面向工業(yè)反滲透濃水零排放的膜濃縮技術(shù)研究進(jìn)展

何萌萌

（山東利源海達(dá)環(huán)境工程有限公司 山東濟南 250000）

近年來，隨著水資源的污染和逐漸枯竭，以反滲透技術(shù)為代表的水處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，越來越多的企業(yè)都在建設(shè)反滲透系統(tǒng)，但因缺乏反滲透技術(shù)方面的人才，各反滲透系統(tǒng)的運行水平參差不齊。為了能夠很好地發(fā)揮反滲透系統(tǒng)的作用，需要規(guī)范反滲透系統(tǒng)的運行管理。對反滲透系統(tǒng)運行參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，是規(guī)范反滲透系統(tǒng)運行管理的關(guān)鍵。

在實際生產(chǎn)過程中，反滲透系統(tǒng)的運行條件在不斷地發(fā)生變化，如進(jìn)水的溫度、電導(dǎo)率、壓力和SDI（淤泥密度指數(shù)）值等，這些運行條件的變化會引起反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水量、回收率、跨膜壓差和脫鹽率等運行參數(shù)的變化。為了判斷反滲透系統(tǒng)運行參數(shù)的變化是因運行條件發(fā)生變化而引起的正常變化，還是因水質(zhì)發(fā)生惡化后導(dǎo)致反滲透系統(tǒng)發(fā)生污堵，或是反滲透膜元件性能衰減而引起的異常變化，則需要將反滲透系統(tǒng)的運行參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并將其與反滲透系統(tǒng)實際運行參數(shù)進(jìn)行對比［1］。

1 研究背景

這些年來，全球氣候變化非常大，CO2排放的總量越來越多，溫室效應(yīng)使南極、北極的冰川大量地融化，全球的海平面呈上升趨勢，各種惡劣的極端天氣出現(xiàn)得越來越多，如冰雹、沙塵暴、暴雨或干旱等，對于整個生態(tài)環(huán)境帶來非常大的危害。習(xí)近平主席在第75 屆聯(lián)合國大會上提出“努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”，這一戰(zhàn)略目標(biāo)非常重要，不但為中國的綠色發(fā)展指出了道路，而且也表現(xiàn)了我國實行《巴黎協(xié)定》的決心。我國這些年來的經(jīng)濟發(fā)展速度越來越快，但是我國的水資源并不豐富，如果想要實現(xiàn)“碳中和”的道路，必須要保證水資源的合理利用，避免水資源浪費或者污染的情況產(chǎn)生［1］。

電力系統(tǒng)需要的水資源比較多，特別是火力發(fā)電系統(tǒng)需要的水資源更多，一些大的火力發(fā)電廠每天消耗的水量非常多，有的可能會超過100 000 萬t。我國現(xiàn)在的很多用火力發(fā)電的鍋爐都采用一些措施來補給水，如用離子交換出鹽的方法等。在這些措施中，最好的要數(shù)反滲透處理，它有很多優(yōu)點，如操作容易、占地面積小、消耗的能源很低等。當(dāng)然，同時反滲透膜本身也會有缺點，它的廢水回收率在70%～75%，25%的廢水依然會存在，這些廢水的含鹽量一般都會比較高，而且有很多的污染物。根據(jù)美國的研究結(jié)果表明，反滲透的濃水中有很多對人體和環(huán)境都有害的物質(zhì)，包括農(nóng)藥的殘留物等。如果不對其進(jìn)行處理就直接排放，必然會對環(huán)境造成非常嚴(yán)重的污染。

基于碳中和的國策，大量的廢碳用粗暴的方法直接排放，必然違背初衷?，F(xiàn)在，工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的速度越來越快，毫無疑問帶來了經(jīng)濟的發(fā)展，但同時也產(chǎn)生了越來越多的工業(yè)污染物，這些污染物依靠自然的力量沒有辦法完全凈化，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重的破壞。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，各種污染也越來越嚴(yán)重，人們也一天比一天清楚地認(rèn)識到保護(hù)環(huán)境的重要性，把它當(dāng)作一項重要工作。只有保護(hù)好環(huán)境，人們才能更好地生活，才能保持身體的健康。環(huán)境和人們的生活密切相關(guān)，所以，必須控制好工業(yè)中的污染物，努力降低對環(huán)境的污染。

