高效反滲透工藝在化工廠廢水零排放中的應(yīng)用

摘 要：在化工廠廢水零排放的過程中，通常利用增強(qiáng)型澄清池有效去除廢水中的懸浮物、重金屬及初步分解有機(jī)物，并將高效反滲透工藝作為核心技術(shù)，利用其高精度的過濾膜，精準(zhǔn)攔截并去除廢水中殘留的溶解性有機(jī)物、鹽類及微生物，保證出水水質(zhì)遠(yuǎn)超排放標(biāo)準(zhǔn)。此過程不僅能大幅提升廢水的凈化效率，還能實(shí)現(xiàn)水資源的深度回收與再利用，最終將處理后的清水用于生產(chǎn)系統(tǒng)或作為其他工業(yè)用水，形成完整的閉路循環(huán)系統(tǒng)，成功達(dá)到化工廠廢水零排放的目標(biāo)。在應(yīng)用結(jié)果中，整體淡水回收率穩(wěn)定在92%～95%，遠(yuǎn)超預(yù)設(shè)的90%，不僅滿足了設(shè)計(jì)要求，還顯示了高效反滲透工藝在廢水零排放領(lǐng)域的潛力和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高效反滲透；化工廠；廢水零排放；中空纖維膜；淡水回收率

中圖分類號(hào)：X 77 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

化工廠作為工業(yè)廢水的主要產(chǎn)生源之一，通常富含高密度的有機(jī)化合物、無機(jī)礦物質(zhì)以及重金屬等有害雜質(zhì)，直接排放不僅嚴(yán)重污染水體，還威脅生態(tài)系統(tǒng)的健康與人類的生存環(huán)境。因此，研究化工廠廢水的零排放技術(shù)，對(duì)保護(hù)水資源、促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要意義。高效反滲透工藝核心是利用半透膜的選擇性透過機(jī)制將廢水中的各類雜質(zhì)與水分離。當(dāng)廢水在高壓驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)這層特制的半透膜[1]時(shí)，膜上的微小孔徑只允許水分子及其部分小分子溶質(zhì)順利通過，而絕大多數(shù)的溶解性固體、有機(jī)物大分子、細(xì)菌、病毒乃至膠體微粒等，被有效截留在膜的一側(cè)，形成富含這些污染物的濃水[2]。這個(gè)過程不僅可以深度去除廢水中污染物，還可以提高出水的水質(zhì)，使其達(dá)到或接近自來水的標(biāo)準(zhǔn)，甚至在某些應(yīng)用中能夠產(chǎn)出滿足特定工業(yè)需求的超純水。同時(shí)，被截留的濃水雖然富含污染物，但也有資源化再利用的可能性，如果通過進(jìn)一步的蒸發(fā)結(jié)晶、離子交換或生物處理等手段，就可以從中回收有價(jià)值的鹽類、重金屬或能源物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)廢水的資源化再利用。

1 工程概況

本工程主要是處理某化工廠產(chǎn)生的高濃度反滲透濃水及微量酸堿廢液。項(xiàng)目中的廢水水質(zhì)見表1。

本研究采用先進(jìn)的高效反滲透技術(shù)，有效截留并濃縮這些高難度廢水中的有害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)廢水近零排放，同時(shí)回收部分水資源。

2 利用高效反滲透工藝設(shè)計(jì)化工廠廢水零排放

2.1 預(yù)處理化工廠廢水

在化工廠廢水預(yù)處理中，需要設(shè)計(jì)高效的三級(jí)處理流程，旨在從源頭減少污染，保證后續(xù)處理工藝的高效穩(wěn)定運(yùn)行。首先，采用耐腐蝕的玻璃鋼材質(zhì)構(gòu)建兩座增強(qiáng)型澄清池（圖1），每座有50m3/h的處理能力。這些澄清池集成了快速混合區(qū)、精密絮凝區(qū)及高效沉淀區(qū)，特別是在沉淀區(qū)內(nèi)配置了自動(dòng)刮泥裝置，可以有效分離固液。部分沉淀污泥通過循環(huán)泵回流至絮凝區(qū)，其作為生物載體可以加速絮體形成。剩余污泥則經(jīng)污泥泵送入壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離，最終干化處置，減少了環(huán)境污染。

