膜蒸餾技術(shù)在高含鹽廢水中的應(yīng)用

張 營

(南京中衡元環(huán)保科技有限公司，江蘇 南京 211200)

我國水資源人均占有量僅為世界人均的1/4，世界排名第109位。據(jù)統(tǒng)計，我國每年廢水的排放總量達365億m3，大部分江河湖泊都受到嚴重污染[1-2]，這一狀況加劇了水資源緊缺的危機。盡管國家對環(huán)境保護特別是水環(huán)境保護日益重視，大量的水污染防治新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但對于化工、制藥、石油、焦化等行業(yè)排出的工業(yè)廢水以及高鹽度廢水等的達標處理仍然是擺在環(huán)境保護工作中的一道難題。其中含鹽廢水是較難處理的廢水之一，高鹽度有機廢水是指含有機物和至少3.5%(質(zhì)量分數(shù))的總?cè)芙庑怨腆w物的廢水[3-5]。含鹽廢水成分復(fù)雜又不具備回收價值，因此，高鹽度廢水的處理成為當前化工廢水處理的難點之一。

隨著膜分離技術(shù)的快速發(fā)展，反滲透技術(shù)(RO)逐漸成為石油煉制、電力、化工、冶金等行業(yè)純水制備的首選技術(shù)。但受反滲透膜污染、結(jié)垢等因素的限制，反滲透技術(shù)的產(chǎn)水率一般僅能達到75%左右，仍有25%的高鹽度廢水需要排放[6-8]。為了降低RO濃排水水量，提高系統(tǒng)產(chǎn)水率，實現(xiàn)零排放目標，國內(nèi)外研究人員做了大量的工作，但效果均不理想。

本文介紹了一套膜蒸餾組合系統(tǒng)，其核心膜材料為NACE膜，該材料對于水中溶解性固體具有很好的分離功能，該膜具有非常獨特的親水性，僅允許水分子通過，而其他離子無法通過。該技術(shù)是一項新型水處理技術(shù)，它以溫度差作為分離驅(qū)動力，完美地將反滲透和蒸餾技術(shù)的最佳屬性結(jié)合為一體，同時又避開了以上兩種技術(shù)的缺陷，具有運行成本低、抗污染性強、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點。

1 工藝原理

膜蒸餾是膜技術(shù)與蒸餾過程相結(jié)合的分離過程。研究人員在試驗中發(fā)現(xiàn)NACE膜材料對水中溶解性固體具有非常良好的分離功能，進而將其應(yīng)用領(lǐng)域拓展為廢水中無機鹽類和有機物的去除[9]。膜蒸餾采用的NACE膜具有一個非常獨特的性質(zhì)，僅允許水分子通過，而其他離子無法通過。該膜材料主要成分是一種有機/無機混合磺化的苯乙烯聚合物，由親水區(qū)和疏水區(qū)交替構(gòu)成，是一種高分子聚合物無孔化學(xué)隔膜。親水區(qū)形成的酸性通道可以迅速吸收和釋放水分子，形成一條從聚合物一面貫穿到另一面的僅允許水分子快速通過的通道；疏水區(qū)為膜材料提供強度保證，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，使用壽命長。

NACE膜的特性主要包括：?高選擇性：僅允許水分子通過；?高膜通量：處理量大；?高密閉性：全封閉結(jié)構(gòu)；?低投入：運行費用低；?高品質(zhì)的出水：直接回用。

在膜組件中，NACE膜材料的一側(cè)與熱的待處理廢水直接接觸(稱為熱側(cè))，另一側(cè)直接或間接地與冷介質(zhì)接觸(稱為冷側(cè))，熱側(cè)中的液相水在膜面處擴散并在冷側(cè)汽化，水蒸氣通過和冷介質(zhì)的熱交換被冷凝成液相，廢水中其他組分則被NACE膜材料阻擋在熱側(cè)，從而實現(xiàn)廢水中污染物的分離。這一過程同時包括了熱量和質(zhì)量的傳遞，傳質(zhì)的推動力為冷、熱兩側(cè)水的蒸氣壓差。

2 工藝說明

2.1 工藝流程

膜蒸餾組合系統(tǒng)主要由進料單元、預(yù)處理單元、加熱單元、膜蒸發(fā)器單元、蒸發(fā)結(jié)晶單元、冷凝出水單元以及相關(guān)附屬設(shè)備組成，核心設(shè)備為膜組件。高含鹽廢水的試驗設(shè)備工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

2.1.1 預(yù)處理單元

預(yù)處理單元以去除細小顆粒和懸浮物質(zhì)為目的，來滿足后續(xù)膜蒸發(fā)器進水的要求。預(yù)處理裝置采用保安過濾器，進水槽通過隔膜計量泵泵入保安過濾器，處理量為0.5m3/h，共計1臺。

2.1.2 加熱單元

保安過濾器出水進入中間貯槽，中間貯槽有效容積為1m3，超高為0.2m。加熱設(shè)備采用蒸氣盤管加熱，蒸氣盤管置于中間貯槽內(nèi)部，熱源為廠內(nèi)蒸氣。

2.1.3 膜蒸發(fā)器單元

膜蒸發(fā)器為國外進口成套設(shè)備，由蜘蛛形支撐結(jié)構(gòu)、壓板、膜片子組件和壓縮桿4個部分組成。每臺設(shè)備包含空氣排放口、水蒸氣出口、廢水出入口和傳感器接入口。膜蒸發(fā)器進口壓力要求小于13kPa，前端通過設(shè)置回路和閥門調(diào)節(jié)。