這些年以來，各行各業(yè)的發(fā)展都非?？?，人民生活水平也有了很大的提高，我國的養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展也很快。之前很多工廠會把廢棄物直接粗暴地排放到河里或者湖里、海里，這些肯定會使水受到污染，水中的生物也會受到傷害，人們吃了這些水中產(chǎn)出的水產(chǎn)品后，會嚴(yán)重地影響身體健康，甚至威脅生命［2］。

除了上面說的之外，沒處理好的工業(yè)廢水還會影響經(jīng)濟的發(fā)展，影響水資源的合理利用?，F(xiàn)在許多地區(qū)都很重視對水資源的治理，也很重視工業(yè)廢水的處理方法，提出許多針對性的解決方案。人們更應(yīng)該從源頭上減少對環(huán)境的污染，在工業(yè)生產(chǎn)中，想辦法減少污水的產(chǎn)生，時刻注意污水的處理方案，做到保護(hù)好環(huán)境的同時，發(fā)展經(jīng)濟。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 污堵情況描述

在使用反滲透膜時，需要注意反滲透膜有沒有污堵的情況出現(xiàn)，可以把膜元件拆下來，拆的時候可能會有很大的味道，各種組件是比較平滑的。拆開端蓋板后，可以看到有深褐色的像膠一樣的東西附在組件端面上，可以滴一些化學(xué)溶液，如氫氧化鈉溶液，這些物質(zhì)就能夠被溶解。在測定濃水中的細(xì)菌數(shù)時，觀察數(shù)值，發(fā)現(xiàn)比較高的情況下，如果淤泥濃度指數(shù)高于標(biāo)準(zhǔn)值，那么可能已經(jīng)有微生物的污染出現(xiàn)了［3］。如果要觀察有沒有金屬氧化物的污染時，可以用膠狀物做一個酸溶解試驗，如果有黃色的物質(zhì)出現(xiàn)，那么就可以確定有這個污染。組件的無機鹽結(jié)垢通常會在2 段出現(xiàn)，拆卸下來2段裝置的最后一節(jié)稱重量，發(fā)現(xiàn)沒有重量變化，也看不到有污染物質(zhì)。根據(jù)分析，微生物、金屬氧化物、膠狀物質(zhì)等可能會在裝置的入口處引起反滲透膜組件的污堵。

2.2 清洗方案

清洗主要是反滲透沖洗的方法，主要是利用沖洗水泵的沖洗系統(tǒng)，沖洗好，內(nèi)部的液體全部置換后，再用化學(xué)步驟清洗。

殺菌劑清洗的方法：用反滲透阻垢劑公司生產(chǎn)的非氧化性殺菌滅藻劑反復(fù)地清洗系統(tǒng)。配置清洗液時，要在清洗箱里配置1500mg／L的清洗液，然后在清洗泵和清洗箱之間來回倒，讓藥液能夠混合在一起。清洗時，要控制好清洗的流量，時間控制在2～3h，清洗泵的壓力控制在0.3MPa，清洗時的溫度常溫即可。洗完以后，一定要把清洗液沖干凈［4］。

堿洗主要是利用堿洗藥品的反復(fù)清洗反滲透。首先配置溶液，將配置好的2%的堿洗液反復(fù)地混合直到均勻，然后沖洗。清洗時，注意保持溫度和壓力不變，適宜的溫度是33℃～35℃，反復(fù)清洗4～6h。清洗好后，一定要洗干凈清洗液。

