中水回用RO濃水的零排放工藝比較及優(yōu)化研究

1、中水回用 RO 濃水的零排放工藝比較及優(yōu)化研究金可勇，胡鑒耿，金水玉，高從堦（杭州水處理技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，浙江 杭州 310012)摘 要：濃度在 0.1%6%中水回用 RO 濃水可用不同的零排放處理工藝來(lái)處理，其中 JED 型均相膜電滲析 + 低壓RO+MVR 組合工藝的投資最少、處理成本最低，水的回用率為 80%98%，達(dá)到零排放目的。如采用 JED 型均相膜電 滲析 + 低壓反滲析 +BPM2 型雙極膜組合工藝，雖然投資大一些，但能達(dá)到真正的零排放，不僅水可以回用，其中的鹽 也以酸與堿的形式回用，無(wú)廢鹽排放。研究組合具體實(shí)施的零排放案例，提出了不同鹽濃度的含鹽廢水的工藝通式，除 了可以對(duì)

2、中水回用 RO 濃水可以零排處理，也為其他高含鹽廢水的零排放工藝設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)參考。 關(guān)鍵詞：含鹽廢水；電滲析；組合工藝中圖分類號(hào)：TQ028.8；X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-3770(2015)01-0103-004目前，水資源的短缺和水體污染已嚴(yán)重制約了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和人民生活水平的提高， 解決水體污染問(wèn)題非常迫切。特別是印染、化肥、制 藥、化工、食品等過(guò)程由于要大量使用酸堿，故會(huì)產(chǎn) 生大量的含鹽廢水。這些廢水都由于含鹽的問(wèn)題，在 作中水回用時(shí)其回用率不會(huì)太高，一般都在 70%以 下，如何做到高回收率或零排放，其 RO 濃水的處理 工藝非常重要。根據(jù)國(guó)內(nèi)外

3、有關(guān)研究報(bào)道，近期發(fā)展起來(lái)的對(duì) 中水回用的 RO 濃水的零排放工藝主要有膜法與熱 法。熱法主要有多效蒸發(fā)、MVR 濃縮與蒸發(fā)等，適用 于含鹽比較高的廢水，如鹽濃度大于 10%的含鹽廢 水適合直接用熱法進(jìn)行處理，達(dá)到零排放目標(biāo)。膜法處理廢水在近幾年發(fā)展很快，包括對(duì)城市 生活污水、垃圾滲濾液、工業(yè)廢水等的處理都有大量 的報(bào)道，并且大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用也較多。而對(duì)于中水回 用 的 RO 濃水的處理，一般有超高壓反滲 透（DTRO）、電滲析（ED）、濃縮型 MVR、雙極膜法 等。通地對(duì)不同處理工藝進(jìn)行比較從中找出比較經(jīng) 濟(jì)的處理方案，以及對(duì)該方案進(jìn)行化設(shè)計(jì)。行了經(jīng)濟(jì)比較，分別對(duì)設(shè)備投資、運(yùn)行成本、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)

4、行了詳細(xì)的比較。為了能更準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)，用 5種方案與處理對(duì)比水樣：某 RO 濃水含氯化鈉 1.5%，20 t/h，需達(dá)到零排放要求（不考慮預(yù)處理），分析數(shù) 據(jù)。除了以上 5 種技術(shù)之外，另還有正滲透、膜蒸餾、自然蒸發(fā)、焚燒、多效蒸發(fā)、噴霧干燥等方法，但由于 其技術(shù)還沒(méi)達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用或能耗太高等原因，故不 列入本次討論。1.1 異相膜 ED+ 低壓 RO+MVR 制鹽本方案為目前比較常用的方案，RO 濃水經(jīng)異相 膜電滲析濃縮并淡化后，其濃水的濃度達(dá) 10%，水量 為 3 t/h 進(jìn)行 MVR 蒸發(fā)制鹽成固體鹽，電滲析淡水再 用低壓反滲透繼續(xù)淡化后回用，低壓反滲透濃水回到 電滲析，最終實(shí)現(xiàn)水回用

