正滲透技術處理煤氣化廢水工藝條件研究

張玉榮，楊鴻鷹，張國輝，王麗莉

(1.陜西省工業水處理工程技術研究中心，陜西 西安 710054;2.陜西省石油化工研究設計院，陜西 西安 710054)

煤氣化廢水的主要處理工藝包括預處理、生化處理、多效蒸發以及分鹽結晶等，其中預處理主要包括沉淀、除油以及脫酚等。雖然有關技術已發展得較為成熟，不過應用較為廣泛的零排放處理工藝有著明顯的不足，穩定性差與能耗高等[1-2]。煤氣化廢水中普遍存在難以生化降解的有機物，例如酚類、烷烴類、芳香烴類、雜環類、氨氮和氰、砒啶、烷基吡啶以及焦油、異喹啉、喹啉、咔唑、聯苯、三聯苯等物質[3]。因資源制約(有煤無水)、環境容量、產品需求等因素煤氣化行業普遍受到制約，推進“近/零排放”，提高水資源回用率迫在眉睫。

正滲透是近年來才出現的一種技術，主要優勢是回收率高、污染小、能耗低等，具有更好的應用價值，不過現階段煤氣化廢水處理方面該技術的應用較為少見，有關研究也并不豐富[4-6]。本研究從TFC膜水通量與操作工藝的關系、汲取液的對比以及正滲透在煤氣化廢水零排放工藝中的技術優勢等方面進行了探究，為煤氣化廢水處理領域正滲透技術的應用提供一定的借鑒與參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

植酸鈉(PA-Na)、NaCl、NH4HCO3、MgSO4均為分析純；煤氣化廢水，取自陜西某煤化有限公司廢水系統，水質指標見表1。

表1 廢水水質指標

膜組件材質PMMA,外觀尺寸250 mm×230 mm×60 mm，有效尺寸130 mm×120 mm，模式AL-FS/AL-DS；正滲透膜為聚酰胺復合薄膜(TFC膜)；BT-100無極變速蠕動泵；DHJ-CS分析天平;FE38-Standard電導率儀。

1.2 實驗方法

正滲透(FO)測試設備由項目組研發訂制，實驗水樣調節至適宜pH值，并選取適宜汲取液，使用測試設備進行相關實驗。電導率儀與計算機連接，通過監測獲取料液質量數據，以此對水通量進行計算，對純水情況下原料液的電導率進行監測，根據監測所得數據,對鹽反射滲透通量進行計算，范圍為10～40 ℃可調。實驗時，如未作明確說明,正滲透膜均采用AL-FS模式，也就是原料液與膜活性層接觸。

實驗水樣調節適宜pH值后加入，同時進入系統的還有濃汲取液，待處理水和汲取液分處膜兩側，水由低鹽一側自然地向高鹽一側滲透，內部反復循環，汲取液被稀釋后連續排出，待處理水不斷被濃縮，直至達到目標回收率或實驗終點。

2 結果與討論

2.1 膜活性層朝向、膜面流速對FO膜性能影響

2.1.1 模式對水通量的影響 在10 cm/s膜面流速，25 ℃室溫與料液溫度兩模式下水通量見圖1。

圖1 不同模式下的水通量

由圖1可知，隨著時間的推移，水通量在兩模式下均有所降低，原因在于在時間推移的同時，原料液會不斷提高濃度，從而降低膜兩邊的滲透壓。AL-DS模式出現的主要是濃縮型內與稀釋型外濃差極化；AL-FS模式出現的主要是稀釋型內與濃縮型外濃差極化。膜兩邊料液主體在AL-DS與AL-FS模式下具有相同的濃度差，但前者水通量高于后者，可知后者濃差極化更為明顯，可以更好的降低滲透壓差。說明AL-FS模式為分離活性層朝向原料液，AL-DS模式為分離活性層朝向汲取液。

2.1.2 膜面流速對水通量的影響 不同膜面錯流流速下FO膜的水通量隨時間的變化見表2。

由表2可知，在AL-FS和AL-DS兩模式中，提高流速后均可增加膜通量，原因在于流速提高后，會降低滲透膜邊界厚度，對傳質起到了促進作用，使外濃差差化降低，并提高了有效推動力。在不斷提高流速的過程中，料液會更有效的完成交換，導致不斷提高膜內外濃差均值，從而最終提高水透過通量。

表2 不同膜面流速的水通量

由表2可知，AL-DS模式下有著更為明顯的濃差極化現象，同時水通量更高，且濃度變化更大。在流速提高后，兩模式相比而言，會受到更為明顯的影響，從5 cm/s的流速增至20 cm/s 流速的情形下，AL-DS與AL-FS分別平均提高了28.2%與29.1%的初始水通量，可見增加操作流速會明顯影響到水透過通量。

2.2 汲取液對水通量的影響

在選擇汲取液時，要綜合考慮可操作性、經濟性、鹽反滲透量以及水通量等因素，僅一味強調高滲透壓和高鹽截留率是不可行的[7-9]。鹽反滲透在實踐中很難有效避免，會導致汲取液濃度有所降低，進而會使實際滲透壓差低于理論值。PA-Na、NH4HCO3、MgSO4與NaCl 4種汲取液實驗結果見圖2。

圖2 不同汲取液時的水通量

由圖2可知，4種汲取液的水通量差別不是太顯著。為保持穩定的水通量，需要定時補充汲取液，基于經濟性角度而言，4種滲透液中最具優勢的是NaCl溶液；基于濃縮角度而言，在對NaCl與MgSO4進行濃縮時，反滲透技術的應用較為普遍，不過由于滲透壓過高,會提高MgSO4再濃縮時消耗的能量，所以MgSO4與NaCl比較來講并不具備優勢；如果在有可利用低質熱源的情況下，NH4HCO3可利用熱源分解而實現再濃縮，NH4HCO3具有較大的優勢；經過FO過程后的PA-Na汲取液,經過進一步稀釋,可直接用于食品或飼料工業，也可進行回收。

2.3 工藝路線推薦及技術優勢

反滲透濃縮液可直接進入正滲透工藝濃縮，無需過度預處理，不產生污泥等二次污染因素，系統可以正常穩定運行。同時，大幅提升水資源回用效率及減少蒸發結晶系統的投資及運維成本，降低蒸汽的消耗量。煤氣化廢水推薦處理工藝路線見圖3。

圖3 煤氣化廢水推薦處理工藝路線

正滲透工藝優勢及效益如下：(1)進水要求低，省去高密沉淀池、多介質過濾器及超濾等預處理系統，節省占地面積，減少污泥二次污染；(2)產水水質穩定，符合回用水標準，提高水回用效率；(3)相比傳統高壓反滲透工藝，提高水資源回用率50%；(4)運維成本低且運維難度低，智能化程度高；(5)濃縮液進一步減量，降低蒸發結晶器總投資及運行成本。

3 結論

采用正滲透(FO)技術對反滲透濃縮液進行濃縮，以反滲透濃鹽水為原料，飽和鹽水為汲取液，研究發現不同膜面朝向、膜面流速均對水通量有較明顯的影響；提高進料膜面錯流流速，水通量增加，流速提高對水通量影響更明顯。將汲取液選為工藝液體飽和鹽溶液，可以有效解決回收問題，有利于降低正滲透的能耗，豐富了正滲透技術的推廣應用思路。