膜蒸餾技術(shù)在高含鹽廢水中的應(yīng)用

張 營(yíng)

(南京中衡元環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 南京 211200)

我國(guó)水資源人均占有量?jī)H為世界人均的1/4，世界排名第109位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年廢水的排放總量達(dá)365億m3，大部分江河湖泊都受到嚴(yán)重污染[1-2]，這一狀況加劇了水資源緊缺的危機(jī)。盡管國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)特別是水環(huán)境保護(hù)日益重視，大量的水污染防治新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但對(duì)于化工、制藥、石油、焦化等行業(yè)排出的工業(yè)廢水以及高鹽度廢水等的達(dá)標(biāo)處理仍然是擺在環(huán)境保護(hù)工作中的一道難題。其中含鹽廢水是較難處理的廢水之一，高鹽度有機(jī)廢水是指含有機(jī)物和至少3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的總?cè)芙庑怨腆w物的廢水[3-5]。含鹽廢水成分復(fù)雜又不具備回收價(jià)值，因此，高鹽度廢水的處理成為當(dāng)前化工廢水處理的難點(diǎn)之一。

隨著膜分離技術(shù)的快速發(fā)展，反滲透技術(shù)(RO)逐漸成為石油煉制、電力、化工、冶金等行業(yè)純水制備的首選技術(shù)。但受反滲透膜污染、結(jié)垢等因素的限制，反滲透技術(shù)的產(chǎn)水率一般僅能達(dá)到75%左右，仍有25%的高鹽度廢水需要排放[6-8]。為了降低RO濃排水水量，提高系統(tǒng)產(chǎn)水率，實(shí)現(xiàn)零排放目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外研究人員做了大量的工作，但效果均不理想。

本文介紹了一套膜蒸餾組合系統(tǒng)，其核心膜材料為NACE膜，該材料對(duì)于水中溶解性固體具有很好的分離功能，該膜具有非常獨(dú)特的親水性，僅允許水分子通過(guò)，而其他離子無(wú)法通過(guò)。該技術(shù)是一項(xiàng)新型水處理技術(shù)，它以溫度差作為分離驅(qū)動(dòng)力，完美地將反滲透和蒸餾技術(shù)的最佳屬性結(jié)合為一體，同時(shí)又避開了以上兩種技術(shù)的缺陷，具有運(yùn)行成本低、抗污染性強(qiáng)、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1 工藝原理

膜蒸餾是膜技術(shù)與蒸餾過(guò)程相結(jié)合的分離過(guò)程。研究人員在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)NACE膜材料對(duì)水中溶解性固體具有非常良好的分離功能，進(jìn)而將其應(yīng)用領(lǐng)域拓展為廢水中無(wú)機(jī)鹽類和有機(jī)物的去除[9]。膜蒸餾采用的NACE膜具有一個(gè)非常獨(dú)特的性質(zhì)，僅允許水分子通過(guò)，而其他離子無(wú)法通過(guò)。該膜材料主要成分是一種有機(jī)/無(wú)機(jī)混合磺化的苯乙烯聚合物，由親水區(qū)和疏水區(qū)交替構(gòu)成，是一種高分子聚合物無(wú)孔化學(xué)隔膜。親水區(qū)形成的酸性通道可以迅速吸收和釋放水分子，形成一條從聚合物一面貫穿到另一面的僅允許水分子快速通過(guò)的通道；疏水區(qū)為膜材料提供強(qiáng)度保證，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。

NACE膜的特性主要包括：?高選擇性：僅允許水分子通過(guò)；?高膜通量：處理量大；?高密閉性：全封閉結(jié)構(gòu)；?低投入：運(yùn)行費(fèi)用低；?高品質(zhì)的出水：直接回用。