5、率為 80%98%（見(jiàn)圖1）。RO MVR Q¼ 20 t/h,1.5%0.3 t/h,100%3 t/h,0%17 t/h,0.01%異相膜 ED+ 低壓 RO+MVR 制鹽流程圖 1Fig.1 low diagram of salt manufacturing by heterogeneousmembrane ED + low-pressure RO + MVR不同零排放方案分別對(duì)目前代表不同技術(shù)的 5 種零排放方案進(jìn)11.2JED 型均相膜 ED+ 低壓 RO+MVR 制鹽本方案較前方案是把異相膜電滲析替換成 JED收稿日期：2014-06-21基金項(xiàng)目：國(guó)家 863 計(jì)劃項(xiàng)目

6、（2012AA03A608）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（20090517-2，201205019-7） 作者簡(jiǎn)介：金可勇（1974），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡婒?qū)動(dòng)膜；電子郵件：jkyjky ED¼½RO水處理技術(shù)第 41 卷 第 1 期104型均相膜電滲析，其過(guò)程為 RO 濃水經(jīng) JED 型均相膜電滲析濃縮并淡化后，其濃水的濃度為 15%20%，水 量為 2 t/h 進(jìn)行 MVR 蒸發(fā)制鹽成固體鹽，電滲析淡水 再用低壓反滲透繼續(xù)淡化后回用，低壓反滲透濃水回 到電滲析，最終實(shí)現(xiàn)水回用率 80%98%（見(jiàn)圖 2）。濃水進(jìn)入雙極膜系統(tǒng)制成酸堿，淡鹽水經(jīng)低壓 RO 淡化

7、后作為酸與堿的接收液，多余的淡水回用于生產(chǎn)，最終實(shí)現(xiàn)包括鹽在內(nèi)的全回用。不同濃度進(jìn)水零排放流程2針對(duì)鹽濃度為 1.5%10%原水或 RO 濃水進(jìn)行ROQQMVRQQQQQ20 t/h,1.5%0.3 t/h,100%零排放處理，根據(jù) JED 均相膜電滲析與低壓 RO 的性能，對(duì)濃度為（m，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示），水量（Q）進(jìn)2 t/h,0%行工藝設(shè)計(jì)以及物料平衡計(jì)算（見(jiàn)圖 6）。18 t/h,0.01%圖 2 JED 型均相膜 ED+ 低壓 RO+MVR 制鹽流程Fig.2 Flow diagram of salt manufacturing by JED homogeneous membrane

8、electrodialysis + low-pressure RO + MVR1.3超高壓反滲透(DTRO)+MVR 制鹽本方案是用超高壓反滲透直接濃縮 RO 濃水至15%送到 MVR 制鹽，淡水直接可以回用，過(guò)程比較 簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖 3）。RO MVR Q¼ 20 t/h,1.5%0.3 t/h,100%圖 6 不同濃度進(jìn)水零排放流程Fig.6 Flow diagram of zero discharge of influent water of different concentration其中，Q 1 為原水直接作為最終 15%濃水的流 量；Q 3 為初級(jí)濃水再進(jìn)入最終 15%濃水

9、的流量；Q4 為淡化水流量；Q 6 為淡化 ED 的 1 級(jí)淡化流量。2 t/h,0%18 t/h,0.01%圖 3 DTRO+MVR 制鹽流程Fig.3 Flow diagram of salt manufacturing by DTRO + MVR1.4濃縮型 MVR+ 制鹽 MVR本方案是用濃縮型 MVR 對(duì) RO 濃水進(jìn)行濃縮至15%再用制鹽型 MVR 進(jìn)行蒸發(fā)制鹽，過(guò)程也比較簡(jiǎn) 單（見(jiàn)圖 4）。討論33.1不同零排放方案的指標(biāo)比較根據(jù)不同的工程案例及設(shè)備投資，針對(duì)鹽濃度 為 1.5%，處理量為 20 t/h 的等處理 RO 濃水進(jìn)行了 包括投資在內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。計(jì)算基準(zhǔn)：電費(fèi)按 0

