高效反滲透（HERO）技術
原理剖析與應用實踐
關于高效反滲透技術，盡管它在超純水制備與工業(yè)廢水近零排放等領域正得到日益廣泛的應用，但關于其核心原理與工藝細節(jié)的系統(tǒng)介紹卻相對有限。
借此機會，我們對高效反滲透（HERO）技術的基本概念及其在水處理中的實際應用進行簡要梳理，以增進大家對這一高效水處理工藝的了解。
第一部分
高效反滲透（HERO）的誕生
1996至1997年間，印裔美國工程師Debasish Mukhopadhyay提出了一種結合離子交換除硬與高pH（>8.5）運行的新型反滲透工藝，即高效反滲透（HERO）工藝。作為該技術的唯一發(fā)明人，Deb隨后申請并獲得了美國專利（US5,925,255）。
HERO工藝最初主要用于超純水制備，通過提升pH促使二氧化硅離子化，從而顯著改善反滲透膜對硅的截留效果，并實現(xiàn)更高的系統(tǒng)水回收率。此后，隨著阿奎克公司將其作為核心膜濃縮技術推廣應用于零排放項目，HERO工藝逐漸在行業(yè)內(nèi)獲得廣泛聲譽。
無獨有偶，更早的1992年，德士古公司也曾申請一項工藝特征類似的反滲透專利（US5,250,185），該工藝同樣基于除硬和高pH（>9.5）運行，最初旨在去除油田采出水中的硼。
后來，威立雅公司獲得了該專利的排他許可，并以此為基礎開發(fā)出“優(yōu)化預處理與獨特分離”（OPUS）工藝，作為其零排放項目中的主打膜濃縮解決方案。
很顯然，HERO與OPUS在技術特征上具有高度的相似性。
①在超純水制備領域，兩者的高pH運行模式有效促進了硅、硼等元素的離子化，為反滲透（RO）系統(tǒng)高效去除這些特定雜質(zhì)創(chuàng)造了關鍵條件。
②在近零排放的膜濃縮領域，它們所共有的技術理念——如徹底軟化、多段濃縮、段間軟化等，有效推動了膜濃縮工藝的革新，并已逐漸演進為該領域主流工藝設計的核心思想。
第二部分
高效反滲透（HERO）在超純水制備領域的應用
在超純水制備領域，作為常規(guī)RO工藝的優(yōu)化，HERO最主要的優(yōu)勢是提高了硅、硼的去除率（對TOC的去除也有一定幫助，主要是基于微生物生長的抑制），當然最重要的控制環(huán)節(jié)還是在于硬度的控制（＜1mg/L），以減少無機鹽（主要是碳酸鈣）結垢的風險。
（一）高效反滲透（HERO）對硅的高效去除原理
在超純水制備領域，HERO工藝早期目的是高效去除水中的溶解性二氧化硅（水溶態(tài)硅）。水溶態(tài)硅在水中存在以下動態(tài)平衡：
為了方便理解我們把其中電離部分簡化成類似水中碳酸鹽平衡一樣的轉(zhuǎn)換關系式如下：
SiO2：二氧化硅
H2SiO3：偏硅酸（硅酸），分子量78.1Da
HSiO3-：次偏硅酸氫根離子
SiO3(2-)：偏硅酸根
當二氧化硅溶解于水中后初始形成為偏硅酸，其主要以分子形式存在，所以反滲透對其的去除率并不高。當我們通過加堿（NaOH）來逐步提高進水的pH時，水中的H2SiO3逐漸開始電離，并在不同pH條件下，逐漸呈現(xiàn)出如下狀態(tài)：
當pH＜7時，主要以H2SiO3形式存在；
當7＜pH＜9時，H2SiO3和HSiO3-形式共存；
當9＜pH＜10時，HSiO3-和SiO3(2-)形式共存；
當pH＞10時，主要以SiO3(2-)形式共存；
所以如果想要較好地通過RO工藝去除硅，需要保持進水pH＞10以達到最佳去除效果，此時亦可同步有效去除硼元素。
（二）高效反滲透（HERO）對硼的高效去除原理
硼與硅雖不屬于同族元素，但硼在元素周期表中緊鄰碳，而硅則與碳同族。由于硼酸（硼在水中主要存在的分子形態(tài)，分子量為 61.8 Da）的分子量小于偏硅酸（分子量為 78.1 Da），常規(guī)反滲透（RO）技術對硼的去除效率通常較低。硼在水中以水溶態(tài)形式存在，其化學轉(zhuǎn)化過程可用以下方程式表示：
H3BO3：硼酸，分子量61.8Da
B(OH)4-：硼酸根離子
與碳酸鹽平衡類似，水溶態(tài)硼在不同pH條件下，在水中呈現(xiàn)出如下狀態(tài)：
當pH＜7時，主要以H3BO3形式存在；
當7＜pH＜10.5時，H3BO3和B(OH)4-形式共存；
當pH＞10.5時，主要以B(OH)4-形式共存。
在反滲透運行過程中，如果反滲透進水是中性或酸性，一級反滲透對硼酸的去除效率只有30%~50%。但是當我們提高反滲透進水的pH值，可以迅速提高反滲透對硼的去除率，從下圖可以看出，當反滲透進水pH值調(diào)到10.5以上時，反滲透對硼的去除率可達90%以上。
第三部分
高效反滲透（HERO）在近零排放領域的應用
在近零排放領域，HERO工藝是膜濃縮技術的關鍵組成部分。與超純水制備應用中以硼、硅去除率為主要指標不同，近零排放中的HERO工藝更注重實現(xiàn)高回收率（高濃縮倍率）與系統(tǒng)穩(wěn)定性的有機平衡。
（一）高效反滲透（HERO）在膜濃縮領域的工藝優(yōu)勢
