反滲透濃水減量化處理探究

宮杰，張白雪，韓方東，孔妍，張文輝，張楠

（1.濱州市特種設(shè)備檢驗研究院，山東 濱州 255600；2.山東省特種設(shè)備檢驗研究院有限公司，山東 濟南 250000；3.山東省特種設(shè)備檢驗研究院濟寧分院，山東 濟寧 272000；4.淄博市特種設(shè)備檢驗研究院，山東 淄博 255000）

1 研究背景

近幾年隨著各國二氧化碳排放增加，溫室氣體猛增，兩極冰川融化提速，海平面上升，氣候變化帶來了各種極端惡劣天氣，對生命系統(tǒng)形成威脅。習(xí)近平主席于2021年9月22日第七十五屆聯(lián)合國大會上提出了“努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標，為中國下一階段的能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展指明了方向，也展現(xiàn)了中國踐行《巴黎協(xié)定》氣候行動承諾的決心。

我國是水資源匱乏國家，國家經(jīng)濟迅猛發(fā)展的同時，水資源的不合理開發(fā)、浪費、以及水體污染的加劇都成為阻礙我國實現(xiàn)“碳中和”路上的絆腳石。電力系統(tǒng)，尤其是火力發(fā)電系統(tǒng)是目前用水最多的工業(yè)之一，大型火力發(fā)電廠日均耗水量甚至超過10萬噸。目前我國絕大多數(shù)火力發(fā)電鍋爐都采取了反滲透、離子交換除鹽的措施處理鍋爐補給水。其中反滲透處理具有系統(tǒng)簡單、操作便捷、占地較小、脫鹽率高、能耗較低等諸多優(yōu)勢。但是，由于反滲透膜本身的性能特點，目前反滲透技術(shù)水回收率在70%～75%，仍然存在約25%的濃縮廢水。反滲透濃水中的含鹽量非常高，據(jù)美國環(huán)保署研究表明，反滲透濃水中含有45種危及環(huán)境和人體健康的污染物，主要是農(nóng)藥殘留、重金屬等[1]。如果采取粗狂型的直接排放必然會嚴重破壞環(huán)境，而且產(chǎn)生大量的廢碳排放，與我們碳中和的國策背道而馳。因此，本文探究一些解決反滲透濃水處理的思路方案，以求實現(xiàn)反滲透濃水減量化處理。

2 水質(zhì)概況

火力發(fā)電廠用水以地表水為主。以北方為例，主要為黃河水，當然也有部分采用南水北調(diào)的長江水。黃河水含鹽量較高，水體渾濁，含有大量泥沙。表1為黃河水山東段水質(zhì)情況。

表1 黃河水（山東）水質(zhì) 單位：mg/L

通過化驗可以看出，黃河水中除了懸浮物、膠體、溶解性氣體雜質(zhì)外，溶解性離子主要為陽離子鈣、鎂、鈉、鉀等離子，陰離子主要為重碳酸根、氯離子、硫酸根等。黃河水經(jīng)過混凝沉降、澄清和過濾等預(yù)處理后，進入反滲透系統(tǒng)。表2為對某電廠FJF4.0型反滲透濃水水質(zhì)情況分析結(jié)垢結(jié)果。

表2 某電廠反滲透濃水水質(zhì)

由此可知，反滲透濃水含鹽量較高，有較高的硬度和甲基橙（M）堿度。

3 減量化處理工藝

針對反滲透濃水的成分采取針對性的措施處理。由于反滲透濃水水質(zhì)含鹽量并不是特別高，因此可以考慮將濃水再次進行反滲透凈化濃縮利用，將一級反滲透改造為二段處理，一級反滲透的濃水再次進入反滲透濃縮。對山東某電廠某組FJ-F4.0型反滲透設(shè)備進行了改造實驗，如圖1所示，該組反滲透共6只反滲透膜，縱式排列，分為兩段，一級第一段為

圖1 山東某電廠某組FJ-F4.0型反滲透設(shè)備

下置4只膜，一級第二段為上置2只膜，第一段產(chǎn)出濃水作為二段進水進入第二段再處理，第一段與第二段的淡水同時進入下一級水處理設(shè)備深度除鹽。對第二段產(chǎn)出的濃水進行分析檢測，化驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 某電廠反滲透二段處理產(chǎn)出濃水水質(zhì) 單位：mg/L，pH值除外

鑒于二段濃鹽水高硬度、高堿度、高含鹽量的特點，為實現(xiàn)濃鹽水的減量化，需對其進行進一步濃縮減量處理，采取蒸發(fā)結(jié)晶可實現(xiàn)零排放。主要技術(shù)為石灰預(yù)處理→沉降→堿處理→二次沉降→膜蒸餾→DT-RO處理的工藝。