10、.6 元 /kWh，濃縮型 MVR 蒸 按 25 kWh/t 計(jì)，MVR 蒸發(fā)成鹽，按 50 kWh/t 計(jì)，折 百堿按 2 500 元 /t 計(jì)，折 30%酸按 150 元 /t 計(jì)，淡水 按 2 元 /t 計(jì)。所有 ED 膜壽命按 3 年計(jì)，雙極膜壽命按 2 年計(jì)，RO 膜壽命按 3 年計(jì)。比較結(jié)果見(jiàn)表 1。 從表 1 中可以看出，DTRO 與 MVR 直接蒸發(fā) 的方案由于投資太大或能耗太高，一般情況下不宜 采用。相對(duì)而言，用 ED 進(jìn)行預(yù)濃縮并用低壓 RO 淡 化，其投資與能耗都比較合理，均相膜 ED 比異相膜 ED 更經(jīng)濟(jì)。其原因?yàn)橄鄬?duì)異相膜而言均相膜的膜 電阻更低、致密性更高、可耐受

11、更的濃度差、電流效 率更高等優(yōu)勢(shì)。隨著均相膜技術(shù)日益成熟，性能會(huì)更好。隨著膜批量化生產(chǎn)，其生產(chǎn)成本將大幅下降。而雙極膜方案由于增加了雙極膜設(shè)備，故其投 資與能耗較均相膜 ED 都有大幅上升，但由于雙極RO MVR Q¼ 20 t/h,1.5%0.3 t/h,100%2 t/h,0%18 t/h,0.01%圖 4 濃縮型 MVR+ 制鹽 MVR 流程Fig.4 Flow diagram of concentrated MVR and salt manufacturing MVR1.5均相膜 ED+ 低壓 RO+BPM2 型雙極膜制酸堿 本方案中引入雙極膜技術(shù)（見(jiàn)圖 5），較其他方 案是

12、無(wú)需蒸發(fā)制鹽，而是用雙極膜把鹽制成酸堿回 用生產(chǎn)過(guò)程達(dá)到真正的零排放的目的。其過(guò)程為 RO 濃水經(jīng) JED 型均相膜電滲析濃縮并淡化后，其圖 5 均相膜 ED+ 低壓 RO+BPM2 型雙極膜制酸堿流程Fig.5 Flow diagram of acid and alkali manufacturing by homogeneous membrane ED + low-pressure RO + BPM2 bipolar membrane MVRDTROQQQEDQQRO金可勇等，中水回用 RO 濃水的零排放工藝比較及優(yōu)化研究105表 1 不同零排放方案的指標(biāo)比較數(shù)據(jù)Tab.1Indicato

13、rs of different zero-discharge plans編號(hào)不同方案異相膜均相膜雙極膜DTROMVRED投資 / 萬(wàn)元低壓 RO 投資 / 萬(wàn)元DTRO 投資 / 萬(wàn)元MVR 投資 / 萬(wàn)元 雙極膜投資 / 萬(wàn)元總投資 / 萬(wàn)元ED 耗電 /(kWh·h-1)低壓 RO 耗電 /(kWh·h-1) DTRO 耗電 /(kWh·h-1)MVR 耗電 /(kWh·h-1) 雙極膜耗電 /(kWh·h-1) 總耗電 /(kWh·h-1)平均換膜費(fèi)用 /(元·h-1)運(yùn)行成本(12)+(13)/(元·h-1

14、)產(chǎn)堿價(jià)值 /(元·h-1)產(chǎn)水價(jià)值 /(元·h-1)產(chǎn)品總價(jià)值 /(元·h-1)經(jīng)濟(jì)效益(18)-(14)/(元·h-1)經(jīng)濟(jì)效益 /(萬(wàn)元·a-1)00070007000006000600036004040-320-256160400050070080200042052012043250010510786012345678910111213141516171816030095029515020015003202021204040-172-1382003006503058020011002102214804040-108-8600900650