含鹽廢水首先進行預(yù)處理，去除來水中的懸浮物(大于20μm)，避免對后續(xù)工藝的正常運行造成影響，同時對來水進行升溫。經(jīng)預(yù)處理后的廢水進入膜蒸發(fā)器模塊內(nèi)，利用真空泵抽取膜組件冷側(cè)的真空，形成冷、熱兩側(cè)水的蒸氣壓差，熱側(cè)的液相水在膜面汽化轉(zhuǎn)移至冷側(cè)，以水蒸氣的形式存在。水蒸氣經(jīng)冷凝后轉(zhuǎn)化為液相純凈水，利用清水泵導(dǎo)出處理系統(tǒng)。隨著含鹽廢水的不斷流入，膜蒸發(fā)器模塊內(nèi)廢水的污染物濃度逐漸升高，當達到設(shè)定值時，系統(tǒng)停止工作，將濃縮廢液排出系統(tǒng)中，系統(tǒng)開始下一批次工作。

2.1.4 蒸發(fā)結(jié)晶裝置單元

本項目中蒸發(fā)結(jié)晶裝置采用單效降膜蒸發(fā)器，由換熱器、分離器、冷凝器、進料泵、出料泵、真空泵以及配套管路閥門組成。

其工作流程為：膜蒸發(fā)器排出的濃液在進料泵的作用下進入蒸發(fā)室內(nèi)；物料在加熱室內(nèi)均勻地在加熱管內(nèi)壁從下而上流動，同時被加熱至物料沸騰狀態(tài)，加熱后水進入分離室完成氣、液分離，物料達到一定濃度后，母液由分離器下出料口的出料泵析出，由離心機固液分離得到鹽結(jié)晶物，母液繼續(xù)返回系統(tǒng)蒸發(fā)。分離器產(chǎn)生的二次蒸汽進入冷凝器冷凝后由冷凝水罐收集；不凝性氣體經(jīng)真空泵抽取，全系統(tǒng)使用1臺真空泵，通過管路及閥門控制真空度。加熱器、分離室的壓力由冷凝水罐串聯(lián)的冷凝器進行控制。

2.2 工藝特點

膜蒸餾工藝是一項新型水處理技術(shù)，它以溫度差作為分離驅(qū)動力，將反滲透和蒸餾技術(shù)的最佳屬性結(jié)為一體，同時又避開了以上兩種技術(shù)的缺陷，具有運行成本低、抗污染性強、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點。主要特點如下：

a.處理效果穩(wěn)定，出水直接回用，可實現(xiàn)零排放。膜蒸餾系統(tǒng)對水中無機鹽的去除率可以達到90%以上，能夠獲得高品質(zhì)的出水，同時最大限度地減少濃排水的最終排放量。

b.充分利用余熱，形成運行成本的優(yōu)勢。由于企業(yè)在生產(chǎn)的過程中有著豐富的余熱，而膜蒸餾技術(shù)的分離驅(qū)動力為溫度差，因此可以和企業(yè)生產(chǎn)緊密銜接起來，實現(xiàn)余熱資源的有效利用。通過“膜蒸餾”系統(tǒng)中熱量回收單元，最大限度地降低系統(tǒng)能耗，并且動力設(shè)備少，可節(jié)約大量的電能。

c.系統(tǒng)運行簡單，無須復(fù)雜的前后處理及維護。膜蒸餾系統(tǒng)沒有較多的運動部件，運行維護簡單，配置靈活，可根據(jù)用戶需要按使用點進行組裝。

d.系統(tǒng)穩(wěn)定，使用壽命長。膜蒸餾系統(tǒng)所采用的膜是一種高分子聚合物無孔化學(xué)隔膜，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，使用壽命長。

3 處理效果

經(jīng)過探究進水鹽濃度、進料溫度、膜面流速、真空度對工藝參數(shù)的影響，找出最優(yōu)工藝條件后，將膜蒸餾與蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)聯(lián)動運行，并對最終冷凝水(包含膜蒸餾和蒸發(fā)兩部分)水質(zhì)和產(chǎn)水率進行檢測分析，分析結(jié)果如下：

當進水含鹽量在49000mg/L時，該套膜蒸餾和蒸發(fā)結(jié)晶兩部分產(chǎn)水情況為膜蒸餾產(chǎn)水率不小于60%，含鹽量不大于300mg/L，蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)水率不小于90%，含鹽量不大于800mg/L，兩股產(chǎn)水混合后含鹽量不大于350mg/L，脫鹽率達到99%，回用水回收率達到92%。由此可以看出，該套膜蒸餾設(shè)備對高含鹽廢水有較好的處理效果。

4 結(jié) 語

為解決高含鹽廢水處理的難題，本文介紹了一套膜蒸餾系統(tǒng)，經(jīng)研究結(jié)果證實，該套膜蒸餾系統(tǒng)具有處理效果穩(wěn)定、能充分利用余熱、系統(tǒng)運行簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使該套膜蒸餾系統(tǒng)具有推廣應(yīng)用價值，為膜蒸餾處理高含鹽廢水提供了又一具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍し蛛x技術(shù)，將高含鹽廢水中的水進行回收利用，最大限度地降低高含鹽廢水對水環(huán)境造成的潛在危害，這項技術(shù)可應(yīng)用到各行各業(yè)的高含鹽廢水處理領(lǐng)域中，發(fā)揮其自身優(yōu)勢，為高含鹽廢水處理技術(shù)提供一個新的方向。