高效膜濃縮技術(shù)在廢水零排放系統(tǒng)中的重要作用探討

喻 珊，王思拓，傅凱文，王 濤

（新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338000）

引言

相較于傳統(tǒng)的熱蒸發(fā)后冷凍濃縮等技術(shù)，高效膜濃縮技術(shù)具有降低能耗、無污染等優(yōu)點，而且該項技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，不會涉及到加熱或冷卻環(huán)節(jié)，因而不會產(chǎn)生廢水和廢氣等。另外，將該技術(shù)應(yīng)用于廢水零排放系統(tǒng)中，除了可以將化工廢水全部回收以外，還能降低化工生產(chǎn)過程對環(huán)境污染造成的影響，從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益與環(huán)保效益的雙提升。在零排放系統(tǒng)中如何有效應(yīng)用高效膜濃縮技術(shù)，是目前各相關(guān)人員需要重點考慮的問題。

1 高效膜濃縮工藝特點

高效膜濃縮工藝的特點具體表現(xiàn)在以下幾方面：①基于弱堿條件，當(dāng)反滲透裝置處于運行狀態(tài)時，能夠更好地控制堿的消耗，提高氨氮的去除效果。②利用較高pH值的沖洗水對反滲透裝置進行清洗，不僅可以有效去除因有機物或硅沉淀所形成的污堵，還對有機物及微生物污染起到了一定的控制作用，從而降低了無機鹽與有機物混合后產(chǎn)生垢層的可能性。③調(diào)整反滲透系統(tǒng)的運行條件，以便相關(guān)人員可以更加簡單地進行操作。

長時間運行COD經(jīng)過濃縮處理后，極易出現(xiàn)膜污堵等情況，有機物、生物沉淀對膜造成的污染需要經(jīng)過一段時間，通常情況下，膜濃縮裝置連續(xù)運行時間超過4 h后，膜表面僅有少量有機物污染存在；針對該種情況，將適量強堿加入水中，能夠?qū)崿F(xiàn)對pH值的靈活調(diào)節(jié)，并將pH值控制在10.5～11.8范圍內(nèi)，再利用高pH值的水對膜表面進行大流量清洗，就能將有機物和膠體等物質(zhì)從膜表面去除[1]。待沖洗結(jié)束后，加堿工序也要同步暫停，并提高水壓，使膜濃縮裝置重新投入運行。

上述操作即為高效膜濃縮技術(shù)應(yīng)用，既有效控制了常規(guī)反滲透的生物污染、有機物等污染等問題，又能夠滿足堿性條件下反滲透裝置運行時降低堿消耗量的需求，從而進一步提高了氨氮的去除效果。在系統(tǒng)處于運行狀態(tài)下，進水COD若始終保持較低，此時可以控制加堿頻率，適當(dāng)減少堿的投入量。當(dāng)高效膜濃縮系統(tǒng)的回收率達到90%時，其化學(xué)清洗周期最少也不能低于3個月，基于上述設(shè)定條件，能夠保證反滲透系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，從而實現(xiàn)從工藝源頭克服反滲透裝置易污染的難題，進而提高結(jié)垢的去除效果。

2 廢水零排放系統(tǒng)中高效膜濃縮技術(shù)的重要作用分析

為了實現(xiàn)廢水的零排放，目前主要采用物理或化學(xué)預(yù)處理方式，有效去除水中的懸浮物、膠體及結(jié)垢離子等，并利用膜處理工藝深度處理廢水，既能減少廢水量的產(chǎn)生，又能在蒸發(fā)結(jié)晶工藝支持下處理濃縮液，進而達到廢水零排放的目標(biāo)，降低化工生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境的負面影響。通過對現(xiàn)階段化工企業(yè)廢水排放情況的調(diào)研與分析，普遍存在循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的問題。如果廢水處理未達標(biāo)，不僅會對水環(huán)境造成嚴重污染，也會威脅城市居民的身體健康。從化工企業(yè)角度分析，如果循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)不符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，而且氯離子的含量明顯超標(biāo)，在一定程度上也會腐蝕主機設(shè)備，直接影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