密封膠圈非常重要，一定要重視密封圈的改進(jìn)。在密封圈的使用和安裝中，必須要注意以下兩個方面。首先，安裝密封膠圈時，一定要保證安裝的順利，保證密封膠圈的作用，保證密封圈的安裝不會影響反滲透水的處理設(shè)備，可以把甘油涂在密封圈的表面，使膠圈和配件之間的摩擦變小，這樣更容易安裝，不容易出現(xiàn)膠圈變形或膨脹的問題。其次，高濃度的鹽水和污水不可避免地會造成密封膠圈的腐化和侵蝕，這就要求必須要注意密封圈的材料，盡量選擇耐腐蝕的材料來替代傳統(tǒng)的密封圈材料，這樣的材料可以延長使用壽命，減少對設(shè)備的影響，保證設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)［5］。

3 面向工業(yè)反滲透濃水零排放的膜濃縮技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 滲透蒸餾

面向工業(yè)反滲透濃水零排放的膜濃縮技術(shù)中，經(jīng)常會用到的是滲透蒸餾。它是一種新型開發(fā)的技術(shù)，它還有很多名字，如溫膜蒸餾等，主要是對水溶液濃縮的一個過程。微孔的疏水膜兩邊的溶液表現(xiàn)是不同的，所以表現(xiàn)出的滲透壓力也不同，兩邊的溶液中有相同的能揮發(fā)的成分，例如，水蒸氣可以從滲透壓力高的溶液里穿過一個小孔，然后到滲透壓力低的溶液中，這樣滲透壓力高的溶液就得到了濃縮［6］。傳統(tǒng)的濃縮方法有很多，但是沒有滲透蒸餾濃縮好，因為滲透蒸餾對壓力和溫度要求很低，能在常溫和常壓的條件下進(jìn)行，這樣可以把溶質(zhì)的損失降到最低，讓溶液可以分離出來。

3.2 電滲析

電滲析作為一種很有效的技術(shù)，有很多的優(yōu)點，如成本低、水的回收率高、鹽度可以提升等。它能把含有鹽的廢水中的鹽度濃縮到100 000mg/L，這樣可以對反滲透的濃水進(jìn)行二次濃縮。開始時，電滲析經(jīng)常用在海水淡化上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水的回收率非常高，而且還能提升鹽度。有機物在用反滲透濃水膜濃縮時無法通過反滲透的膜，而且沒有壓力的驅(qū)動，所以污水中的有機物會有非常高的耐受性，能夠讓有機物分離出來［7］。相對來說，電滲透的投資成本比反滲透水膜的成本要低很多。

3.3 正滲透

正滲透技術(shù)就是通過膜兩邊的滲透壓不同有差距，然后分離出來。這種技術(shù)的能源消耗比較低，而且還能處理質(zhì)量濃度很高的70 000mg/L 廢水，一般能把含鹽的廢水濃縮到10%～15%。有研究人員表明，將鹽水的溶解性總固體質(zhì)量濃度提高，達(dá)到210 000mg/L，然后試驗正滲透在這種條件下能不能操作，結(jié)果證明，正滲透是很有效果的［8］。這項技術(shù)還有非常好的抗污染能力，產(chǎn)出的水品質(zhì)好，如果廣泛應(yīng)用，有助于早日實現(xiàn)工業(yè)廢水的零排放。

3.4 反滲透

還有一種反滲透膜的方法，不是所有的物質(zhì)都能透過反透膜，在膜的一邊可以施加壓力來克服溶液的自然壓力，讓溶劑從另一邊分離出去，另一邊的濃度增加之后，就能得到濃縮。反滲透系統(tǒng)有許多的數(shù)據(jù)，一些參數(shù)、溫度、濁度、污染指數(shù)等是很重要的，甚至?xí)绊懛礉B透膜的使用壽命和運行的穩(wěn)定性。

