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(shù)潘宏杰2009.9.30摘要：從無害化、減量化、資源化三個(gè)途徑分別闡述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)反滲透濃水處理和回用的研究進(jìn)展，列舉了成功的工程實(shí)例。并對(duì)新興的膜蒸餾技術(shù)應(yīng)用于反滲透濃水處理的方法和可行性進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：濃水回用膜蒸餾概述反滲透膜分離技術(shù)，由于它具有物料無相變、相對(duì)能耗低、除鹽效果好、處理工藝成熟可靠，設(shè)備簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，易于運(yùn)行和管理等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來在許多行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。但是，目前反滲透技術(shù)一般的設(shè)計(jì)產(chǎn)水率為75%，實(shí)際產(chǎn)水率更低，大約會(huì)產(chǎn)生30%的濃鹽水。若原水是水質(zhì)非常差的地下苦咸水，或者海水，濃水產(chǎn)生量會(huì)更大，可能達(dá)到50%。當(dāng)前很多反滲透工藝產(chǎn)生的濃水都不經(jīng)處理直接排放，造成水資源和能源的浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)周圍的環(huán)境造成污染。針對(duì)反滲透濃水，當(dāng)前的研究主要圍繞三個(gè)目的展開：減量化——優(yōu)化反滲透工藝設(shè)計(jì)，減少濃水的產(chǎn)生量；無害化——針對(duì)反滲透濃水直接排放可能對(duì)環(huán)境造成危害這一狀況，探索經(jīng)濟(jì)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(shí)上，反滲透濃水的回用需要考慮多種因素，這三個(gè)目的都不是孤立的，而是需要綜合考慮，互為補(bǔ)充。以排放為目的單獨(dú)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(jīng)過簡(jiǎn)單的軟化處理即可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。軟化主要采用投加石灰、純堿等堿性物質(zhì)的方法，利用它們同濃水中的鈣鎂等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，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(duì)環(huán)境的危害。以下是其化學(xué)反應(yīng)方程式：濃水回流：濃水回流，就是將反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生的一部分濃水回流到高壓泵前，同進(jìn)水混合后再次進(jìn)入膜組件，進(jìn)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(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)水量不大，水流無法流經(jīng)12m長(zhǎng)的膜組件時(shí)，十分合適。但是由于濃水回流，進(jìn)水處的污染物濃度會(huì)提高，反滲透系統(tǒng)結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)也進(jìn)一步增大，因此，必須加強(qiáng)反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行控制和管理。如果生產(chǎn)企業(yè)使用的反滲透系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定，并且優(yōu)于設(shè)計(jì)值，系統(tǒng)的處理能力尚有余力，也可考慮用該方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)水TDS比設(shè)計(jì)值小了約40%。為提高回收率，對(duì)其進(jìn)行改造，使部分反滲透濃水回流，與原水按比例混合后再進(jìn)行反滲透處理。實(shí)際運(yùn)行中通過嚴(yán)格控制進(jìn)水含鹽量，系統(tǒng)回收率，運(yùn)行溫度等參數(shù)，在保證穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，大大減少了濃水的排放。[[][]戴昆侖等。淺析反滲透濃水應(yīng)用。工業(yè)水處理，2006，26(7)：71-73燕京啤酒的郭見彬也認(rèn)為，啤酒廠反滲透濃水含鹽量較低，可以進(jìn)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(chǎn)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(guó)內(nèi)外眾多實(shí)際運(yùn)行案例，即使反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，使得回收率達(dá)到最佳，系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水比例也得至少占到進(jìn)水量的25%左右。對(duì)于鋼鐵、化工等行業(yè)的用水大戶來說，每小時(shí)產(chǎn)生的濃水量可以達(dá)到上百噸。若作為廢水處理后排放，會(huì)浪費(fèi)大量的能源和水資源。所以找到合適的濃水回用途徑，實(shí)現(xiàn)廢水替代部分新水具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和環(huán)境綜合效益。從國(guó)內(nèi)外一些研究結(jié)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(chǎn)特點(diǎn)。濃水可以回用于企業(yè)內(nèi)其他合適的車間，如鍋爐用水，循環(huán)水補(bǔ)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(yīng)國(guó)家節(jié)能減排，構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的號(hào)召，反滲透濃水回用項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)遍地開花，有大量的工程實(shí)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(chǔ)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(gè)月就實(shí)現(xiàn)節(jié)約水費(fèi)2.5萬元，節(jié)約煤費(fèi)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(shù)將鋼鐵生產(chǎn)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(yù)處理系統(tǒng)中的多介質(zhì)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(jīng)濟(jì)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(jīng)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(zhǎng)和水垢形成，改善了循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，熱交換率明顯提高，并實(shí)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(chǎn)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(rèn)為，該廠水站的反滲透濃水可以作為循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)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(jì)，可節(jié)約水費(fèi)84萬元/年。[[][]劉占鋒等。反滲透濃水回用?？