基于上述情況，將高效膜濃縮技術(shù)應(yīng)用于廢水零排放系統(tǒng)中，可以充分發(fā)揮該項技術(shù)在節(jié)能與環(huán)保方面的優(yōu)勢，將廢水全部回收，從而解決了傳統(tǒng)工藝流程中一直存在的反滲透裝置污染及結(jié)垢嚴重的問題。

以高效膜濃縮技術(shù)為支撐的廢水零排放系統(tǒng)，除了能夠有效減少能耗以外，還能夠幫助企業(yè)更好地控制成本和系統(tǒng)運行費用，進而真正實現(xiàn)廢水的零排放。

3 高效膜濃縮技術(shù)在廢水零排放系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

本文以某化工企業(yè)廢水排放為例，其中原水處理、化學(xué)水脫鹽系統(tǒng)、提濃系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等均是該化工企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)有的水系統(tǒng)，由于水回用系統(tǒng)無法保證可以正常投入使用，促使循環(huán)排污水僅能通過生化系統(tǒng)排入循環(huán)水系統(tǒng)，并隨著時間的推移，形成閉環(huán)的廢水排放循環(huán)，導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)中水質(zhì)未達到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，尤其是水中氯離子含量最高達到mg/L，對相關(guān)設(shè)備有著極為嚴重的腐蝕影響。此外，該化工企業(yè)現(xiàn)有的化工水系統(tǒng)的濃水，雖然經(jīng)過反滲透進行了一定的減量處理，但也會因濃縮倍率未達到預(yù)期設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)而剩余大量濃鹽水，僅能將其用于降塵作業(yè)中，難以實現(xiàn)廢水的零排放。

綜合考慮上述情況，需要對內(nèi)部現(xiàn)有的生化系統(tǒng)進行重新設(shè)計，并結(jié)合實際情況，合理引入高效膜濃縮技術(shù)，詳細制定生化系統(tǒng)改造方案，對生化的產(chǎn)水及化學(xué)水系統(tǒng)的濃水做更進一步地處理，以減少循環(huán)冷卻水中鹽分的含量，為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供基礎(chǔ)保障。同時，還可以利用高pH值對生物污染的抑制作用，使水中含有的微生物、有機物可以在高pH值運行條件下逐漸被乳化或皂化，避免在膜表面附著，解決了嚴重的結(jié)垢問題，切實提高了化工企業(yè)整個水處理系統(tǒng)的運行水平，從而真正實現(xiàn)了廠區(qū)生產(chǎn)廢水的零排放。

3.1 零排放系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計

重新評估現(xiàn)有水系統(tǒng)的運行情況，以實現(xiàn)廢水零排放為目標(biāo)，合理設(shè)計進水和出水的水量水質(zhì)表，目的是待水系統(tǒng)改造完成后，其水質(zhì)完全符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)化工生產(chǎn)全過程的廢水零排放。本項目通過結(jié)合實際情況，設(shè)計并明確了零排放系統(tǒng)的工藝流程，具體包括以下方面。

（1）將前端的生化出水、化學(xué)水系統(tǒng)濃水及零排放系統(tǒng)反洗廢水、再生廢水、污泥脫水濾液等進行混合處理，并排入高密池，將燒堿、碳酸鈉適量投入水中，以達到有效除堿除硬的目的，從而將總硬度控制在100 mg/L范圍內(nèi)，且二氧化硅不超過15 mg/L。

（2）出水經(jīng)過軟化與澄清處理后，將其排入多介質(zhì)過濾器中，再以過濾的方式，將出水濁度降至要求的范圍內(nèi)（＜2 NTU）。

（3）利用弱酸陽離子樹脂去除過濾水中的所有硬度，使出水總硬度不超過1 mg/L。當(dāng)弱酸陽離子交換后，采用加酸的方式調(diào)節(jié)pH值，并借助鼓風(fēng)脫碳器將水中的堿直接脫除，從而有效降低CO2的含量，將其穩(wěn)定控制在5 mg/L范圍內(nèi)。

（4）待一定堿度通過脫碳器進行去除處理后，將出水進入超濾系統(tǒng)轉(zhuǎn)為反滲透的前端處理，可以有效避免出水SDI＞3的情況出現(xiàn)[2]。