反滲透系統(tǒng)運行時的參數(shù)主要有3 個，分別是標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)水量、標(biāo)準(zhǔn)化的跨膜壓差和標(biāo)準(zhǔn)化的脫鹽率［9］。這些參數(shù)是動態(tài)的，在運行的過程中不是不變的，在流量恒定的情況，這些參數(shù)可以體現(xiàn)產(chǎn)水量等參數(shù)的變化，所以這些參數(shù)非常重要，是日常運行管理中很重要的參考指標(biāo)。工作人員調(diào)整系統(tǒng)的工作壓力時，要看產(chǎn)水量是否變化，為了讓系統(tǒng)能夠恒流量地運行，最好讓產(chǎn)水量有一個恒定值。這些參數(shù)對反滲透膜的元件來說，代表實時的參數(shù)，也是外部的一個特點，通過這3 個參數(shù)，能夠直接反映透水率、脫鹽率和流道阻力，但不能判斷元件是否損壞或功能是否衰退。通過每天記錄這個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可以建立一個模型，對這些參數(shù)有一個判斷標(biāo)準(zhǔn)，這樣就能看出來反滲透膜的元件會不會已經(jīng)損壞或者功能是不是衰退，進(jìn)而就可以依據(jù)參數(shù)變化判斷對反滲透系統(tǒng)的影響。

3.5 高壓反滲透

普通的反滲透膜運行時能承受的壓力通常是25～48，可以把膜組的進(jìn)水壓力提高，這樣不但能把含鹽量提高，而且也可以更加濃縮，更好地實現(xiàn)零排放，降低處理的壓力。這些年來，很多水處理的行業(yè)都用一些組合的方式來處理高濃度污水的膜組件，最大的耐受壓力可能達(dá)到128，使系統(tǒng)的回收率能夠≥50%，脫鹽率能夠≥98%，鹽分濃縮在100 000～180 000mg/L。筆者公司研發(fā)出的一些組合工藝使污水的回收率達(dá)到60%以上，使海水淡化過程中反滲透率能夠得到有效的提高。

對于一些反滲透方式的船，可以研究海水淡化裝置的結(jié)構(gòu)，并且可以建立模型，根據(jù)這些，得出影響系統(tǒng)的回收率的原因，如等效高度差、控制閥的開度等，在15s 時，系統(tǒng)產(chǎn)水就能達(dá)到穩(wěn)定了。還可以用高壓的反滲透技術(shù)把化學(xué)工業(yè)的濃鹽水溶解性總固體濃縮到60 000mg/L，同時進(jìn)水的氫離子濃度指數(shù)調(diào)到10 以上，可以提高金屬硅的結(jié)垢值，減少膜上的微生物和有機物［10］。

3.6 DT-RO處理

經(jīng)過前面所說的步驟之后，已經(jīng)回收了40%的濃水，而且回收的這部分含鹽量也提高很多，這時的濃水化學(xué)需氧量含量高，濃水的含鹽量也很高，可以用碟管式超高壓反滲透的方法繼續(xù)對濃水提純回收，讓濃水的濃度加深。

碟管式反滲透技術(shù)是比反滲透技術(shù)更深的階段，除了能提高各種元件的抗污染和抗壓力的能力外，還能對膜元件進(jìn)行改造。這項技術(shù)經(jīng)常被用到含鹽量高、化學(xué)需氧量高的廢水處理當(dāng)中，該技術(shù)主要是把碟管式反滲透的膜片和水力的倒流盤疊檔后固定一下，形成碟管式的膜柱，濃度高的鹽水從入口流進(jìn)去，然后從膜組件的空隙里按照一定的順序經(jīng)過滲透膜流出，產(chǎn)生濃縮液體和純水，處理之后的濃水含鹽量能夠達(dá)到50 000mg/L，然后把這些水放到蒸發(fā)結(jié)晶的池子里。這種處理方式基本上就是零排放。

4 結(jié)語

DTRO、ED、MD和FO是有效的膜濃縮工藝，對RO濃水有進(jìn)一步濃縮的潛力，但均存在一定的缺點，且當(dāng)前廢水排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，獨立或單級系統(tǒng)不能實現(xiàn)廢水零排放，需要為膜濃縮技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展探尋新的方向。因此，多級配置是一種不錯的選擇。未來，在膜集成技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用、膜材料的設(shè)計與制造、過程優(yōu)化等方面應(yīng)給予更多的關(guān)注，為工業(yè)廢水RO濃水的零排放提供最優(yōu)方案。