反渗透浓水处理及回用研究.docx

反渗透浓水处理及回用技术反渗透浓水处理及回用技术潘宏杰 2023.9.30摘要：从无害化、减量化、资源化三个途径分别阐述了当前国内外针对反渗透浓水处理和回用的争论进展，列举了成功的工程实例。并对兴的膜蒸馏技术应用于反渗透浓水处理的方法和可行性进展了探讨。关键词：浓水 回用 膜蒸馏一、 概述反渗透膜分别技术，由于它具有物料无相变、相对能耗低、除盐效果好、处理工艺成熟牢靠，设备简洁、自动化程度高，易于运行和治理等优点，近几年来在很多行业得到广泛的应用。但是，目前反渗透技术一般的设计产水率为75%，实际产水率更低，大约会产生30%的浓盐水。假设原水是水质格外差的地下苦咸水，或者海水，浓水产生量会更大，可能到达50%。当前很多反渗透工艺产生的浓水都不经处理直接排放， 造成水资源和能源的铺张，同时对四周的环境造成污染。针对反渗透浓水，当前的争论主要围绕三个目的开放：减量化优化反渗透工艺设计，削减浓水的产生量；无害化针对反渗透浓水直接排放可能对环境造成危害这一状况，探究经济有效的处理手段，将危害减轻；资源化探究反渗透浓水再利用的途径，变废为宝。事实上，反渗透浓水的回用需要考虑多种因素，这三个目的都不是孤立的， 而是需要综合考虑，互为补充。二、 以排放为目的2.1 单独处理排放反渗透浓水的主要问题是钙镁等离子含量高，硬度高。一般来说，经过简洁的软化处理即可实现达标排放。软化主要承受投加石灰、纯碱等碱性物质的方法， 利用它们同浓水中的钙镁等物质发生反响，生成碳酸盐沉淀，而从水体中去除， 降低浓水的硬度，削减其对环境的危害。以下是其化学反响方程式：- 1 -Ca(OH)2+ CO2¾¾® CaCO3¯ +H O2Ca(OH)2+ Ca(HCO )3 2¾¾® 2CaCO3¯ +2H O22Ca(OH)2+Mg(HCO )3 2¾¾® 2CaCO3¯ +Mg(OH)2¯ +2H O2CaSO4+Na CO23¾¾® CaCO3¯ +Na SO24MgSO4+Na CO23¾¾® MgCO3¯ +Na SO242.2 混入其他废水共同处理对于绝大局部生产企业来说，除了制水车间产生的反渗透浓水以外，还会产生其他各种废水。例如生产车间排放的生产废水、厂区生活废水等。对每种废水分门别类，进展单独处理往往并不经济。因此大局部企业选择在分流一些特别废水，如氰化废水后，将各类废水混合后一起处理。反渗透浓水的水质状况是硬度高、含盐量高，而像浊度、COD 等重要污染指标都很低。将反渗透浓水混入其他废水中，可以起到肯定的稀释调整的作用， 进而降低混合废水处理系统的进水污染负荷。而有些企业生产废水中含有大量的碳酸钠、氢氧化钠等碱性物质，可以同反渗透浓水中的钙镁反响，生成氢氧化物或碳酸盐沉淀，降低水体硬度。例如，中国铝业山东分公司的某热电厂对其反渗透浓水处理系统进展改造。将公司氧化铝生产工艺中产生的废碱水与反渗透浓水混合，去除钙镁硬度后实现浓水回用于氧化铝的生产。改造一次投资大约10 万元，削减了颖水用量60m3/h，降低生产用水本钱约 176 万元/年。12三、 以减量化为目的减量化是针对反渗透系统的本身来说的，假设反渗透系统设计合理，并且企业的进水水质状况稳定，系统浓水的产生量就能够掌握在一个最正确的比例。在反渗透系统设计时，有两个方法可以提高系统的回收率，即削减浓水的产量。一个是增加水流经过反渗透膜组件的长度，另一个就是浓水回流。3.1 增加水流经过的反渗透膜组件的长度。水流在反渗透膜元件中流淌的同时，淡水不断地透过膜，实现浓水和淡水的分别。从理论上说，水流经的膜元件越长，则淡水的产量越大，回收率越高。而由于便利性、标准化等问题，市场上各类膜元件的长度规格已确定，但可以依据工艺要求串联成膜组件。而由于流量和压力的递减，膜组件也不能过长，需要进展分段，即多个膜组件的串联。一般来说，水流经过内装 4 个 40膜元件的膜组件，回收率可达 40%；经过内装 6 个 40膜元间的膜组件，回收率可达 50%。要到达 75%的回收率，水流必需经过 12m 长的膜组件，大约为 12 个 40膜元件。因此，在保证出水质量和系统稳定的前提下，为了削减浓水的产生量，提高系统回收率，可以在反渗透设计时适当的增加段数。但相对的，膜系统的加长，需要增大膜的推动力，即泵的功率需要增大或者增加泵的数量。因此，系统的设备投入和运行的能耗本钱会增加。