去除。威立雅后來(lái)購買(mǎi)了該專(zhuān)利的排他許可，并在此基礎上推出了所謂的優(yōu)化預處理與獨特分離（OPUS）工藝，作為自己在零排放項目中的主推膜濃縮工藝。

作為兩種專(zhuān)利膜濃縮工藝，OPUS與HERO在技術(shù)特征上具有某些相似性。這使得它們之間后來(lái)出現了一些專(zhuān)利糾紛。不可否認的是，這兩個(gè)組合膜濃縮工藝中的一些技術(shù)思想促進(jìn)了常規膜濃縮工藝的進(jìn)步，徹底軟化、多段濃縮、段間軟化等設計逐漸成為業(yè)界主流的膜濃縮工藝。

膜濃縮在零排放工藝中的廣泛應用，大大提升了零排放項目的處理規模。2010年，殼牌（Shell）公司在卡塔爾（Qatar）建設了一個(gè)總投資180億美元的天然氣液化工廠(chǎng)，其配套建設的零排放系統處理規模達到30,000噸/天，投資達到2.55億歐元，是當時(shí)世界上最大的零排放項目。

前面提到，提高濃縮極限的另一種思路是提高反滲透膜的操作壓力。高壓膜即是這一思路的產(chǎn)物。碟管式反滲透膜（DTRO）是最早出現的高壓膜，它起源于德國。

1988年，德國ROchem公司建成世界上第一個(gè)DTRO實(shí)用裝置，用來(lái)處理垃圾滲濾液。1998年，ROchem被頗爾（Pall）公司收購。2010年前后，DTRO被引入零排放工藝，用作常規反滲透濃縮之后的二次濃縮，實(shí)現10%甚至更高的濃縮極限。2015年，頗爾公司被丹納赫（Danaher）公司收購。

與此同時(shí)，先前用于海水濃縮制鹽的均相膜電滲析技術(shù)也被引入零排放工藝。作為一種沒(méi)有滲透壓限制的二次濃縮工藝，電滲析的濃縮極限更高，可達15%-20%。這使得它相繼在一些造紙、煤化工、火電等行業(yè)的零排放項目中獲得應用。

2016年以來(lái)，蘇伊士（原GE水處理）、杜邦（原陶氏水處理）等反滲透膜廠(chǎng)商先后推出了高壓卷式反滲透膜產(chǎn)品，最高操作壓力可達10-12MPa，濃縮極限達到9%-12%左右。國內一些研究單位還開(kāi)發(fā)了高鹽反滲透（HSRO）膜產(chǎn)品，配合兩級或三級系統設計，在不超過(guò)7MPa的操作壓力下，可實(shí)現10%-15%的濃縮極限。

第四部分 零排放在中國

1979年，華東化工學(xué)院吳新九副教授在《化學(xué)工業(yè)給排水設計》期刊上發(fā)表了一篇《循環(huán)冷卻水的零排放概念》的文章。這可能是我國學(xué)者第一次從學(xué)術(shù)上討論零排放問(wèn)題。

1980年代，陸續有學(xué)者探討火電、煉油、電鍍等行業(yè)的廢水零排放問(wèn)題，但思路主要集中在廢水減量和內部消納上。1990年前后，一些學(xué)者開(kāi)始發(fā)表介紹美、澳等國采用水處理技術(shù)實(shí)現零排放的文章。零排放作為一種水處理技術(shù)，在國內引起了初步注意。

1990年代，國內對零排放處理技術(shù)的認識不斷加深，但幾乎沒(méi)有開(kāi)展有影響的技術(shù)研究或示范驗證工作。2002年7月，國家經(jīng)貿委與美國商務(wù)部在北京共同舉辦了中美工業(yè)廢水零排放技術(shù)研討會(huì )。

2004年，神華集團108萬(wàn)噸/年煤直接液化項目在鄂爾多斯開(kāi)工建設。由于該地區生態(tài)環(huán)境脆弱，缺乏納污水體，項目決定采用零排放處理技術(shù)。該項目標志著(zhù)我國工業(yè)廢水零排放處理技術(shù)應用的大幕正式拉開(kāi)。

2005 年，國家發(fā)改委等多個(gè)部門(mén)組織制訂了中國節水技術(shù)政策大綱。明確提出，發(fā)展外排工業(yè)廢水回用和零排放技術(shù)，鼓勵在缺水以及生態(tài)環(huán)境要求高的地區的企業(yè)應用廢水零排放技術(shù)。

2007 年，國家環(huán)?？偩峙c發(fā)改委制定了國家環(huán)境保護十一五規劃。明確要求，在鋼鐵、電力、化工、煤炭等重點(diǎn)行業(yè)，推廣廢水循環(huán)利用，努力實(shí)現廢水少排放或零排放。同年，廣東河源電廠(chǎng)一期工程開(kāi)工建設。由于該電廠(chǎng)緊鄰擔負著(zhù)為香港、深圳等地供水任務(wù)的東江，環(huán)評明確要求其實(shí)現廢水零排放。

2008年底，神華直接液化項目開(kāi)始投料試車(chē)。項目配套建成了以?xún)尚д舭l(fā)器為核心的零排放系統。而其前端采用了包括高級氧化、膜生物反應器、反滲透膜濃縮等在內的復雜預處理和預濃縮工藝，后端則采用了蒸發(fā)塘來(lái)消納蒸發(fā)器尾水。

2009年，河源電廠(chǎng)一期工程建成投運。它也成為我國第一個(gè)實(shí)現廢水零排放的電廠(chǎng)。其零排放系統采用的是雙堿軟化加全水量蒸發(fā)的工藝。