（5）當(dāng)出水通過超濾裝置后，由高效膜濃縮系統(tǒng)進行接收，待膜濃縮裝置連續(xù)運行，且運行時間達到規(guī)定要求后，即

4～8 h以內(nèi)，可將適量強堿加入進水中，使進水的pH值提升至要求的范圍內(nèi)，即10.3～10.8。同時以大流量的方式，使用較高pH值的進水沖洗膜表面15 min，待沖洗結(jié)束后，沖洗水將重新進入膜濃縮裝置的進水箱，此時加堿工序也會暫停，通過加大水壓，讓膜濃縮裝置再次投入運行狀態(tài)。

（6）在通常情況下，前端濃縮處理完成后，可選擇以熱法蒸發(fā)結(jié)晶的方式實現(xiàn)高鹽廢水的零排放。在原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上增添降膜蒸發(fā)器、強制循環(huán)結(jié)晶器等裝置，目的是待濃縮倍數(shù)達到標(biāo)準(zhǔn)要求后，通過脫水機將結(jié)晶器的部分料液進行加壓處理，待提濃后再進入離心脫水機，當(dāng)濾液從脫水機中排出后，會直接返回結(jié)晶器內(nèi)，并將脫水后的結(jié)晶鹽進行統(tǒng)一處理。

（7）利用除霧器處理結(jié)晶器產(chǎn)生的二次蒸汽，并進入相應(yīng)設(shè)備中完成冷凝處理，再由蒸餾水箱接收冷凝水以及結(jié)晶器的冷凝液，根據(jù)具體需求選擇換熱降溫或進一步處理等方式，以達到廢水零排放的目的[3]。常溫結(jié)晶是傳統(tǒng)反滲透系統(tǒng)濃水處理過程中的常見情況，在廢水零排放系統(tǒng)中有效應(yīng)用高效膜濃縮技術(shù)，可以彌補傳統(tǒng)反滲透系統(tǒng)存在的不足，如預(yù)處理藥劑使用量過多，通過充分發(fā)揮高效膜濃縮的技術(shù)優(yōu)勢，解決濃水中鹽溶解難度大的問題，從而進一步提升水的回收率。進水水量水質(zhì)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)參考表1。

表1 進水水量水質(zhì)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 高密池裝置的設(shè)計

高密池裝置的設(shè)計是以循環(huán)、污泥混凝、斜管分離以及濃縮等科學(xué)理論為依據(jù)，形成高密度沉淀池工藝，并基于現(xiàn)有水系統(tǒng)的改造，對其水力和結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，以彌補傳統(tǒng)沉淀工藝存在的不足，從而將泥水分離與污泥濃縮兩個環(huán)節(jié)緊密銜接在一起，再由反應(yīng)區(qū)和澄清區(qū)兩個單元共同支撐新沉淀工藝的運作。高密池裝置設(shè)計的參數(shù)參考表2。

表2 高密池裝置設(shè)計參數(shù)

3.2.2 多介質(zhì)過濾器設(shè)計

無煙煤、石英石是多介質(zhì)過濾器中所使用的過濾介質(zhì)，將其添加在零排放系統(tǒng)中，可以有效去除水中殘留的懸浮雜質(zhì)，使水澄清達到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，并提前做好超濾處理準(zhǔn)備，進而將出水濁度控制在2 NTU以內(nèi)。

3.2.3 弱酸陽床設(shè)計

為了實現(xiàn)廢水零排放的目標(biāo)，可以將弱酸陽離子樹脂應(yīng)用于該系統(tǒng)的改造中，發(fā)揮弱酸陽離子樹脂的除硬優(yōu)勢，再利用其交換容量較大且能再生的特性，在滿足水中所有硬度得到有效去除的需求同時，借助化學(xué)藥品將使用過一段時間的樹脂進行再生處理，在發(fā)生離子交換反應(yīng)后，使樹脂基團在短時間內(nèi)盡快恢復(fù)，從而進一步提升弱酸陽離子樹脂的可利用價值，最大程度地節(jié)約處理成本。

3.2.4 超濾裝置及反滲透裝置的設(shè)計

超濾系統(tǒng)是支撐反滲透裝置功能作用發(fā)揮的重要基礎(chǔ)，對DOW聚偏氟乙烯中的空纖維膜絲具，采用外壓式結(jié)構(gòu)，增強系統(tǒng)的截污能力，并擴大了過濾面積。該系統(tǒng)也屬于去除高鹽廢水中懸浮物、硬度、硅或有機物的預(yù)處理環(huán)節(jié)，通過結(jié)合實際情況和廢水零排放的具體要求，合理設(shè)計超濾裝置，可以提高出水中硅與硬度的去除效果，從而進一步減少該環(huán)節(jié)中不必要的能耗[4]。

