反滲透濃水處理及回用研究

反滲透濃水處理及回用研究反滲透濃水處理及回用技術潘宏杰2009.9.30摘要：從無害化、減量化、資源化三個途徑分別闡述了當前國內外針對反滲透濃水處理和回用的研究進展，列舉了成功的工程實例。并對新興的膜蒸餾技術應用于反滲透濃水處理的方法和可行性進行了探討。關鍵詞：濃水回用膜蒸餾概述反滲透膜分離技術，由于它具有物料無相變、相對能耗低、除鹽效果好、處理工藝成熟可靠，設備簡單、自動化程度高，易于運行和管理等優(yōu)點，近幾年來在許多行業(yè)得到廣泛的應用。但是，目前反滲透技術一般的設計產水率為75%，實際產水率更低，大約會產生30%的濃鹽水。若原水是水質非常差的地下苦咸水，或者海水，濃水產生量會更大，可能達到50%。當前很多反滲透工藝產生的濃水都不經處理直接排放，造成水資源和能源的浪費，同時對周圍的環(huán)境造成污染。針對反滲透濃水，當前的研究主要圍繞三個目的展開：減量化——優(yōu)化反滲透工藝設計，減少濃水的產生量；無害化——針對反滲透濃水直接排放可能對環(huán)境造成危害這一狀況，探索經濟有效的處理手段，將危害減輕；資源化——探索反滲透濃水再利用的途徑，變廢為寶。事實上，反滲透濃水的回用需要考慮多種因素，這三個目的都不是孤立的，而是需要綜合考慮，互為補充。以排放為目的單獨處理排放反滲透濃水的主要問題是鈣鎂等離子含量高，硬度高。一般來說，經過簡單的軟化處理即可實現(xiàn)達標排放。軟化主要采用投加石灰、純堿等堿性物質的方法，利用它們同濃水中的鈣鎂等物質發(fā)生反應，生成碳酸鹽沉淀，而從水體中去除，降低濃水的硬度，減少其對環(huán)境的危害。以下是其化學反應方程式：濃水回流：濃水回流，就是將反滲透系統(tǒng)產生的一部分濃水回流到高壓泵前，同進水混合后再次進入膜組件，進行反滲透處理。這也是一種提高反滲透系統(tǒng)回收率的有效手段。尤其是對于系統(tǒng)產水量不大，水流無法流經12m長的膜組件時，十分合適。但是由于濃水回流，進水處的污染物濃度會提高，反滲透系統(tǒng)結垢的風險也進一步增大，因此，必須加強反滲透系統(tǒng)的運行控制和管理。如果生產企業(yè)使用的反滲透系統(tǒng)進水水質穩(wěn)定，并且優(yōu)于設計值，系統(tǒng)的處理能力尚有余力，也可考慮用該方法對系統(tǒng)進行改造。例如，青島海晶化工公司發(fā)現(xiàn)其熱電廠的反滲透系統(tǒng)的進水TDS比設計值小了約40%。為提高回收率，對其進行改造，使部分反滲透濃水回流，與原水按比例混合后再進行反滲透處理。實際運行中通過嚴格控制進水含鹽量，系統(tǒng)回收率，運行溫度等參數(shù)，在保證穩(wěn)定運行的同時，大大減少了濃水的排放。[[][]戴昆侖等。淺析反滲透濃水應用。工業(yè)水處理，2006，26(7)：71-73燕京啤酒的郭見彬也認為，啤酒廠反滲透濃水含鹽量較低，可以進行部分回流，部分回用于過濾器的反沖洗的改造，能夠大大減少了濃水的排放量，降低生產成本。[[][]郭見彬。啤酒廠反滲透濃水的回收及利用。啤酒科技，2007，116：54以回用為目的根據(jù)反滲透的原理和國內外眾多實際運行案例，即使反滲透系統(tǒng)設計合理，使得回收率達到最佳，系統(tǒng)產生的濃水比例也得至少占到進水量的25%左右。對于鋼鐵、化工等行業(yè)的用水大戶來說，每小時產生的濃水量可以達到上百噸。若作為廢水處理后排放，會浪費大量的能源和水資源。所以找到合適的濃水回用途徑，實現(xiàn)廢水替代部分新水具有重要的現(xiàn)實意義和環(huán)境綜合效益。從國內外一些研究結果來看，反滲透濃水的回用的方式有很多。大多都需要根據(jù)企業(yè)自身的生產特點。濃水可以回用于企業(yè)內其他合適的車間，如鍋爐用水，循環(huán)水補水等。也可以代替原先使用的自來水，用作廠區(qū)的雜用水，如綠化、沖洗、清掃等。近幾年，為響應國家節(jié)能減排，構建循環(huán)經濟社會的號召，反滲透濃水回用項目在國內遍地開花，有大量的工程實例可供借鑒。