淺談反滲透多級(jí)濃縮工藝的應(yīng)用

周冬興

摘 要：反滲透濃鹽水的處理是零排放水處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。介紹反滲透膜處理技術(shù)，介紹零排放水處理中各種減量化及固化方法，重點(diǎn)介紹超高壓反滲透膜作為蒸發(fā)結(jié)晶前處理在零排放水處理中應(yīng)用，從而為零排放水處理技術(shù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：超高壓;反滲透;膜;零排放;水處理應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ520.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0001-02

0 前言

反滲透技術(shù)是60年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的膜分離技術(shù)，我國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始推廣運(yùn)用反滲透技術(shù)，具有高脫鹽率、環(huán)保、適應(yīng)水質(zhì)范圍廣、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于脫鹽水制備、地表水回用、廢水回用、海水淡化等的處理[1]。

反滲透法[2-3]是利用反滲透膜（人工半透膜）選擇性的只能透過(guò)溶劑（通常是水）而截留溶質(zhì)（溶解性鹽類、膠體、懸浮物等）的性質(zhì)，通過(guò)加壓設(shè)備以膜兩側(cè)壓差為推動(dòng)力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過(guò)反滲透膜而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合物進(jìn)行分離的膜過(guò)程。一般情況下，單支海水反滲透膜元件截留率可達(dá)99.7%以上，單支苦咸水反滲透膜元件截留率可達(dá)99.4%以上，單支低壓反滲透膜元件截留率可達(dá)98.6%以上。實(shí)際在工程運(yùn)用中，為了提高反滲透系統(tǒng)的回收率，反滲透膜元件經(jīng)常會(huì)有串聯(lián)排列，這樣系統(tǒng)的截留率就會(huì)低于單支反滲透膜元件的截留率。工程實(shí)際項(xiàng)目中，一級(jí)反滲透可以從水中除去98%以上的溶解性鹽類和99%以上的膠體微生物及有機(jī)物等，二級(jí)反滲透可以從水中除去90%以上的溶解性鹽類和99%以上的膠體微生物及有機(jī)物等。實(shí)際的截留率與膜元件的使用時(shí)間、是否泄露等有關(guān)，一般運(yùn)行多年的反滲透系統(tǒng)也能保持在80%以上的截留率。

反滲透技術(shù)是一種先進(jìn)和有效的膜分離技術(shù)，但反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水率比較低，目前海水反滲透系統(tǒng)一般只有40%左右，有60%左右的反滲透濃水需排放。苦咸水反滲透系統(tǒng)一般只有75%左右，有25%左右的反滲透濃水需排放。中水回用反滲透系統(tǒng)一般只有70%左右，有30%左右的反滲透濃水需排放。二級(jí)反滲透系統(tǒng)回收率較高，一般能有90%左右，且剩余的10%左右的反滲透濃水還能回流至一級(jí)反滲透系統(tǒng)。反滲透濃水是原水經(jīng)反滲透裝置濃縮后的排放水，隨著反滲透水處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其濃水的處理和排放問(wèn)題日益突出。反滲透濃水水質(zhì)達(dá)不到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，主要是含鹽量高一直是企業(yè)需要解決的難題。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)針對(duì)污水回用裝置反滲透單元排放濃水的處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外排廢水的全面、穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。如果不對(duì)其妥善處理而直接排放，必然會(huì)對(duì)土壤、水環(huán)境等產(chǎn)生不利影響。在水資源緊張的今天，根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)合理地對(duì)濃水進(jìn)行處理、回收和再利用，必將有利于緩解如今的水資源短缺形式。

1 多級(jí)濃縮法處理濃鹽水可行性分析

反滲透又稱逆滲透，一種以壓力差為推動(dòng)力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作工藝。對(duì)半透膜一側(cè)的料液施加壓力，當(dāng)壓力超過(guò)它的滲透壓時(shí)，溶劑會(huì)逆著自然滲透的方向作反向滲透，溶劑透過(guò)半透膜，剩余的溶劑濃度將越來(lái)越高。在半透膜的低壓側(cè)（沒(méi)有施加壓力側(cè)）得到透過(guò)的溶劑，即滲透液;高壓側(cè)（施加壓力的一側(cè)）得到濃縮的溶液，即濃縮液，也稱反滲透濃水。