在膜組件中，NACE膜材料的一側(cè)與熱的待處理廢水直接接觸(稱為熱側(cè))，另一側(cè)直接或間接地與冷介質(zhì)接觸(稱為冷側(cè))，熱側(cè)中的液相水在膜面處擴(kuò)散并在冷側(cè)汽化，水蒸氣通過(guò)和冷介質(zhì)的熱交換被冷凝成液相，廢水中其他組分則被NACE膜材料阻擋在熱側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)廢水中污染物的分離。這一過(guò)程同時(shí)包括了熱量和質(zhì)量的傳遞，傳質(zhì)的推動(dòng)力為冷、熱兩側(cè)水的蒸氣壓差。

2 工藝說(shuō)明

2.1 工藝流程

膜蒸餾組合系統(tǒng)主要由進(jìn)料單元、預(yù)處理單元、加熱單元、膜蒸發(fā)器單元、蒸發(fā)結(jié)晶單元、冷凝出水單元以及相關(guān)附屬設(shè)備組成，核心設(shè)備為膜組件。高含鹽廢水的試驗(yàn)設(shè)備工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

2.1.1 預(yù)處理單元

預(yù)處理單元以去除細(xì)小顆粒和懸浮物質(zhì)為目的，來(lái)滿足后續(xù)膜蒸發(fā)器進(jìn)水的要求。預(yù)處理裝置采用保安過(guò)濾器，進(jìn)水槽通過(guò)隔膜計(jì)量泵泵入保安過(guò)濾器，處理量為0.5m3/h，共計(jì)1臺(tái)。

2.1.2 加熱單元

保安過(guò)濾器出水進(jìn)入中間貯槽，中間貯槽有效容積為1m3，超高為0.2m。加熱設(shè)備采用蒸氣盤管加熱，蒸氣盤管置于中間貯槽內(nèi)部，熱源為廠內(nèi)蒸氣。

2.1.3 膜蒸發(fā)器單元

膜蒸發(fā)器為國(guó)外進(jìn)口成套設(shè)備，由蜘蛛形支撐結(jié)構(gòu)、壓板、膜片子組件和壓縮桿4個(gè)部分組成。每臺(tái)設(shè)備包含空氣排放口、水蒸氣出口、廢水出入口和傳感器接入口。膜蒸發(fā)器進(jìn)口壓力要求小于13kPa，前端通過(guò)設(shè)置回路和閥門調(diào)節(jié)。

含鹽廢水首先進(jìn)行預(yù)處理，去除來(lái)水中的懸浮物(大于20μm)，避免對(duì)后續(xù)工藝的正常運(yùn)行造成影響，同時(shí)對(duì)來(lái)水進(jìn)行升溫。經(jīng)預(yù)處理后的廢水進(jìn)入膜蒸發(fā)器模塊內(nèi)，利用真空泵抽取膜組件冷側(cè)的真空，形成冷、熱兩側(cè)水的蒸氣壓差，熱側(cè)的液相水在膜面汽化轉(zhuǎn)移至冷側(cè)，以水蒸氣的形式存在。水蒸氣經(jīng)冷凝后轉(zhuǎn)化為液相純凈水，利用清水泵導(dǎo)出處理系統(tǒng)。隨著含鹽廢水的不斷流入，膜蒸發(fā)器模塊內(nèi)廢水的污染物濃度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)停止工作，將濃縮廢液排出系統(tǒng)中，系統(tǒng)開始下一批次工作。

2.1.4 蒸發(fā)結(jié)晶裝置單元

本項(xiàng)目中蒸發(fā)結(jié)晶裝置采用單效降膜蒸發(fā)器，由換熱器、分離器、冷凝器、進(jìn)料泵、出料泵、真空泵以及配套管路閥門組成。

其工作流程為：膜蒸發(fā)器排出的濃液在進(jìn)料泵的作用下進(jìn)入蒸發(fā)室內(nèi)；物料在加熱室內(nèi)均勻地在加熱管內(nèi)壁從下而上流動(dòng)，同時(shí)被加熱至物料沸騰狀態(tài)，加熱后水進(jìn)入分離室完成氣、液分離，物料達(dá)到一定濃度后，母液由分離器下出料口的出料泵析出，由離心機(jī)固液分離得到鹽結(jié)晶物，母液繼續(xù)返回系統(tǒng)蒸發(fā)。分離器產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝后由冷凝水罐收集；不凝性氣體經(jīng)真空泵抽取，全系統(tǒng)使用1臺(tái)真空泵，通過(guò)管路及閥門控制真空度。加熱器、分離室的壓力由冷凝水罐串聯(lián)的冷凝器進(jìn)行控制。