其次，配置四臺(tái)大容量的石英砂過濾器，每臺(tái)設(shè)計(jì)處理量為30m3/h，將工作壓力控制在0.5MPa以下，保障過濾過程安全。這些過濾器采用先進(jìn)的自動(dòng)反沖洗系統(tǒng)，包括兩臺(tái)主用、兩臺(tái)備用的反洗水泵（總出力達(dá)到200m3/h）以及專門的超濾反洗裝置[3]，用氣水聯(lián)合方式對(duì)其進(jìn)行定期清洗，保持過濾介質(zhì)清潔，延長使用壽命。石英砂過濾器的經(jīng)濟(jì)性與易維護(hù)性使其成為連接預(yù)處理與超濾環(huán)節(jié)的優(yōu)選方案。

最后，設(shè)置兩套并聯(lián)運(yùn)行的超濾裝置，每套處理能力達(dá)到40m3/h，可以靈活應(yīng)對(duì)不同處理需求。在超濾前增設(shè)高精度自清洗保安過濾器，專門攔截大于50μm的顆粒雜質(zhì)，保護(hù)超濾膜免受損傷。該保安過濾器設(shè)定了智能反洗邏輯：累計(jì)過濾時(shí)間達(dá)到150min后自動(dòng)啟動(dòng)；進(jìn)出口壓差超過預(yù)設(shè)值0.04MPa時(shí)即時(shí)響應(yīng)。

2.2 利用高效反滲透工藝去除廢水中有機(jī)物

高效反滲透工藝不僅能夠有效截留并消除可溶性有機(jī)雜質(zhì)、膠體懸浮物、微生物細(xì)菌及潛在病毒等微小污染成分，還具備能耗低、處理效果穩(wěn)定、操作簡便等很多優(yōu)勢(shì)。高效反滲透工藝的核心是其高選擇性的半透膜，這種膜材料具有極小的孔徑，能夠允許水分子通過，絕大多數(shù)的有機(jī)物、鹽分以及各類雜質(zhì)均被高效反滲透膜層嚴(yán)密阻隔，使其無法穿越至膜的另一側(cè)。通過施加外部壓力，水分子被迫逆濃度梯度通過膜層，達(dá)到凈化目的，原理如圖2所示。

在去除有機(jī)物的過程中，通過調(diào)整操作壓力、溫度及pH等優(yōu)化操作條件，可以顯著提高膜通量及去除效率，降低膜污染風(fēng)險(xiǎn)。此外，結(jié)合混凝沉淀、活性炭吸附等預(yù)處理步驟，可以進(jìn)一步減輕膜負(fù)擔(dān)，延長膜的使用壽命，降低整體運(yùn)營成本。

在膜材料選擇與設(shè)計(jì)方面，高效反滲透工藝采用高效復(fù)合中空纖維膜，不僅能提高膜的抗污染性能，還能提高其對(duì)特定有機(jī)物的選擇性去除能力。這些膜材料通常具有更高的孔隙率[4]、更優(yōu)異的親水性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在惡劣的廢水環(huán)境中保持高效穩(wěn)定運(yùn)行。更重要的是，高效反滲透工藝在去除有機(jī)物的同時(shí)，還能對(duì)水資源進(jìn)行回收利用。

2.3 實(shí)現(xiàn)化工廠廢水零排放

為達(dá)到化工廠廢水零排放的目標(biāo)，在上述預(yù)處理和去除有機(jī)物的基礎(chǔ)上，需要優(yōu)化一套綜合廢水處理工藝，該工藝深度融合“高效絮凝沉淀-精密過濾-深度離子交換-高效脫碳-反滲透濃縮與回用”技術(shù)鏈，如圖3所示。

接收來自去除有機(jī)物后的廢水后，利用大功率提升泵送入高效絮凝沉淀裝置，在此階段，引入聚合氯化鋁（PAC）作為混凝劑，同時(shí)輔以聚丙烯酰胺（PAM）作為助凝劑[5]，有效促進(jìn)廢水中不溶物與膠體物質(zhì)的絮凝與沉降，同時(shí)輔以適量氫氧化鈣調(diào)節(jié)，進(jìn)一步降低硬度。利用高精度濾材深度攔截剩余懸浮雜質(zhì)，可以保證出水清澈透明，進(jìn)入中間水池暫存。此階段出水經(jīng)多級(jí)離子交換柱處理，包括強(qiáng)堿陰離子與弱酸陽離子交換器，可以精準(zhǔn)去除殘留的離子雜質(zhì)，使水質(zhì)接近純水標(biāo)準(zhǔn)。采用脫碳技術(shù)可以有效去除水中溶解的二氧化碳，減少后續(xù)處理負(fù)擔(dān)。此時(shí)，處理水進(jìn)入高效反滲透系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備三套并聯(lián)運(yùn)行的一級(jí)兩段反滲透裝置，每套設(shè)計(jì)處理能力達(dá)到150m3/h，不僅能提高處理效率，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性與可靠性。后續(xù)可將反滲透產(chǎn)生的淡水直接用于化工生產(chǎn)或作為冷卻循環(huán)水，實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。