反滲透濃水水量、水質(zhì)受進(jìn)水水質(zhì)、預(yù)處理中使用的阻垢劑、還原劑、回收率、反滲透膜清洗時(shí)使用的清洗劑等因素的影響。反滲透濃水水質(zhì)的特性，主要表現(xiàn)在：含鹽量高;有機(jī)物含量低;水質(zhì)成分復(fù)雜;可生化性差。

零排放技術(shù)[6]是綜合應(yīng)用膜分離，蒸發(fā)結(jié)晶和干燥等物理、化學(xué)、生化過(guò)程，將廢水當(dāng)中的固體雜質(zhì)濃縮至很高濃度，大部分水已循環(huán)回用，剩下少量伴隨固體廢料的水，可以根據(jù)每個(gè)企業(yè)具體情況選擇以下出路中一種，而不排出系統(tǒng)（這種“零排放”決策至少應(yīng)當(dāng)考慮以下三大方面的因素：環(huán)保要求—經(jīng)濟(jì)成本（企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力）—生產(chǎn)安全）。

（1）蒸發(fā)/結(jié)晶;（2）蒸發(fā)/干燥;（3）太陽(yáng)蒸發(fā)池自然蒸發(fā);（4）用于生產(chǎn)副產(chǎn)品，進(jìn)入固體產(chǎn)品;（5）噴入焚燒爐作為垃圾處理;（6）被固體廢料（例如飛灰）吸收，作為固體廢料處理。

反滲透濃鹽水[4]具有高含鹽量，主要是Na+、Ca2+、Cl-、SO42-等離子，常規(guī)工業(yè)反滲透濃水含鹽量約為500～12000mg/L[5]。海水淡化反滲透濃水含鹽量約為35000～100000mg/L。按照常規(guī)工業(yè)反滲透濃水濃度再進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶和干燥等工藝的話，能耗會(huì)較高。因此合理的工藝組合應(yīng)該是在進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶和干燥工藝前，將反滲透濃水濃度提升到一個(gè)更高的較合理水平。

2 反滲透多級(jí)濃縮濃鹽水減量化

我司在多年的反滲透技術(shù)應(yīng)用中圍繞反滲透多級(jí)濃縮濃鹽水減量化這個(gè)做了不少研究，一次反滲透濃水通過(guò)反滲透技術(shù)再次濃縮，二次反滲透濃水的水量相對(duì)于一次反滲透濃水的水量減少了50%～87.5%，這就實(shí)現(xiàn)了濃鹽水的減量化;同時(shí)剩余的二次反滲透濃水濃度也提高了2～5.5倍，更有利于后續(xù)的蒸發(fā)結(jié)晶等固化措施。多次反滲透濃縮能減少更多的濃鹽水量以及提高濃鹽水濃度。基于此，我公司在之前濃水反滲透、苦咸水反滲透、海水淡化反滲透項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn)上開(kāi)發(fā)了反滲透多級(jí)濃縮工藝。即按照TDS分類：處理水含鹽量為30～300mg/L按照二級(jí)反滲透設(shè)計(jì);處理水含鹽量為300～5000mg/L按照常規(guī)反滲透設(shè)計(jì);處理水含鹽量為5000～20000mg/L按照苦咸水反滲透設(shè)計(jì);處理水含鹽量為20000～50000mg/L按照海水反滲透設(shè)計(jì);處理水含鹽量為50000～100000mg/L按照超高壓反滲透設(shè)計(jì)。

我公司將此工藝運(yùn)用在某化工企業(yè)零排放廢水項(xiàng)目中，并取得成功。流程圖見(jiàn)圖1。

一級(jí)反滲透系統(tǒng)采用低能耗高脫鹽的海水膜組合，回收率約87.5%，廢水一含鹽量約為5000mg/L，經(jīng)過(guò)一級(jí)反滲透系統(tǒng)處理，一級(jí)反滲透濃水含鹽量約為40000mg/L，使得濃水濃度與廢水二接近，濃縮后的廢水一可與廢水二混合后再進(jìn)行進(jìn)一步的濃縮、脫鹽。

濃水反滲透系統(tǒng)采用高產(chǎn)水低能耗的海水膜，回收率約50%，一級(jí)反滲透濃水和廢水二混合后含鹽量約為40000mg/L，經(jīng)過(guò)濃水反滲透系統(tǒng)處理，濃水反滲透濃水含鹽量約為80000mg/L。進(jìn)一步提高了反滲透濃水的濃度。同時(shí)因濃水反滲透系統(tǒng)運(yùn)行壓力較高，濃水反滲透系統(tǒng)濃水壓力達(dá)到50MPa以上，且流量較大，采用能量回收裝置將該部分能量回收利用，大大節(jié)省運(yùn)行成本。

