高效膜濃縮技術在廢水零排放系統中的重要作用探討

喻 珊，王思拓，傅凱文，王 濤

（新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338000）

引言

相較于傳統的熱蒸發后冷凍濃縮等技術，高效膜濃縮技術具有降低能耗、無污染等優點，而且該項技術在實際應用過程中，不會涉及到加熱或冷卻環節，因而不會產生廢水和廢氣等。另外，將該技術應用于廢水零排放系統中，除了可以將化工廢水全部回收以外，還能降低化工生產過程對環境污染造成的影響，從而實現經濟效益與環保效益的雙提升。在零排放系統中如何有效應用高效膜濃縮技術，是目前各相關人員需要重點考慮的問題。

1 高效膜濃縮工藝特點

高效膜濃縮工藝的特點具體表現在以下幾方面：①基于弱堿條件，當反滲透裝置處于運行狀態時，能夠更好地控制堿的消耗，提高氨氮的去除效果。②利用較高pH值的沖洗水對反滲透裝置進行清洗，不僅可以有效去除因有機物或硅沉淀所形成的污堵，還對有機物及微生物污染起到了一定的控制作用，從而降低了無機鹽與有機物混合后產生垢層的可能性。③調整反滲透系統的運行條件，以便相關人員可以更加簡單地進行操作。

長時間運行COD經過濃縮處理后，極易出現膜污堵等情況，有機物、生物沉淀對膜造成的污染需要經過一段時間，通常情況下，膜濃縮裝置連續運行時間超過4 h后，膜表面僅有少量有機物污染存在；針對該種情況，將適量強堿加入水中，能夠實現對pH值的靈活調節，并將pH值控制在10.5～11.8范圍內，再利用高pH值的水對膜表面進行大流量清洗，就能將有機物和膠體等物質從膜表面去除[1]。待沖洗結束后，加堿工序也要同步暫停，并提高水壓，使膜濃縮裝置重新投入運行。

上述操作即為高效膜濃縮技術應用，既有效控制了常規反滲透的生物污染、有機物等污染等問題，又能夠滿足堿性條件下反滲透裝置運行時降低堿消耗量的需求，從而進一步提高了氨氮的去除效果。在系統處于運行狀態下，進水COD若始終保持較低，此時可以控制加堿頻率，適當減少堿的投入量。當高效膜濃縮系統的回收率達到90%時，其化學清洗周期最少也不能低于3個月，基于上述設定條件，能夠保證反滲透系統運行更加穩定，從而實現從工藝源頭克服反滲透裝置易污染的難題，進而提高結垢的去除效果。

2 廢水零排放系統中高效膜濃縮技術的重要作用分析

為了實現廢水的零排放，目前主要采用物理或化學預處理方式，有效去除水中的懸浮物、膠體及結垢離子等，并利用膜處理工藝深度處理廢水，既能減少廢水量的產生，又能在蒸發結晶工藝支持下處理濃縮液，進而達到廢水零排放的目標，降低化工生產對生態環境的負面影響。通過對現階段化工企業廢水排放情況的調研與分析，普遍存在循環水系統的水質不符合標準規定的問題。如果廢水處理未達標，不僅會對水環境造成嚴重污染，也會威脅城市居民的身體健康。從化工企業角度分析，如果循環水系統的水質不符合規定標準，而且氯離子的含量明顯超標，在一定程度上也會腐蝕主機設備，直接影響系統運行的穩定性和可靠性。

基于上述情況，將高效膜濃縮技術應用于廢水零排放系統中，可以充分發揮該項技術在節能與環保方面的優勢，將廢水全部回收，從而解決了傳統工藝流程中一直存在的反滲透裝置污染及結垢嚴重的問題。

以高效膜濃縮技術為支撐的廢水零排放系統，除了能夠有效減少能耗以外，還能夠幫助企業更好地控制成本和系統運行費用，進而真正實現廢水的零排放。

3 高效膜濃縮技術在廢水零排放系統中的具體應用

本文以某化工企業廢水排放為例，其中原水處理、化學水脫鹽系統、提濃系統、污水處理系統等均是該化工企業內部現有的水系統，由于水回用系統無法保證可以正常投入使用，促使循環排污水僅能通過生化系統排入循環水系統，并隨著時間的推移，形成閉環的廢水排放循環，導致循環水系統中水質未達到規定標準，尤其是水中氯離子含量最高達到mg/L，對相關設備有著極為嚴重的腐蝕影響。此外，該化工企業現有的化工水系統的濃水，雖然經過反滲透進行了一定的減量處理，但也會因濃縮倍率未達到預期設計標準而剩余大量濃鹽水，僅能將其用于降塵作業中，難以實現廢水的零排放。