萍紕?chuàng)新導(dǎo)報(bào)，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(bǔ)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(shí)現(xiàn)年節(jié)約用水9萬噸，節(jié)省水費(fèi)和排污費(fèi)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(guó)食品工業(yè)，2005，6：28-29中國(guó)華晶電子集團(tuán)公司，將純水生產(chǎn)中反滲透和前級(jí)超濾設(shè)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(bǔ)水。經(jīng)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(guó)興等。制備純水用反滲透和前級(jí)超濾設(shè)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(shù)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(rèn)為鋼鐵廠反滲透脫鹽水生產(chǎn)中產(chǎn)生的濃水更適合作為補(bǔ)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(yīng)用。冶金環(huán)境保護(hù)，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(jìn)行改造，用三套裝置加工新水，而用第四套裝置對(duì)前三套裝置產(chǎn)生的濃水進(jìn)行軟化，供給水質(zhì)要求相對(duì)較低的裝置區(qū)生產(chǎn)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(duì)含鹽水進(jìn)行二次利用創(chuàng)效益。石油化工環(huán)境保護(hù)，2005，28：30總之，大量的工程實(shí)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(nèi)部進(jìn)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(diǎn)，消化利用反滲透濃水的方法已經(jīng)被大量的工程實(shí)例驗(yàn)證為有效實(shí)用的利用反滲透濃水的手段，具有很好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)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(nèi)找到合適的利用反滲透濃水的途徑。對(duì)此，國(guó)內(nèi)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(shù)相結(jié)合的一種化工分離技術(shù)，可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)蒸餾過程。它的原理是對(duì)溶液加熱，使其溫度上升，與膜的另一側(cè)產(chǎn)生溫差，從而引起水蒸氣壓力差，并以此為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)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(cè)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(jī)鹽的水溶液，產(chǎn)水率在理論上可以達(dá)到100%。但在實(shí)際應(yīng)用中，膜蒸餾技術(shù)也無法實(shí)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(jìn)行，水溶液的濃度不斷上升。當(dāng)達(dá)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(duì)通量的影響及膜蒸餾-結(jié)晶現(xiàn)象。水處理技術(shù)，1989，15(5)：267-271溶液濃度的上升，也會(huì)引起溶液粘度的升高。于是溶液在系統(tǒng)中流動(dòng)的阻力增大，從而減少了單位時(shí)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(shù)，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(shù)，1989，15(6)：320-325溶液濃度的上升，還會(huì)導(dǎo)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(cè)進(jìn)入低氣壓側(cè)。但溶液過高的濃度可能使膜出現(xiàn)潤(rùn)濕現(xiàn)象，導(dǎo)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(cè)的液體進(jìn)入孔道，使膜濕潤(rùn)?；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(jìn)入膜上一些較大的孔，使膜濕潤(rùn)。[[]吳庸烈等。濃水溶液的膜蒸餾行為III.膜蒸餾-結(jié)晶的必要條件。水處理技術(shù)，1990，16(1)：22-26[]吳庸烈等。濃水溶液的膜蒸餾行為III.膜蒸餾-結(jié)晶的必要條件。水處理技術(shù)，1990，16(1)：22-26盡管如此，膜蒸餾水處理技術(shù)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(shù)。因此國(guó)內(nèi)外對(duì)其展開了一系列的應(yīng)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(duì)石化企業(yè)廢水的反滲透濃水進(jìn)行脫鹽濃縮處理。在經(jīng)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(shí)，產(chǎn)水電導(dǎo)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(yàn)研究。水處理技術(shù)，2009，35(5)：60-63王軍等采用疏水膜蒸餾濃縮技術(shù)處理內(nèi)蒙古古達(dá)拉特發(fā)電廠反滲透系統(tǒng)的濃水，發(fā)現(xiàn)當(dāng)膜蒸餾濃縮倍數(shù)為5時(shí)，產(chǎn)水率可以達(dá)到80%，且出水水質(zhì)低于5uS/cm，好于二級(jí)反滲透。運(yùn)行中可以通過控制pH=5.25，以防止結(jié)垢。[[][]王軍等。疏水膜蒸餾濃縮技術(shù)用于RO濃水回用處理的研究。中國(guó)給水排水，2007，23(19)：1-5天津工業(yè)大學(xué)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(xué)除硬、超濾等方法相結(jié)合，應(yīng)用于天津近海海水淡化項(xiàng)目時(shí)，實(shí)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(chǎn)品；海水中溴離子從71mg/L富集至612mg/L，淡化水收率達(dá)到80％以上。目前該研究已完成小試，正準(zhǔn)備進(jìn)行中試和工業(yè)化應(yīng)用。[[][]錢伯章。膜蒸餾技術(shù)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(jī)鹽的水溶液，產(chǎn)水率在理論上可以接近100%，節(jié)水效果顯著。但是目前在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在不小的問題，項(xiàng)目的具體實(shí)施比較困難。例如，對(duì)液體加熱，制造蒸汽的運(yùn)行成本比較高。對(duì)不少企業(yè)來說，膜蒸餾法的經(jīng)濟(jì)性不如簡(jiǎn)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(shù)工程仍然會(huì)具有很廣闊的應(yīng)用前景。[[][]劉江等。雙膜工藝在電廠化學(xué)水處理中的試驗(yàn)研究。內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2008，26(4)：224-26結(jié)論反滲透技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最廣的制水手段，其濃水的處理和回收利用是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。針對(duì)反滲透濃水的減量化、無害化和資源化，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少