3.2 浓水回流：浓水回流，就是将反渗透系统产生的一局部浓水回流到高压泵前，同进水混合后再次进入膜组件，进展反渗透处理。这也是一种提高反渗透系统回收率的有效手段。尤其是对于系统产水量不大，水流无法流经 12m 长的膜组件时，格外适宜。但是由于浓水回流，进水处的污染物浓度会提高，反渗透系统结垢的风险也进一步增大，因此，必需加强反渗透系统的运行掌握和治理。假设生产企业使用的反渗透系统进水水质稳定，并且优于设计值，系统的处理力量尚有余力，也可考虑用该方法对系统进展改造。例如，青岛海晶化工公司觉察其热电厂的反渗透系统的进水 TDS 比设计值小了约 40%。为提高回收率，对其进展改造，使局部反渗透浓水回流，与原水按比例混合后再进展反渗透处理。实际运行中通过严格掌握进水含盐量，系统回收率，运行温度等参数，在保证稳定运行的同时，大大削减了浓水的排放。3燕京啤酒的郭见彬也认为，啤酒厂反渗透浓水含盐量较低，可以进展局部回流，局部回用于过滤器的反冲洗的改造，能够大大削减了浓水的排放量，降低生产本钱。4四、 以回用为目的依据反渗透的原理和国内外众多实际运行案例，即使反渗透系统设计合理， 使得回收率到达最正确，系统产生的浓水比例也得至少占到进水量的 25%左右。对于钢铁、化工等行业的用水大户来说，每小时产生的浓水量可以到达上百吨。假设作为废水处理后排放，会铺张大量的能源和水资源。所以找到适宜的浓水回用途径，实现废水替代局部水具有重要的现实意义和环境综合效益。从国内外一些争论结果来看，反渗透浓水的回用的方式有很多。大多都需要依据企业自身的生产特点。浓水可以回用于企业内其他适宜的车间，如锅炉用水， 循环水补水等。也可以代替原先使用的自来水，用作厂区的杂用水，如绿化、冲洗、清扫等。近几年，为响应国家节能减排，构建循环经济社会的号召，反渗透浓水回用工程在国内遍地开花，有大量的工程实例可供借鉴。青岛啤酒四厂利用反渗透浓水的压力将其置于高位水箱中储存，再依据需要将水用于冷凝冲车、冲地、酒桶外壁清洗和车间清扫卫生等。三个月就实现节约水费 2.5 万元，节约煤费 5.8 万元，不到一年就能收回投资本钱。5唐山钢铁股份用反渗透技术将钢铁生产过程中的冷却水、生活废水等处理成脱盐水，并考虑将浓水用来反冲洗反渗透预处理系统中的多介质过滤器。企业一次投资 5 万元，每年可节约 50 万 m3 用水，经济效益显著。6开封东大化工公司经过系统改造，将原本地沟排放的反渗透浓水回用于循环水系统。由于浓水的硬度低于井水，且浓水中含有的亚硫酸氢钠和六偏磷酸钠能抑制微生物生长和水垢形成，改善了循环水系统的运行状况，热交换率明显提高， 并实现节约用水 43200m3/年。7郑州市郑东区热电认为，该厂水站的反渗透浓水可以作为循环系统补充水回用，每年可以节水 46.7 万吨，以城市中水或黄河水 1.8 元计，可节约水费 84 万元/年。8中石化洛阳分公司热电站将反渗透浓水用于锅炉冲灰，使灰渣得到了更好的沉淀效果，并且使循环水补水量削减了 110t/h，加药量降低了 10%。9河北某啤酒厂，将原本需要处理后排放的反渗透浓水作为锅炉的麻石水膜除尘器用水，可以实现年节约用水 9 万吨，节约水费和排污费共 20 万元/年。10中国华晶电子集团公司，将纯水生产中反渗透和前级超滤设备排放的浓水回收利用，作为工艺厂房排气洗涤塔的稀释喷淋水补水。经过改造后，系统节水25m3/h，每年可节约 21 万吨自来水，半年即可收回投资，节能减排效益格外可观。11宝钢工程技术公司的金亚飚在分析了各种钢铁厂反渗透浓水的处理方法后， 认为钢铁厂反渗透脱盐水生产中产生的浓水更适合作为补充水回用于钢铁厂浊 循环水系统。12沧州炼油厂的热电厂将原有的四套反渗透装置进展改造，用三套装置加工水，而用第四套装置对前三套装置产生的浓水进展软化，供给水质要求相对较低的装置区生产使用。改造后约有 70t/h 的浓水变成软化水得到回用，年创效益 350 多万元。13总之，大量的工程实例告知我们，充分考虑企业自身状况，使反渗透浓水在企业内部进展消化，是一种有效处理反渗透浓水，合理利用水资源的手段。五、 膜蒸馏法尽管企业依据自身特点，消化利用反渗透浓水的方法已经被大量的工程实例验证为有效有用的利用反渗透浓水的手段，具有很好的环境效益和经济效益。但是各行业、企业间差异巨大，还有很多企业难以在自己的厂区内找到适宜的利用反渗透浓水的途径。对此，国内外一些争论者提出的一种较颖的反渗透浓水处理方法膜蒸馏法供我们借鉴。