綜合考慮上述情況，需要對內部現有的生化系統進行重新設計，并結合實際情況，合理引入高效膜濃縮技術，詳細制定生化系統改造方案，對生化的產水及化學水系統的濃水做更進一步地處理，以減少循環冷卻水中鹽分的含量，為循環冷卻水系統的穩定運行提供基礎保障。同時，還可以利用高pH值對生物污染的抑制作用，使水中含有的微生物、有機物可以在高pH值運行條件下逐漸被乳化或皂化，避免在膜表面附著，解決了嚴重的結垢問題，切實提高了化工企業整個水處理系統的運行水平，從而真正實現了廠區生產廢水的零排放。

3.1 零排放系統的工藝流程設計

重新評估現有水系統的運行情況，以實現廢水零排放為目標，合理設計進水和出水的水量水質表，目的是待水系統改造完成后，其水質完全符合規定標準，實現化工生產全過程的廢水零排放。本項目通過結合實際情況，設計并明確了零排放系統的工藝流程，具體包括以下方面。

（1）將前端的生化出水、化學水系統濃水及零排放系統反洗廢水、再生廢水、污泥脫水濾液等進行混合處理，并排入高密池，將燒堿、碳酸鈉適量投入水中，以達到有效除堿除硬的目的，從而將總硬度控制在100 mg/L范圍內，且二氧化硅不超過15 mg/L。

（2）出水經過軟化與澄清處理后，將其排入多介質過濾器中，再以過濾的方式，將出水濁度降至要求的范圍內（＜2 NTU）。

（3）利用弱酸陽離子樹脂去除過濾水中的所有硬度，使出水總硬度不超過1 mg/L。當弱酸陽離子交換后，采用加酸的方式調節pH值，并借助鼓風脫碳器將水中的堿直接脫除，從而有效降低CO2的含量，將其穩定控制在5 mg/L范圍內。

（4）待一定堿度通過脫碳器進行去除處理后，將出水進入超濾系統轉為反滲透的前端處理，可以有效避免出水SDI＞3的情況出現[2]。

（5）當出水通過超濾裝置后，由高效膜濃縮系統進行接收，待膜濃縮裝置連續運行，且運行時間達到規定要求后，即

4～8 h以內，可將適量強堿加入進水中，使進水的pH值提升至要求的范圍內，即10.3～10.8。同時以大流量的方式，使用較高pH值的進水沖洗膜表面15 min，待沖洗結束后，沖洗水將重新進入膜濃縮裝置的進水箱，此時加堿工序也會暫停，通過加大水壓，讓膜濃縮裝置再次投入運行狀態。

（6）在通常情況下，前端濃縮處理完成后，可選擇以熱法蒸發結晶的方式實現高鹽廢水的零排放。在原有系統結構上增添降膜蒸發器、強制循環結晶器等裝置，目的是待濃縮倍數達到標準要求后，通過脫水機將結晶器的部分料液進行加壓處理，待提濃后再進入離心脫水機，當濾液從脫水機中排出后，會直接返回結晶器內，并將脫水后的結晶鹽進行統一處理。

（7）利用除霧器處理結晶器產生的二次蒸汽，并進入相應設備中完成冷凝處理，再由蒸餾水箱接收冷凝水以及結晶器的冷凝液，根據具體需求選擇換熱降溫或進一步處理等方式，以達到廢水零排放的目的[3]。常溫結晶是傳統反滲透系統濃水處理過程中的常見情況，在廢水零排放系統中有效應用高效膜濃縮技術，可以彌補傳統反滲透系統存在的不足，如預處理藥劑使用量過多，通過充分發揮高效膜濃縮的技術優勢，解決濃水中鹽溶解難度大的問題，從而進一步提升水的回收率。進水水量水質設計標準參考表1。

表1 進水水量水質設計標準

3.2 系統設計

3.2.1 高密池裝置的設計

高密池裝置的設計是以循環、污泥混凝、斜管分離以及濃縮等科學理論為依據，形成高密度沉淀池工藝，并基于現有水系統的改造，對其水力和結構進行重新設計，以彌補傳統沉淀工藝存在的不足，從而將泥水分離與污泥濃縮兩個環節緊密銜接在一起，再由反應區和澄清區兩個單元共同支撐新沉淀工藝的運作。高密池裝置設計的參數參考表2。

表2 高密池裝置設計參數

3.2.2 多介質過濾器設計

無煙煤、石英石是多介質過濾器中所使用的過濾介質，將其添加在零排放系統中，可以有效去除水中殘留的懸浮雜質，使水澄清達到規定標準，并提前做好超濾處理準備，進而將出水濁度控制在2 NTU以內。

3.2.3 弱酸陽床設計

為了實現廢水零排放的目標，可以將弱酸陽離子樹脂應用于該系統的改造中，發揮弱酸陽離子樹脂的除硬優勢，再利用其交換容量較大且能再生的特性，在滿足水中所有硬度得到有效去除的需求同時，借助化學藥品將使用過一段時間的樹脂進行再生處理，在發生離子交換反應后，使樹脂基團在短時間內盡快恢復，從而進一步提升弱酸陽離子樹脂的可利用價值，最大程度地節約處理成本。