對(duì)工藝中產(chǎn)生的污泥、反洗水及再生廢水來說，可以采用污泥干化技術(shù)與廢水回用策略，將這些副產(chǎn)物收集并回注至調(diào)節(jié)池，形成閉路循環(huán)，保證無廢水外排。同時(shí)，高濃度反滲透濃水經(jīng)適當(dāng)處理后，可將其作為工藝用水或用于廠區(qū)綠化、道路清洗等非生產(chǎn)用水，真正實(shí)現(xiàn)廢水零排放的綠色生產(chǎn)模式。

3 高效反滲透工藝應(yīng)用

3.1 應(yīng)用準(zhǔn)備

在化工廠廢水零排放過程中應(yīng)用高效反滲透工藝，需要以下準(zhǔn)備。化學(xué)藥劑：Ca（OH）2懸浮液，濃度為95%，增強(qiáng)預(yù)處理效果。PAC混凝劑：濃度為15%，可以提高絮凝能力。PAM高分子絮凝劑：濃度達(dá)到5%，可以強(qiáng)化沉降。輔以36%的HCl與98%的H2SO4，精確調(diào)節(jié)pH，高純度NaCl，保證水質(zhì)純凈。

實(shí)驗(yàn)室配備了先進(jìn)儀器設(shè)備，涵蓋水質(zhì)分析、光譜分析、材料表征及生化培養(yǎng)等多個(gè)領(lǐng)域，具體見表2。

本試驗(yàn)采用高效復(fù)合中空纖維膜，該膜具備高透氣性，可以顯著減少曝氣能耗，助力綠色節(jié)能。其表面設(shè)計(jì)獨(dú)特，可提高微生物附著力，促進(jìn)生物膜形成。膜體展現(xiàn)機(jī)械韌性優(yōu)異，可以有效抵御運(yùn)輸、安裝及長期運(yùn)行中的物理損傷。同時(shí)，其抗氧化性能優(yōu)異，能夠保證長期穩(wěn)定運(yùn)行，延長使用壽命，參數(shù)見表3。

構(gòu)建化工廠廢水處理試驗(yàn)裝置，如圖4所示，采用特制耐壓不銹鋼外殼，強(qiáng)化承壓能力，滿足高濃度廢水處理需求。各反應(yīng)室尺寸：長40cm、寬15cm、高25cm，總有效容積為8L，處理容量更大。

為避免短流現(xiàn)象，提高傳質(zhì)效率，須內(nèi)嵌高效混流裝置，均勻分布水流，因此引入智能變頻循環(huán)泵，根據(jù)水質(zhì)實(shí)時(shí)調(diào)整流速，增強(qiáng)處理效果?？諝夤┙o則采用精密流量控制儀，精確調(diào)節(jié)曝氣量，配合壓力傳感器監(jiān)測(cè)，保證操作精準(zhǔn)穩(wěn)定，為實(shí)現(xiàn)化工廠廢水零排放的目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該試驗(yàn)裝置進(jìn)出水流量及回收率的變化如圖5所示。

3.2 結(jié)果分析

由圖5可知，在一級(jí)處理階段，進(jìn)水流量在100m3/h～

105m3/h，可以有效保證處理量的充足與穩(wěn)定。同時(shí)，一級(jí)淡水產(chǎn)出量高達(dá)70m3/h～75 m3/h，展現(xiàn)了卓越的分離效率。進(jìn)入二級(jí)反滲透階段，淡水產(chǎn)量進(jìn)一步精細(xì)調(diào)控至25m3/h～

28 m3/h，而濃水排放量則精準(zhǔn)控制在4m3/h～7m3/h，可以最大程度利用資源，使排放量最小。最終，整體淡水回收率為92%～95%，遠(yuǎn)超預(yù)設(shè)目標(biāo)，不僅能滿足設(shè)計(jì)要求，還能展示高效反滲透工藝在廢水零排放領(lǐng)域的卓越潛力和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

在化工廠廢水零排放中應(yīng)用高效反滲透工藝，不僅能實(shí)現(xiàn)廢水的高效凈化與資源化利用的目標(biāo)，還能為化工行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展開辟新途徑。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與應(yīng)用的深入，高效反滲透工藝將在未來發(fā)揮更加重要的作用。

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