2011年，國家環(huán)境保護十二五規劃進(jìn)一步提出，要研究鼓勵企業(yè)廢水零排放的政策措施。

2012年7月，江蘇南通發(fā)生了抵制王子紙業(yè)廢水排海工程的群體事件。2014年，這家世界第三、亞洲第一的造紙企業(yè)建成了我國第一個(gè)造紙廢水零排放項目。這也是國內較早采用電滲析二次濃縮工藝的零排放項目。

2015年，華能長(cháng)興電廠(chǎng)還建成了國內首個(gè)采用正滲透技術(shù)的零排放系統。但由于受到汲取液再生工藝較為復雜、正滲透膜通量較低等限制，正滲透技術(shù)后續并沒(méi)有在零排放項目中得到大規模應用。

同年，國家正式出臺“水十條”，全面加強水污染防治力度。2015年底，國家環(huán)保部發(fā)布《現代煤化工建設項目環(huán)境準入條件（試行）》。該文件明確要求，現代煤化工建設項目在缺乏納污水體區域應對高含鹽廢水采取有效處置措施，不得污染地下水、大氣、土壤，且廢水處理產(chǎn)生的無(wú)法資源化利用的鹽泥暫按危險廢物進(jìn)行管理。這不僅對新建煤化工企業(yè)明確提出了廢水零排放的要求，而且引導著(zhù)零排放工藝逐漸向分鹽結晶方向發(fā)展。

2016年，神華寧煤集團400萬(wàn)噸/年煤間接液化項目建成投運。配套建成的污水和濃鹽水零排放處理系統設計規模超過(guò)120,000噸/天。與此同時(shí)，國內一大批煤化工零排放項目陸續建成投運。

2017年，煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范十三五規劃再次重申，無(wú)納污水體的新建示范項目要利用分鹽結晶等技術(shù)，將高含鹽廢水資源化利用，實(shí)現污水不外排。

同年，國家環(huán)保部發(fā)布火電廠(chǎng)污染防治技術(shù)政策，明確鼓勵采用蒸發(fā)干燥或蒸發(fā)結晶等處理工藝，實(shí)現脫硫廢水不外排，進(jìn)而實(shí)現全廠(chǎng)廢水的循環(huán)使用不外排。與此同時(shí)，電廠(chǎng)零排放項目數量也不斷增加。

2019年年初，生態(tài)環(huán)境部和國家發(fā)改委聯(lián)合制定了長(cháng)江保護修復攻堅戰行動(dòng)計劃；9月份，中央領(lǐng)導人主持召開(kāi)了黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì )。長(cháng)江與黃河大保護上升為國家戰略，必將推動(dòng)更多沿江沿河企業(yè)選擇零排放。

這一年，國家能源集團寧東礦區礦井水及煤化工廢水處理利用項目建成投運。該項目設計規模72,000噸/天，投資超過(guò)16億元，采用分鹽結晶工藝，在實(shí)現零液體排放的同時(shí)，每年還生產(chǎn)數萬(wàn)噸氯化鈉和無(wú)水硫酸鈉副產(chǎn)品。

第五部分 小結與展望

零排放技術(shù)并非一種單一的水處理技術(shù)，而通常是一系列水處理技術(shù)的組合與集成。如果從科羅拉多河沿岸最早建成零排放電廠(chǎng)的時(shí)間算起，世界零排放技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)40多年，大致可分為三個(gè)階段。

第一階段，迅速確立了MVR蒸發(fā)器加上蒸發(fā)塘或結晶器的基本技術(shù)路線(xiàn)。這一階段主要回答了技術(shù)是否可行的問(wèn)題，使得零排放技術(shù)在受特定政策驅動(dòng)的電廠(chǎng)等用戶(hù)獲得初步應用。

第二階段，逐步引入了常規膜濃縮和預處理技術(shù)。這一階段主要回答了應用是否可拓展的問(wèn)題，使得零排放技術(shù)逐漸從電廠(chǎng)進(jìn)入化工、油砂、煤化工等行業(yè)，從美國走向全世界。

第三階段，也是正在經(jīng)歷的階段，快速推動(dòng)著(zhù)高效膜濃縮和分鹽結晶技術(shù)的發(fā)展。目前正在試圖回答規模是否可持續的問(wèn)題，這關(guān)系到零排放技術(shù)能否走得更遠，能否成為未來(lái)工業(yè)水處理的標配技術(shù)。

如果從神華煤直接液化項目開(kāi)始配套建設零排放水處理系統的時(shí)間算起，我國零排放技術(shù)的真正發(fā)展只有短短10多年的歷史，但演變十分迅速。我國零排放市場(chǎng)前期以煤化工為主，最近幾年電廠(chǎng)零排放逐漸活躍。幾乎每一家水處理公司都希望進(jìn)入零排放市場(chǎng)。我國已經(jīng)在事實(shí)上引領(lǐng)著(zhù)全球零排放技術(shù)的發(fā)展與應用趨勢。

展望未來(lái)，零排放技術(shù)的市場(chǎng)熱度至少在短期內仍將持續?？梢灶A見(jiàn)，越來(lái)越多的技術(shù)創(chuàng )新將進(jìn)一步增強零排放系統的可靠性，降低處理成本，提升資源化率。相對而言，徹底解決零排放結晶鹽的出路顯得更為迫切?？蛇x方案或許包括，推動(dòng)將副產(chǎn)鹽納入現有的工業(yè)鹽供應與循環(huán)體系、考慮出臺明確的集中處置規范、允許建設滿(mǎn)足特定標準的人工鹽湖等。