青島啤酒四廠利用反滲透濃水的壓力將其置于高位水箱中儲存，再按照需要將水用于冷凝沖車、沖地、酒桶外壁清洗和車間打掃衛(wèi)生等。三個月就實現(xiàn)節(jié)約水費2.5萬元，節(jié)約煤費5.8萬元，不到一年就能收回投資成本。[[][]李軍。濃水和冷凝水的綜合利用。啤酒科技，2006，5：59唐山鋼鐵股份有限公司用反滲透技術將鋼鐵生產過程中的冷卻水、生活廢水等處理成脫鹽水，并考慮將濃水用來反沖洗反滲透預處理系統(tǒng)中的多介質過濾器。企業(yè)一次投資5萬元，每年可節(jié)約50萬m3用水，經濟效益顯著。[[][]張勝等。反滲透濃水的回用。工業(yè)用水與廢水，2007，38(3)：56-57開封東大化工公司經過系統(tǒng)改造，將原本地溝排放的反滲透濃水回用于循環(huán)水系統(tǒng)。由于濃水的硬度低于井水，且濃水中含有的亞硫酸氫鈉和六偏磷酸鈉能抑制微生物生長和水垢形成，改善了循環(huán)水系統(tǒng)的運行狀況，熱交換率明顯提高，并實現(xiàn)節(jié)約用水43200m3/年。[[[]王照民等。循環(huán)水系統(tǒng)改造及純水生產中濃水的回收利用。氯堿工業(yè)，2003，5：35-36鄭州市鄭東新區(qū)熱電有限公司認為，該廠水站的反滲透濃水可以作為循環(huán)系統(tǒng)補充水回用，每年可以節(jié)水46.7萬噸，以城市中水或黃河水1.8元計，可節(jié)約水費84萬元/年。[[][]劉占鋒等。反滲透濃水回用。科技創(chuàng)新導報，2009，18：68中石化洛陽分公司熱電站將反滲透濃水用于鍋爐沖灰，使灰渣得到了更好的沉淀效果，并且使循環(huán)水補水量減少了110t/h，加藥量降低了10%。[[][]朱桂榮。反滲透濃水的再利用。河南化工，2004，7：31、51河北某啤酒廠，將原本需要處理后排放的反滲透濃水作為鍋爐的麻石水膜除塵器用水，可以實現(xiàn)年節(jié)約用水9萬噸，節(jié)省水費和排污費共20萬元/年。[[][]宋社玲等。反滲透水處理系統(tǒng)改造及效益分析。中國食品工業(yè)，2005，6：28-29中國華晶電子集團公司，將純水生產中反滲透和前級超濾設備排放的濃水回收利用，作為工藝廠房排氣洗滌塔的稀釋噴淋水補水。經過改造后，系統(tǒng)節(jié)水25m3/h，每年可節(jié)約21萬噸自來水，半年即可收回投資，節(jié)能減排效益非常可觀。[[[]張國興等。制備純水用反滲透和前級超濾設備排放的濃水回收利用。能源研究與利用，1999，6：10、13寶鋼工程技術公司的金亞飚在分析了各種鋼鐵廠反滲透濃水的處理方法后，認為鋼鐵廠反滲透脫鹽水生產中產生的濃水更適合作為補充水回用于鋼鐵廠濁循環(huán)水系統(tǒng)。[[][]金亞飚。淺議鋼鐵企業(yè)反滲透濃水的處置和應用。冶金環(huán)境保護，2008，3：31-32滄州煉油廠的熱電廠將原有的四套反滲透裝置進行改造，用三套裝置加工新水，而用第四套裝置對前三套裝置產生的濃水進行軟化，供給水質要求相對較低的裝置區(qū)生產使用。改造后約有70t/h的濃水變成軟化水得到回用，年創(chuàng)效益350多萬元。[[][]雷雨等。滄州煉油廠對含鹽水進行二次利用創(chuàng)效益。石油化工環(huán)境保護，2005，28：30總之，大量的工程實例告訴我們，充分考慮企業(yè)自身狀況，使反滲透濃水在企業(yè)內部進行消化，是一種有效處理反滲透濃水，合理利用水資源的手段。膜蒸餾法盡管企業(yè)根據(jù)自身特點，消化利用反滲透濃水的方法已經被大量的工程實例驗證為有效實用的利用反滲透濃水的手段，具有很好的環(huán)境效益和經濟效益。但是各行業(yè)、企業(yè)間差別巨大，還有很多企業(yè)難以在自己的廠區(qū)內找到合適的利用反滲透濃水的途徑。對此，國內外一些研究者提出的一種較新穎的反滲透濃水處理方法——膜蒸餾法供我們借鑒。膜蒸餾是傳統(tǒng)蒸餾工藝與膜分離技術相結合的一種化工分離技術，可在較低溫度下實現(xiàn)蒸餾過程。