提濃反滲透系統(tǒng)采用超高壓膜，超高壓膜為近兩年剛研究出運(yùn)用于高濃度廢水行業(yè)的新產(chǎn)品。運(yùn)行壓力可高至12.0Mpa，可進(jìn)一步將反滲透濃水濃縮至含鹽量145000mg/L后送至MVR裝置，回收率根據(jù)濃水含鹽量設(shè)計(jì)為35～45%。

二級(jí)反滲透系統(tǒng)處理濃水反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水，含鹽量約為800mg/L，按照TDS分離劃分法屬于常規(guī)反滲透，回收率約85%，采用高脫鹽低能耗的膜元件（可降低能耗30%，產(chǎn)水TDS比普通苦咸水膜降低40%），經(jīng)過(guò)二級(jí)反滲透系統(tǒng)處理，產(chǎn)水的含量量約為105mg/L。

二級(jí)反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水和一級(jí)反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水混合后采用終端反滲透系統(tǒng)進(jìn)一步處理作為工廠脫鹽水使用，含鹽量約為80mg/L，按照TDS分離劃分法屬于二級(jí)反滲透，回收率約90%，采用高脫鹽低能耗的膜元件（可降低能耗30%，產(chǎn)水TDS比普通苦咸水膜降低40%），終端反滲透產(chǎn)水含鹽量約為6us/cm，屬于較純凈的脫鹽水，滿足一般工廠的使用要求。

整個(gè)系統(tǒng)最終濃鹽水TDS為145000mg/L，為廢水一TDS指標(biāo)5000mg/L的29倍，相當(dāng)于濃縮了29倍，水量減量96.5%，僅剩3.5%左右。為廢水二45000mg/L的3.22倍，相當(dāng)于濃縮了3.22倍，水量減量70%，僅剩30%左右。最終濃鹽水進(jìn)入MVI工序進(jìn)一步蒸發(fā)結(jié)晶，與原有工藝比較，本系統(tǒng)MVI工序的處理水量?jī)H為原有工藝的55%，大大降低了MVI工序的投資成本，由于MVI的能耗較高，運(yùn)行成本較高。也降低了系統(tǒng)的整理運(yùn)行成本。同時(shí)MVI蒸發(fā)結(jié)晶的產(chǎn)物作為工業(yè)產(chǎn)品也創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)本次反滲透多級(jí)濃縮工藝在零排放水處理項(xiàng)目中的應(yīng)用工程，確認(rèn)了反滲透多級(jí)濃縮工藝在零排放系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。（2）在廢水含鹽量約5000mg/L，濃鹽水減量96.5%，僅剩3.5%。大大減少了后續(xù)濃鹽水固化設(shè)備的規(guī)模，進(jìn)而大幅降低固化設(shè)備投資。（3）能量回收裝置的運(yùn)用，作為新設(shè)備的使用運(yùn)用推廣，響應(yīng)了國(guó)家對(duì)技術(shù)創(chuàng)新等的要求，成為新的行業(yè)發(fā)展的方向和標(biāo)桿。同時(shí)運(yùn)用能量回收裝置，大大節(jié)省運(yùn)行成本。（4）超高壓反滲透膜作為一個(gè)新產(chǎn)品的使用運(yùn)用推廣，也響應(yīng)了國(guó)家對(duì)技術(shù)創(chuàng)新等的要求，成為新的行業(yè)發(fā)展的方向和標(biāo)桿。（5）最終濃鹽水TDS達(dá)145000mg/L，有利于后續(xù)MVR回收。且蒸發(fā)結(jié)晶后的產(chǎn)物作為工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)造了價(jià)值。（6）最終的反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水為6us/cm，作為脫鹽水提供企業(yè)使用，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。（7）將濃鹽水引入膜裝置進(jìn)行減量處理前，應(yīng)首先進(jìn)行濃鹽水水質(zhì)檢測(cè)，選擇合適的預(yù)處理工藝，其次通過(guò)難溶鹽溶解度的計(jì)算，確定濃鹽水的必須軟化程度并選擇合適的軟化方法，以去除濃鹽水中的結(jié)垢離子，避免其在膜上結(jié)垢。

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