2.2 工藝特點(diǎn)

膜蒸餾工藝是一項(xiàng)新型水處理技術(shù)，它以溫度差作為分離驅(qū)動(dòng)力，將反滲透和蒸餾技術(shù)的最佳屬性結(jié)為一體，同時(shí)又避開了以上兩種技術(shù)的缺陷，具有運(yùn)行成本低、抗污染性強(qiáng)、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。主要特點(diǎn)如下：

a.處理效果穩(wěn)定，出水直接回用，可實(shí)現(xiàn)零排放。膜蒸餾系統(tǒng)對(duì)水中無(wú)機(jī)鹽的去除率可以達(dá)到90%以上，能夠獲得高品質(zhì)的出水，同時(shí)最大限度地減少濃排水的最終排放量。

b.充分利用余熱，形成運(yùn)行成本的優(yōu)勢(shì)。由于企業(yè)在生產(chǎn)的過(guò)程中有著豐富的余熱，而膜蒸餾技術(shù)的分離驅(qū)動(dòng)力為溫度差，因此可以和企業(yè)生產(chǎn)緊密銜接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)余熱資源的有效利用。通過(guò)“膜蒸餾”系統(tǒng)中熱量回收單元，最大限度地降低系統(tǒng)能耗，并且動(dòng)力設(shè)備少，可節(jié)約大量的電能。

c.系統(tǒng)運(yùn)行簡(jiǎn)單，無(wú)須復(fù)雜的前后處理及維護(hù)。膜蒸餾系統(tǒng)沒有較多的運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，配置靈活，可根據(jù)用戶需要按使用點(diǎn)進(jìn)行組裝。

d.系統(tǒng)穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。膜蒸餾系統(tǒng)所采用的膜是一種高分子聚合物無(wú)孔化學(xué)隔膜，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。

3 處理效果

經(jīng)過(guò)探究進(jìn)水鹽濃度、進(jìn)料溫度、膜面流速、真空度對(duì)工藝參數(shù)的影響，找出最優(yōu)工藝條件后，將膜蒸餾與蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，并對(duì)最終冷凝水(包含膜蒸餾和蒸發(fā)兩部分)水質(zhì)和產(chǎn)水率進(jìn)行檢測(cè)分析，分析結(jié)果如下：

當(dāng)進(jìn)水含鹽量在49000mg/L時(shí)，該套膜蒸餾和蒸發(fā)結(jié)晶兩部分產(chǎn)水情況為膜蒸餾產(chǎn)水率不小于60%，含鹽量不大于300mg/L，蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)水率不小于90%，含鹽量不大于800mg/L，兩股產(chǎn)水混合后含鹽量不大于350mg/L，脫鹽率達(dá)到99%，回用水回收率達(dá)到92%。由此可以看出，該套膜蒸餾設(shè)備對(duì)高含鹽廢水有較好的處理效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決高含鹽廢水處理的難題，本文介紹了一套膜蒸餾系統(tǒng)，經(jīng)研究結(jié)果證實(shí)，該套膜蒸餾系統(tǒng)具有處理效果穩(wěn)定、能充分利用余熱、系統(tǒng)運(yùn)行簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使該套膜蒸餾系統(tǒng)具有推廣應(yīng)用價(jià)值，為膜蒸餾處理高含鹽廢水提供了又一具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍し蛛x技術(shù)，將高含鹽廢水中的水進(jìn)行回收利用，最大限度地降低高含鹽廢水對(duì)水環(huán)境造成的潛在危害，這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用到各行各業(yè)的高含鹽廢水處理領(lǐng)域中，發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)，為高含鹽廢水處理技術(shù)提供一個(gè)新的方向。