膜蒸馏是传统蒸馏工艺与膜分别技术相结合的一种化工分别技术，可在较低温度下实现蒸馏过程。它的原理是对溶液加热，使其温度上升，与膜的另一侧产生温差，从而引起水蒸气压力差，并以此为传质驱动力的透过膜的过程。与蒸馏相比，由于它不需要使液体沸腾，一般热侧掌握在 50-60即可，因此能耗较低。与其他膜处理法，如超滤、反渗透等相比，它的主要优点是可以在极高的浓度条件下运行，也就是说可以把非挥发性溶质的水溶液浓缩到极高的浓度，甚至到达过饱和浓度。膜蒸馏法处理高浓度无机盐的水溶液，产水率在理论上可以到达 100%。但在实际应用中，膜蒸馏技术也无法实现零排放，它主要受到蒸汽压、粘度，以及溶液的渗透压等因素的影响。随着膜蒸馏过程的进展，水溶液的浓度不断上升。当到达某一界限后，不能再被视为稀溶液，溶液的蒸汽压开头显著下降，从而使得膜蒸馏的通量下降。14 溶液浓度的上升，也会引起溶液粘度的上升。于是溶液在系统中流淌的阻力增大，从而削减了单位时间流过膜蒸馏组件的溶液量，通量下降。15溶液浓度的上升，还会导致溶液渗透压的增大。虽然膜蒸馏过程使用的疏水的微孔膜，液体一般无法通过，只有水蒸气在蒸汽压差的作用下才能够透过膜孔， 从高蒸汽压侧进入低气压侧。但溶液过高的浓度可能使膜消灭润湿现象，导致液体的通过。例如膜在由热变冷的过程中，孔道中的水蒸气冷凝而成真空，使两侧的液体进入孔道，使膜潮湿。或者高浓度溶液的渗透压变得足够大，从而抑制膜外表张力而进入膜上一些较大的孔，使膜潮湿。 16尽管如此，膜蒸馏水处理技术的回收率仍旧大大超过反渗透，可以说是一种格外接近零排放的水处理技术。因此国内外对其开放了一系列的应用争论。刘东等选用自制的聚偏氟乙烯中空纤维疏水膜，承受减压膜蒸馏的方法对石化企业废水的反渗透浓水进展脱盐浓缩处理。在经过加碱除硬度后，保持温度70，压力 0.095MPa，流速 0.66m/s 的条件下，至浓缩 20 倍时，产水电导率仍保持在 4uS/cm 以下，效果显著。17王军等承受疏水膜蒸馏浓缩技术处理内蒙古古达拉特发电厂反渗透系统的浓水，觉察当膜蒸馏浓缩倍数为 5 时，产水率可以到达 80%，且出水水质低于5uS/cm，好于二级反渗透。运行中可以通过掌握 pH=5.25，以防止结垢。18天津工业大学生物化工争论所承受聚偏氟乙烯中空纤维疏水膜，将膜蒸馏同化学除硬、超滤等方法相结合，应用于天津近海海水淡化工程时，实现海水脱盐率大于99.99；投加石灰乳，可以获得浆状氢氧化镁产品；海水中溴离子从71 mg/L富集至612mg/L，淡化水收率到达80以上。目前该争论已完成小试，正预备进展中试和工业化应用。19尽管膜蒸馏法处理诸如反渗透浓水等高浓度无机盐的水溶液，产水率在理论上可以接近 100%，节水效果显著。但是目前在实际应用中仍旧存在不小的问题， 工程的具体实施比较困难。例如，对液体加热，制造蒸汽的运行本钱比较高。对不少企业来说，膜蒸馏法的经济性不如简洁处理后排放浓水。假设企业能找到适宜的热源，或者充分利用工业余热和废热等低压能源，膜蒸馏技术工程仍旧会具有很宽阔的应用前景。20六、 结论反渗透技术是当前应用最广的制水手段，其浓水的处理和回收利用是当前的争论热点。针对反渗透浓水的减量化、无害化和资源化，国内外已经有不少成功的案例。通过合理的设计反渗透系统、设置适当的浓水回流，再结合企业自身特点，将浓水直接或经过处理后应用于过滤器反洗水、循环水补水、厂区杂用水等需要消耗自来水的环节中，可以简洁有效地合理利用水资源，实现节能减排的目的。一些兴技术手段，如膜蒸馏技术，也为我们有效利用反渗透浓水供给了很好的选择。但这些的技术手段，尚有在一些缺乏之处，如设备投入大、能耗高、运行本钱高等问题，限制了它们的实际应用。随着科技的进步，国内外还会有各种兴技术不断涌现，现有的技术手段也会在实践中得到不断的改进。参考文献1 石维平。反渗透浓水综合利用的探讨与对策。有色冶金节能，2023，21(3)：15-162 石维平。用工业废碱水处理反渗透法高含盐排放浓水。水处理技术，2023，32(3)：80-813 戴昆仑等。浅析反渗透浓水应用。工业水处理，2023，26(7)：71-734 郭见彬。啤酒厂反渗透浓水的回收及利用。啤酒科技，2023，116：545 李军。浓水和冷凝水的综合利用。啤酒科技，2023，5：596 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