3.1 預(yù)處理

結(jié)合濃鹽水的水質(zhì)特點，可采取沉淀軟化、過濾、超濾的工藝進行處理，以除去濃鹽水中的絕大部分硬度、堿度、懸浮物、膠體等雜質(zhì)。

以石灰石為沉淀劑進行軟化處理，主要作用機理為：

（1）處理濃鹽水中游離的二氧化碳。

（2）處理濃鹽水中碳酸鹽硬度，大幅度降低濃鹽水的堿度。

（3）促使硬度轉(zhuǎn)換，使非碳酸鹽硬度中的鎂硬度轉(zhuǎn)換為鈣硬度，可配合純堿或氯化鈣進一步處理非碳酸鹽硬度。

（4）處理濃鹽水中部分鐵和硅。

在第一級沉降池采用石灰石預(yù)處理后，進行固液分離，沉降池的上層清液進入下一級沉降池，大部分硬度、堿度、懸浮物、膠體等雜質(zhì)已經(jīng)在第一級沉降池處理掉，第二級沉降池加入鍋爐汽包連續(xù)排污水，并配合加入NaOH，調(diào)節(jié)pH值在11左右，處理掉剩余硬度，生成Mg(OH)2和Ca(OH)2沉淀，同時可以攜帶二氧化硅共沉淀。由于汽包連續(xù)排污水的引入提高了沉降池水溫，以提高膜蒸餾的效率和成本，同時也可以降低排污水的處理成本。

3.2 膜蒸餾

膜蒸餾（membrane distillation，簡稱 MD），是一種利用水蒸汽分壓作為物質(zhì)傳遞的推動力，使水汽從分壓較高的一側(cè)通過特定材質(zhì)的膜傳遞到水汽分壓較低的一側(cè)，實現(xiàn)水汽的富集，從而實現(xiàn)物質(zhì)的濃縮或提純。相比于傳統(tǒng)的蒸餾，膜蒸餾的操作壓力和溫度都比較低，設(shè)備占地面積較小，分離程度高，同時在分離過程中具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。因此是一種非常適宜反滲透濃水處理的一類方法。

膜蒸餾主要分為直接接觸式膜蒸餾（圖2）和氣隙式膜蒸餾（圖3）。

圖2 直接接觸式膜蒸餾

圖3 氣隙式膜蒸餾

冷熱測溶液能夠通過膜完成直接傳質(zhì)。因此需要將預(yù)處理后的反滲透濃水進行升溫，以產(chǎn)生足夠的溫差，推動傳質(zhì)的完成。為進一步提高二級沉降池出水的水溫，考慮將熱力除氧器排出的蒸汽通過管線引至二級沉降池出口，通過換熱器換熱，進一步提高濃水溫度。同時可以收集除氧器蒸汽冷凝水回用。每年一臺200 t蒸發(fā)量的鍋爐熱力除氧的蒸汽損耗就會超過300萬，通過對膜蒸餾的換熱，既可以節(jié)省除氧器排汽的損失，也提高了濃水進入膜蒸餾設(shè)備的溫度。實現(xiàn)了電廠內(nèi)部能量的充分利用，降低了企業(yè)成本。

3.3 DT-RO處理

經(jīng)過前面幾級處理后，反滲透濃水回收了40%左右，同時濃水的含鹽量又得到大幅度提升，針對此階段濃水含鹽量高、COD含量高的特點，采取DT-RO的處理方式，可使?jié)馑玫竭M一步提純回用，同時繼續(xù)加濃濃水部分。

DT-RO（碟管式超高壓反滲透）是反滲透技術(shù)的深化，主要通過對膜元件本身的改造，改變膜元件構(gòu)造，來提高膜元件的抗壓和抗污染的能力。DT-RO技術(shù)適用于對含鹽量、COD含量非常高的廢水的處理。DT-RO處理濃鹽水的主要機理是把碟管式反滲透膜片與水力導(dǎo)流盤疊放在一起，用中心拉桿和端板進行固定，然后置入耐壓套管中，就形成一個碟管式膜柱。系統(tǒng)運行時待處理的濃鹽水從膜組件的入口流入，并經(jīng)由膜組件內(nèi)部空隙，由上至下，由內(nèi)而外，依次經(jīng)過各滲透膜，并最終從膜組件上端流出，形成濃縮液和純水，DT-RO膜組件基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DT-RO膜組件基本結(jié)構(gòu)

經(jīng)DT-RO處理后超濃水部分含鹽量預(yù)計會達到50 000 mg/L以上。超濃水繼續(xù)進入蒸發(fā)結(jié)晶池，基本可以實現(xiàn)零排放處理。常見的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)有機械蒸汽再壓縮技術(shù)（MVR）和多效蒸發(fā)（MED），本文重點討論反滲透濃水的減量化處理，因此對蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)不做贅述。

4 結(jié)語

隨著我國對環(huán)保重視程度的加深，“碳中和、碳達峰”已成為我國非常重要的一項政策目標，目前全國電力系統(tǒng)主要水處理還是以反滲透為主，反滲透濃水的減量化處理是特種設(shè)備行業(yè)需要特別重視的一項工作。當然還是鼓勵有條件的企業(yè)，可以盡可能完善零排放設(shè)備。

本文探索采取反滲透改造一級二段處理、二段反滲透濃水石灰預(yù)處理、沉降、堿處理、二次沉降、膜蒸餾、DT-RO處理的處理工藝以實現(xiàn)反滲透濃水減量化，中間采用對汽包連續(xù)排污水的再利用以及對熱力除氧排汽的利用，同時也大幅度提高了節(jié)能效果。當然不同地區(qū)，不同水質(zhì)，不同條件的企業(yè)應(yīng)當根據(jù)實際情況采取不同的濃水處理方式，但是隨著基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的不斷升級，相信不久的將來一定會有更加節(jié)能、高效、低成本的處理方式走進大家的視線。