15、9600016011002708024204040-202-160膜能有回用的酸與堿產(chǎn)生，有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，基本上可以抵消包括換膜費(fèi)用在內(nèi)的運(yùn)行成本。相對(duì)其 他處理方案，包括均相膜 ED 方案都有較大的運(yùn)行 成本，而雙極膜方案的運(yùn)行成本被產(chǎn)生的酸堿所抵 消，故成為一個(gè)零成本處理方案，并且是個(gè)真正的零 排放方案。3.2不同濃度鹽水的均相膜 ED 處理方案的各個(gè) 參數(shù)及設(shè)備配置對(duì)流量為 10 t/h 的不同鹽水用圖 6 的處理流程 進(jìn)行處理，進(jìn)行了物料平衡計(jì)算與水平衡計(jì)算，并對(duì) 噸水處理總能耗、產(chǎn)噸淡水的能耗、所需尺寸為 600mm×1 200 mm 的 JED-5000 均相膜組器的臺(tái)

16、數(shù)計(jì)算見(jiàn)表 2。由表 2 可知，隨著鹽濃度的增加，噸水處理總能 耗、產(chǎn)噸淡水的能耗也隨著上升。其原因是由于鹽濃 度的增加，使需要透過(guò)膜的離子數(shù)也增加，但每噸原 水的處理能耗上升不明顯，每產(chǎn) 1 t 淡水的能耗上升 明顯一些。所需 JED-5000 的臺(tái)數(shù)隨著鹽濃度的上 升，所需的臺(tái)數(shù)也在增加，但濃度到了 7%8%時(shí)， 臺(tái)數(shù)達(dá)到最大值，其設(shè)備投資也達(dá)到最大值。鹽濃度繼續(xù)上升，所需 JED-5000 的臺(tái)數(shù)反而下降了，總投資也下降了，其原因是隨著鹽濃度的增大，Q1 即直 接作為 15%濃水的原水流量增大了，需要處理的原 水量減少所致。表 2 不同濃度鹽水的均相膜 ED 處理方案的各個(gè)參數(shù)Tab.2

17、 Parameters of homogeneous membrane ED treatment plans for saline water of different concentration濃度 /%Q1/(t·h-1)Q2/(t·h-1)Q3/(t·h-1)Q4/(t·h-1)Q5/(t·h-1)Q6/(t·h-1)總能耗 /(kWh·t-1)淡水能耗 /(kWh·t-1)ED臺(tái)數(shù)總投資 / 萬(wàn)元1.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.00

18、.02.63.010.07.47.01.01.51.412.512.011.611.110.6

19、6.05.06.88.09.110.311.412.613.714.816.017.118.319.420.621.722.824.025.12.05.55.2110140168193215235252266278287294298299298294287277265水處理技術(shù)第 41 卷 第 1 期1063.3 不同濃度方法組合工藝的經(jīng)濟(jì)性分析

20、原水濃度大于 1.5%的鹽水或 RO 濃水如果先 用海水膜 RO 濃縮至 3%與或 6%再用均相膜 ED 濃 縮至 15%，與直接用均相膜 ED 濃縮 15%的經(jīng)濟(jì)比 較。以鹽水濃度為 1.5%，流量為 40 t/h 的鹽水濃縮 至 15%進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較：1）直接用均相膜 ED 濃縮至 15%，設(shè)備總投資為 110×4440 萬(wàn)元，總能耗為 200 kWh/h；2）先用海水膜 RO 濃縮至 3%，濃水量為 20 t/h， 再用均相膜 ED 濃縮至 15%，投資為 20×8+193×2546萬(wàn)元，能耗為 20*3+71*2202 kWh。3）先用海水膜 RO 濃縮至

21、 6%，濃水量為 10 t/h， 再用均相膜 ED 濃縮至 15%，投資為 30×10+287587 萬(wàn)元，能耗為 30×3.6+93201 kWh。從以上分析可知，對(duì)于濃度大于 1.5%的鹽水 或 RO 濃水，如果采用海水膜 RO 進(jìn)行預(yù)濃縮后，再用均相膜 ED 繼續(xù)濃縮至 15%，并沒(méi)有節(jié)能，而投資 更高。故對(duì)于濃度大于 1.5%的鹽水或 RO 濃水宜直接采用均相膜 ED 進(jìn)行濃縮比較經(jīng)濟(jì)。而對(duì)于濃度低于 1.5%的鹽水，如果直接采用均 相膜 ED 濃縮，會(huì)存在濃差過(guò)大的原因，要采取多級(jí) 濃縮，其中的部分鹽會(huì)進(jìn)行重復(fù)透過(guò)膜而使其處理 量增大，能耗升高。故對(duì)于濃度低于 1