3.2.4 超濾裝置及反滲透裝置的設計

超濾系統是支撐反滲透裝置功能作用發揮的重要基礎，對DOW聚偏氟乙烯中的空纖維膜絲具，采用外壓式結構，增強系統的截污能力，并擴大了過濾面積。該系統也屬于去除高鹽廢水中懸浮物、硬度、硅或有機物的預處理環節，通過結合實際情況和廢水零排放的具體要求，合理設計超濾裝置，可以提高出水中硅與硬度的去除效果，從而進一步減少該環節中不必要的能耗[4]。

反滲透裝置：由于受到來水COD及其他雜質的影響，傳統UF/RO系統無法一直保持較高的回收率，針對此種情況，以高效膜濃縮技術為依托，對現有系統進行改造，以進一步提升系統的回收率。零排放系統工藝流程中涉及使用的反滲透裝置，相較于傳統反滲透濃縮工藝，具有運行穩定、成本投入少以及占地空間較小等優點，其中軟化與除硬、二氧化碳去除以及反滲透是高效反滲透裝置的3個核心步驟，利用弱酸陽離子樹脂可以深度去除廢水的硬度，并能將出水硬度控制在規定要求范圍內，從而降低因硬度產生或去除不及時而出現結垢情況的概率，并提高系統的運行水平，實現廢水回收率達到90%以上的目標。系統在高pH值的條件下運行，能夠減少有機物、微生物污染，增強系統運行的能量，并延長膜的使用期限，從而進一步節約了成本。

3.3 不同裝置的實際運行現狀

通過記錄系統改造完成后不同裝置的運行情況，可以調試方式掌握不同裝置的運行情況及性能數據，具體包括以下幾個方面。

（1）高效膜濃縮技術的應用，不僅使反滲透回收率得到明顯提升，脫鹽效果也十分可觀，脫鹽率最高可達到97%，其中水回收率也超過了預期90%的設計標準。

（2）結合性能數據，反滲透膜系統運行狀態一直處于相對穩定的狀態，將反滲透進水的酸堿值控制在規定要求范圍內，不僅使產水水量、質量完全達到規定指標，也有效減少了結垢問題的發生。

為了提升整個系統的運行效率和質量，工作人員還要結合實際情況，做好反滲透系統中的平均膜通量（GFD）和膜數量計算，以便更好地控制廢水零排放系統的運行成本，實現經濟效益的最大化。計算公式如下：

通常情況下根據各膜廠家通用平均膜通量導則進行計算，1 GFD=1.698 LMH（GFD為英制膜通量單位，LMH為公制膜通量單位）。在廢水零排放系統中，一級反滲透進水經過超濾處理后，此時系統平均膜通量不會超過30.6 LMH。二級反滲透進入經過超濾和一級反滲透處理后，此時系統的平均膜通量不會超過50.9 LMH。例如，一級反滲透出水量為83.3 m3/h，膜面積確定為400 Ft2（37.16 m2）的反滲透膜；一級反滲透出水量為73.3 m3/h，膜面積確定為400 Ft2（37.16 m2）的反滲透膜。計算過程如下：

在明確一級反滲透出水量情況的前提下，如果反滲透系統設計膜的數量未達到規定要求，說明廢水零排放系統中的平均膜通量與膜廠家的反滲透膜通量導則要求不一致，則需要重新調整反滲透膜系統，避免影響廢水零排放系統工藝的正常運行。

（3）該系統在運行期間，通過高效膜濃縮技術，能夠控制水中的鈣、鎂、鐵等二價及三價金屬離子的結垢問題，以燒堿、純堿軟化及離子交換等方式直接去除水中的硬度和堿度，降低因硬度產生或去除不及時而出現結垢情況的概率，并提高系統的運行水平，使廢水的回收率達到90%以上[5]。

（4）因二氧化硅得到有效控制，可以通過高效澄清池去除進水中的一部分二氧化硅，并將少量阻垢劑加入反滲透入口處，實現對硅污染的針對性控制，同時對鈣鎂垢的產生也能起到一定的抑制作用。

（5）有機物、微生物等能夠得到有效控制，進水中雖然仍然會有一定量的COD存在，但基于高pH條件下運行，在反滲透裝置中的有機物污染問題得到有效控制的同時，也能使反滲透的段間壓差更趨于穩定，從而減少懸浮物的出現，避免有機物沉淀造成嚴重的污堵問題。

4 結語

綜上所述，高效膜濃縮技術是以多項工藝集成為依托，將其應用于廢水排放和處理中，不僅可以有效提升廢水的處理效果，還能夠保證系統更加穩定地運行，從而保證出水水質完全達到或優于規定標準，真正解決了原有水系統存在的循環冷卻水中鹽分過量積累的問題，使整個水處理系統的運行狀態得到有效改善，進而實現了廢水零排放的目標，在一定程度上為我國環境治理工作的可持續開展提供了助力。