在近零排放膜濃縮領域，HERO工藝（指包含軟化及反滲透的集成工藝，而非僅指高pH條件下的RO）所處理的水質(zhì)通常較為復雜。與超純水制備中常見的市政自來水等優(yōu)質(zhì)水源不同，這類原水往往具有高鹽（可達數(shù)千至數(shù)萬ppm）、高硬度（數(shù)百ppm）及較高COD（約100-200ppm）等特點。
盡管此類廢水在進入膜濃縮前會經(jīng)過預處理（如氧化、物化、生化或高級氧化等），但若追求將其處理至接近中水或自來水標準，則既不符合實際，也偏離了膜工藝追求高效、低占地與低成本的設計初衷。因此，HERO工藝的核心在于在維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，實現(xiàn)對此類復雜水質(zhì)的高倍濃縮與有效處理。
在此類復雜水質(zhì)條件下，要保障HERO系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，關鍵在于有效解決RO系統(tǒng)的污堵問題。這主要包括無機鹽結垢（如鹽酸鈣、硫酸鈣、硅酸鹽）、有機物污堵以及微生物滋生等幾種典型情況。
在HERO工藝中，為實現(xiàn)系統(tǒng)的高回收率穩(wěn)定運行，必須有效控制以下三類主要污堵風險：
① 無機鹽結垢A（鈣鹽）
通過徹底軟化工藝，通常將進水總硬度嚴格控制在1 mg/L以下；若進水堿度（HCO??）或硫酸根（SO?2?）等離子濃度較低，可適度放寬該標準。由于系統(tǒng)回收率高達80–90%，濃水濃縮倍數(shù)可達5–10倍，相應難溶鹽的離子積將升至25–100倍（如氟化鈣等甚至可達125–1000倍）。因此，嚴格控制進水硬度的實際成本與操作難度，遠低于因結垢風險造成的運行損失。
② 無機鹽結垢B（硅酸鹽）
硅酸鹽垢主要由鐵、鋁硅酸鹽及二氧化硅混合形成。鐵離子易引發(fā)氧化與污堵，需在預處理階段優(yōu)先去除?？刂乒杷猁}結垢需同時關注溫度與pH：升高水溫可提高二氧化硅溶解度，而高pH條件能促進溶解態(tài)硅酸（H?SiO?）電離為可溶性硅酸根，從而顯著降低結垢傾向。尤其在冬季低溫環(huán)境下，維持適宜水溫可避免硅酸鹽因溶解度下降而析出。
③ 有機物污堵及微生物滋生
HERO工藝的高pH運行環(huán)境能有效抑制微生物生長與生物膜形成，同時堿性條件持續(xù)降低有機物（以COD為指標）的污堵風險，相當于實現(xiàn)“實時堿洗”。在無機鹽結垢、有機物污堵和微生物滋生均得到有效控制的前提下，系統(tǒng)具備實現(xiàn)高回收率的運行條件。配合合理的RO膜系統(tǒng)配置，中等規(guī)模以上系統(tǒng)的回收率可達80–90%。
下圖對比了高效反滲透（HERO）與常規(guī)反滲透在膜濃縮領域的應用特點，以供參考。
（二）高效反滲透（HERO）在膜濃縮領域的工藝難點
高效反滲透（HERO）工藝在應用中面臨的主要挑戰(zhàn)在于其運行條件較為苛刻，尤其對進水硬度的控制提出了極高要求。行業(yè)內(nèi)長期認為反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要取決于預處理環(huán)節(jié)，這一觀點常源于實踐中因設計不當、施工簡化或運維缺失所引發(fā)的問題——例如忽視水質(zhì)差異、降低材料標準、隨意切換水源或長期缺乏維護等。這些非專業(yè)操作往往導致系統(tǒng)超負荷運行，影響整體效能。
HERO工藝在近零排放膜濃縮領域的核心前提是實現(xiàn)深度軟化，具體可根據(jù)原水硬度采取分級處理：
（1）當原水硬度 ≤ 5 mmol/L（以 CaCO? 計）時，通常單級軟化即可使出水硬度降至 ≤ 0.03 mmol/L；
（2）若原水硬度介于 5–10 mmol/L，需采用二級串聯(lián)軟化工藝方能達到同等標準；
（3）對于硬度 ＞10 mmol/L 的高硬度原水，建議先通過化學藥劑法去除大部分硬度，再結合離子交換進行深度軟化，以確保進入HERO系統(tǒng)的水質(zhì)滿足要求。
在工業(yè)廢水處理中，常將強酸陽離子交換樹脂（SC，主要針對鐵、鋁等多價陽離子）置于弱酸陽離子交換樹脂（WC，主要針對鈣、鎂等二價離子）之前。這是因為工業(yè)廢水通常呈低pH，且陽離子成分復雜。雖然SC的交換容量較低、再生成本較高，但其具備全pH適應范圍、高解離度（交換效率高）及可交換全部陽離子等特點，適用性更廣。同時，在此配置下，SC再生廢液可作為WC的再生水源，進一步降低整體運行成本。具體的工藝選型需結合實際流程設計與市場情況進行綜合決策。
下圖為某化工廢水經(jīng)預處理后，采用膜法工藝實現(xiàn)中水回用的流程圖，僅供參考。
文章內(nèi)容轉(zhuǎn)載改編自：水處理柏楓楊
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