22、.5%的鹽水宜 采用普通 RO 進(jìn)行預(yù)濃縮至 1.5%以上更經(jīng)濟(jì)。3.4 雙極膜工藝的適用性分析如果采用雙極膜工藝，可以把鹽轉(zhuǎn)化成酸與堿， 回用于生產(chǎn)過(guò)程，而不需進(jìn)行 MVR 蒸發(fā)，也解決了固體鹽的處置問(wèn)題，達(dá)以真正的零排放。但雙極膜工 藝也有其局限性，如果要用雙極膜工藝首先要符合以 下 2 個(gè)條件：1）經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理后，鹽水的成分 要符合進(jìn)雙極膜要求，特別是多價(jià)金屬離子總含量要低 5 mg/L，避免生成難溶的氫氧化物。2）雙極膜生成的酸與堿要在生產(chǎn)工藝中可以循環(huán)使用，不然 又成為另一種排放物，失去雙極膜工藝的意義。對(duì)于符合以上 2 個(gè)條件的體系，可以使用雙極 膜方案對(duì)鹽水或 RO 濃水進(jìn)行

23、處理制成酸與堿。由 于其所產(chǎn)生的堿的經(jīng)濟(jì)價(jià)值隨著堿的價(jià)格的上升而 增加。也隨著技術(shù)的提高、電流效率的提高，其能耗 會(huì)繼續(xù)下降，酸堿濃度繼續(xù)提高，也會(huì)增加雙極膜工藝的適用范圍。目前由于雙極膜的產(chǎn)量比較小，其生 產(chǎn)成本相對(duì)較高，隨著雙極膜的批量生產(chǎn)，其生產(chǎn)成 本將會(huì)大幅下降，雙極膜工藝的設(shè)備投資也會(huì)大幅 下降，使雙極膜工藝的總體經(jīng)濟(jì)性大幅上升。結(jié)論4與其他零排放方案相比較，均相膜 ED+ 低壓RO+MVR，具有投資少、占地少、運(yùn)行成本低、壽命 長(zhǎng)、管理簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。與異相膜 ED 方案相比較，其 總體設(shè)備投資接近，但可節(jié)能 30%以上，隨著均相 膜的批量生產(chǎn)，其生產(chǎn)成本將大幅下降，在不久的將 來(lái)，均

24、相膜 ED 方案的總體投資也將大幅下降。由于 均相膜可以用強(qiáng)酸強(qiáng)堿清洗，故可以在線清洗，免除 了 ED 膜組器頻繁拆裝的麻煩。對(duì)于濃度低于 1.5%的鹽水或 RO 濃水，宜先用RO濃縮到 1.5%以上后再用均相膜 ED 濃縮至 15%20%。對(duì)于濃度大于 1.5%的鹽水或 RO 濃水，不適合 繼續(xù)用 RO 濃縮，宜直接用均相膜 ED 濃縮至 15%20%更經(jīng)濟(jì)。參考文獻(xiàn)：1 張維潤(rùn).電滲析工程學(xué)M.1 版.北京:科學(xué)出版社,1995.2 AJB 肯佩曼.雙極膜技術(shù)手冊(cè)M.1 版.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2004.COMPARISON AND OPTIMIZATION OF ZERO DISCH

25、ARGE PROCESSES FORTREATING RECLAIMED RO SALINITY WASTEWATERJin Keyong, Hu Jiangeng, Jin Shuiyu, Gao Congjie（Hangzhou Water Treatment Technology Development Center, Hangzhou 310012, China ）Abstract: Different zero discharge treatment processes can be used to treat reclaimed RO concentrated water of 0.1%6% concentration. Among these processes, the combined process of JED homogeneous membrane electrodialysis + low-pressure RO + MVR is of the lowest inve