反渗透浓水处理及回用研究

反渗透浓水处理及回用研究反渗透浓水处理及回用技术潘宏杰2009.9.30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研究进展，列举了成功的工程实例。并对新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行了探讨。关键词：浓水回用膜蒸馏概述反渗透膜分离技术，由于它具有物料无相变、相对能耗低、除盐效果好、处理工艺成熟可靠，设备简单、自动化程度高，易于运行和管理等优点，近几年来在许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。若原水是水质非常差的地下苦咸水，或者海水，浓水产生量会更大，可能达到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浪费，同时对周围的环境造成污染。针对反渗透浓水，当前的研究主要围绕三个目的展开：减量化——优化反渗透工艺设计，减少浓水的产生量；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，探索经济有效的处理手段，将危害减轻；资源化——探索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。以排放为目的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，经过简单的软化处理即可实现达标排放。软化主要采用投加石灰、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应，生成碳酸盐沉淀，而从水体中去除，降低浓水的硬度，减少其对环境的危害。以下是其化学反应方程式：浓水回流：浓水回流，就是将反渗透系统产生的一部分浓水回流到高压泵前，同进水混合后再次进入膜组件，进行反渗透处理。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，十分合适。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，必须加强反渗透系统的运行控制和管理。如果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，系统的处理能力尚有余力，也可考虑用该方法对系统进行改造。例如，青岛海晶化工公司发现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，对其进行改造，使部分反渗透浓水回流，与原水按比例混合后再进行反渗透处理。实际运行中通过严格控制进水含盐量，系统回收率，运行温度等参数，在保证稳定运行的同时，大大减少了浓水的排放。[[][]戴昆仑等。浅析反渗透浓水应用。工业水处理，2006，26(7)：71-73燕京啤酒的郭见彬也认为，啤酒厂反渗透浓水含盐量较低，可以进行部分回流，部分回用于过滤器的反冲洗的改造，能够大大减少了浓水的排放量，降低生产成本。[[][]郭见彬。啤酒厂反渗透浓水的回收及利用。啤酒科技，2007，116：54以回用为目的根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，使得回收率达到最佳，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达到上百吨。若作为废水处理后排放，会浪费大量的能源和水资源。所以找到合适的浓水回用途径，实现废水替代部分新水具有重要的现实意义和环境综合效益。从国内外一些研究结果来看，反渗透浓水的回用的方式有很多。大多都需要根据企业自身的生产特点。浓水可以回用于企业内其他合适的车间，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，反渗透浓水回用项目在国内遍地开花，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，再按照需要将水用于冷凝冲车、冲地、酒桶外壁清洗和车间打扫卫生等。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成本。[[][]李军。浓水和冷凝水的综合利用。啤酒科技，2006，5：59唐山钢铁股份有限公司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。[[][]张胜等。反渗透浓水的回用。工业用水与废水，2007，38(3)：56-57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。[[[]王照民等。循环水系统改造及纯水生产中浓水的回收利用。氯碱工业，2003，5：35-36郑州市郑东新区热电有限公司认为，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。[[][]刘占锋等。反渗透浓水回用。科技创新导报，2009，18：68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减少了110t/h，加药量降低了10%。[[][]朱桂荣。反渗透浓水的再利用。河南化工，2004，7：31、51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，节省水费和排污费共20万元/年。[[][]宋社玲等。反渗透水处理系统改造及效益分析。中国食品工业，2005，6：28-29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，节能减排效益非常可观。[[[]张国兴等。制备纯水用反渗透和前级超滤设备排放的浓水回收利用。能源研究与利用，1999，6：10、13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。[[][]金亚飚。浅议钢铁企业反渗透浓水的处置和应用。冶金环境保护，2008，3：31-32沧州炼油厂的热电厂将原有的四套反渗透装置进行改造，用三套装置加工新水，而用第四套装置对前三套装置产生的浓水进行软化，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。[[][]雷雨等。沧州炼油厂对含盐水进行二次利用创效益。石油化工环境保护，2005，28：30总之，大量的工程实例告诉我们，充分考虑企业自身状况，使反渗透浓水在企业内部进行消化，是一种有效处理反渗透浓水，合理利用水资源的手段。膜蒸馏法尽管企业根据自身特点，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实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、企业间差别巨大，还有很多企业难以在自己的厂区内找到合适的利用反渗透浓水的途径。对此，国内外一些研究者提出的一种较新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离技术相结合的一种化工分离技术，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，一般热侧控制在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，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达到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行，水溶液的浓度不断上升。当达到某一界限后，不能再被视为稀溶液，溶液的蒸汽压开始显著下降，从而使得膜蒸馏的通量下降。[[][]吴庸烈等。浓水溶液的膜蒸馏行为I.浓度对通量的影响及膜蒸馏-结晶现象。水处理技术，1989，15(5)：267-271溶液浓度的上升，也会引起溶液粘度的升高。于是溶液在系统中流动的阻力增大，从而减少了单位时间流过膜蒸馏组件的溶液量，通量下降。[[]吴庸烈等。浓水溶液的膜蒸馏行为II.蒸汽压下降和透析作用的影响。水处理技术，1989，15(6)：320-325[]吴庸烈等。浓水溶液的膜蒸馏行为II.蒸汽压下降和透析作用的影响。水处理技术，1989，15(6)：320-325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出现润湿现象，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，使膜湿润。或者高浓度溶液的渗透压变得足够大，从而克服膜表面张力而进入膜上一些较大的孔，使膜湿润。[[]吴庸烈等。浓水溶液的膜蒸馏行为III.膜蒸馏-结晶的必要条件。水处理技术，1990，16(1)：22-26[]吴庸烈等。浓水溶液的膜蒸馏行为III.膜蒸馏-结晶的必要条件。水处理技术，1990，16(1)：22-26尽管如此，膜蒸馏水处理技术的回收率仍然大大超过反渗透，可以说是一种十分接近零排放的水处理技术。因此国内外对其展开了一系列的应用研究。刘东等选用自制的聚偏氟乙烯中空纤维疏水膜，采用减压膜蒸馏的方法对石化企业废水的反渗透浓水进行脱盐浓缩处理。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。[[]刘东等。减压膜蒸馏法浓缩反渗透浓水试验研究。水处理技术，2009，35(5)：60-63王军等采用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，发现当膜蒸馏浓缩倍数为5时，产水率可以达到80%，且出水水质低于5uS/cm，好于二级反渗透。运行中可以通过控制pH=5.25，以防止结垢。[[][]王军等。疏水膜蒸馏浓缩技术用于RO浓水回用处理的研究。中国给水排水，2007，23(19)：1-5天津工业大学生物化工研究所采用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项目时，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71mg/L富集至612mg/L，淡化水收率达到80％以上。目前该研究已完成小试，正准备进行中试和工业化应用。[[][]钱伯章。膜蒸馏技术可望消除浓水排放。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然存在不小的问题，项目的具体实施比较困难。例如，对液体加热，制造蒸汽的运行成本比较高。对不少企业来说，膜蒸馏法的经济性不如简单处理后排放浓水。如果企业能找到合适的热源，或者充分利用工业余热和废热等低压能源，膜蒸馏技术工程仍然会具有很广阔的应用前景。[[][]刘江等。双膜工艺在电厂化学水处理中的试验研究。内蒙古电力技术，2008，26(4)：224-26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研究热点。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