它的原理是對溶液加熱，使其溫度上升，與膜的另一側產生溫差，從而引起水蒸氣壓力差，并以此為傳質驅動力的透過膜的過程。與蒸餾相比，由于它不需要使液體沸騰，一般熱側控制在50-60℃即可，因此能耗較低。與其他膜處理法，如超濾、反滲透等相比，膜蒸餾法處理高濃度無機鹽的水溶液，產水率在理論上可以達到100%。但在實際應用中，膜蒸餾技術也無法實現(xiàn)零排放，它主要受到蒸汽壓、粘度，以及溶液的滲透壓等因素的影響。隨著膜蒸餾過程的進行，水溶液的濃度不斷上升。當達到某一界限后，不能再被視為稀溶液，溶液的蒸汽壓開始顯著下降，從而使得膜蒸餾的通量下降。[[][]吳庸烈等。濃水溶液的膜蒸餾行為I.濃度對通量的影響及膜蒸餾-結晶現(xiàn)象。水處理技術，1989，15(5)：267-271溶液濃度的上升，也會引起溶液粘度的升高。于是溶液在系統(tǒng)中流動的阻力增大，從而減少了單位時間流過膜蒸餾組件的溶液量，通量下降。[[]吳庸烈等。濃水溶液的膜蒸餾行為II.蒸汽壓下降和透析作用的影響。水處理技術，1989，15(6)：320-325[]吳庸烈等。濃水溶液的膜蒸餾行為II.蒸汽壓下降和透析作用的影響。水處理技術，1989，15(6)：320-325溶液濃度的上升，還會導致溶液滲透壓的增大。雖然膜蒸餾過程使用的疏水的微孔膜，液體一般無法通過，只有水蒸氣在蒸汽壓差的作用下才能夠透過膜孔，從高蒸汽壓側進入低氣壓側。但溶液過高的濃度可能使膜出現(xiàn)潤濕現(xiàn)象，導致液體的通過。例如膜在由熱變冷的過程中，孔道中的水蒸氣冷凝而成真空，使兩側的液體進入孔道，使膜濕潤?；蛘吒邼舛热芤旱臐B透壓變得足夠大，從而克服膜表面張力而進入膜上一些較大的孔，使膜濕潤。[[]吳庸烈等。濃水溶液的膜蒸餾行為III.膜蒸餾-結晶的必要條件。水處理技術，1990，16(1)：22-26[]吳庸烈等。濃水溶液的膜蒸餾行為III.膜蒸餾-結晶的必要條件。水處理技術，1990，16(1)：22-26盡管如此，膜蒸餾水處理技術的回收率仍然大大超過反滲透，可以說是一種十分接近零排放的水處理技術。因此國內外對其展開了一系列的應用研究。劉東等選用自制的聚偏氟乙烯中空纖維疏水膜，采用減壓膜蒸餾的方法對石化企業(yè)廢水的反滲透濃水進行脫鹽濃縮處理。在經過加堿除硬度后，保持溫度70℃，壓力0.095MPa，流速0.66m/s的條件下，至濃縮20倍時，產水電導率仍保持在4uS/cm以下，效果顯著。[[]劉東等。減壓膜蒸餾法濃縮反滲透濃水試驗研究。水處理技術，2009，35(5)：60-63王軍等采用疏水膜蒸餾濃縮技術處理內蒙古古達拉特發(fā)電廠反滲透系統(tǒng)的濃水，發(fā)現(xiàn)當膜蒸餾濃縮倍數(shù)為5時，產水率可以達到80%，且出水水質低于5uS/cm，好于二級反滲透。運行中可以通過控制pH=5.25，以防止結垢。[[][]王軍等。疏水膜蒸餾濃縮技術用于RO濃水回用處理的研究。中國給水排水，2007，23(19)：1-5天津工業(yè)大學生物化工研究所采用聚偏氟乙烯中空纖維疏水膜，將膜蒸餾同化學除硬、超濾等方法相結合，應用于天津近海海水淡化項目時，實現(xiàn)海水脫鹽率大于99.99％；投加石灰乳，可以獲得漿狀氫氧化鎂產品；海水中溴離子從71mg/L富集至612mg/L，淡化水收率達到80％以上。目前該研究已完成小試，正準備進行中試和工業(yè)化應用。[[][]錢伯章。膜蒸餾技術可望消除濃水排放。盡管膜蒸餾法處理諸如反滲透濃水等高濃度無機鹽的水溶液，產水率在理論上可以接近100%，節(jié)水效果顯著。但是目前在實際應用中仍然存在不小的問題，項目的具體實施比較困難。例如，對液體加熱，制造蒸汽的運行成本比較高。對不少企業(yè)來說，膜蒸餾法的經濟性不如簡單處理后排放濃水。如果企業(yè)能找到合適的熱源，或者充分利用工業(yè)余熱和廢熱等低壓能源，膜蒸餾技術工程仍然會具有很廣闊的應用前景。[[][]劉江等。雙膜工藝在電廠化學水處理中的試驗研究。內蒙古電力技術，2008，26(4)：224-26結論反滲透技術是當前應用最廣的制水手段，其濃水的處理和回收利用是當前的研究熱點。針對反滲透濃水的減量化、無害化和資源化，國內外已經有不少