反滲透裝置：由于受到來水COD及其他雜質(zhì)的影響，傳統(tǒng)UF/RO系統(tǒng)無法一直保持較高的回收率，針對此種情況，以高效膜濃縮技術(shù)為依托，對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造，以進一步提升系統(tǒng)的回收率。零排放系統(tǒng)工藝流程中涉及使用的反滲透裝置，相較于傳統(tǒng)反滲透濃縮工藝，具有運行穩(wěn)定、成本投入少以及占地空間較小等優(yōu)點，其中軟化與除硬、二氧化碳去除以及反滲透是高效反滲透裝置的3個核心步驟，利用弱酸陽離子樹脂可以深度去除廢水的硬度，并能將出水硬度控制在規(guī)定要求范圍內(nèi)，從而降低因硬度產(chǎn)生或去除不及時而出現(xiàn)結(jié)垢情況的概率，并提高系統(tǒng)的運行水平，實現(xiàn)廢水回收率達到90%以上的目標(biāo)。系統(tǒng)在高pH值的條件下運行，能夠減少有機物、微生物污染，增強系統(tǒng)運行的能量，并延長膜的使用期限，從而進一步節(jié)約了成本。

3.3 不同裝置的實際運行現(xiàn)狀

通過記錄系統(tǒng)改造完成后不同裝置的運行情況，可以調(diào)試方式掌握不同裝置的運行情況及性能數(shù)據(jù)，具體包括以下幾個方面。

（1）高效膜濃縮技術(shù)的應(yīng)用，不僅使反滲透回收率得到明顯提升，脫鹽效果也十分可觀，脫鹽率最高可達到97%，其中水回收率也超過了預(yù)期90%的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

（2）結(jié)合性能數(shù)據(jù)，反滲透膜系統(tǒng)運行狀態(tài)一直處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，將反滲透進水的酸堿值控制在規(guī)定要求范圍內(nèi)，不僅使產(chǎn)水水量、質(zhì)量完全達到規(guī)定指標(biāo)，也有效減少了結(jié)垢問題的發(fā)生。

為了提升整個系統(tǒng)的運行效率和質(zhì)量，工作人員還要結(jié)合實際情況，做好反滲透系統(tǒng)中的平均膜通量（GFD）和膜數(shù)量計算，以便更好地控制廢水零排放系統(tǒng)的運行成本，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。計算公式如下：

通常情況下根據(jù)各膜廠家通用平均膜通量導(dǎo)則進行計算，1 GFD=1.698 LMH（GFD為英制膜通量單位，LMH為公制膜通量單位）。在廢水零排放系統(tǒng)中，一級反滲透進水經(jīng)過超濾處理后，此時系統(tǒng)平均膜通量不會超過30.6 LMH。二級反滲透進入經(jīng)過超濾和一級反滲透處理后，此時系統(tǒng)的平均膜通量不會超過50.9 LMH。例如，一級反滲透出水量為83.3 m3/h，膜面積確定為400 Ft2（37.16 m2）的反滲透膜；一級反滲透出水量為73.3 m3/h，膜面積確定為400 Ft2（37.16 m2）的反滲透膜。計算過程如下：

在明確一級反滲透出水量情況的前提下，如果反滲透系統(tǒng)設(shè)計膜的數(shù)量未達到規(guī)定要求，說明廢水零排放系統(tǒng)中的平均膜通量與膜廠家的反滲透膜通量導(dǎo)則要求不一致，則需要重新調(diào)整反滲透膜系統(tǒng)，避免影響廢水零排放系統(tǒng)工藝的正常運行。

（3）該系統(tǒng)在運行期間，通過高效膜濃縮技術(shù)，能夠控制水中的鈣、鎂、鐵等二價及三價金屬離子的結(jié)垢問題，以燒堿、純堿軟化及離子交換等方式直接去除水中的硬度和堿度，降低因硬度產(chǎn)生或去除不及時而出現(xiàn)結(jié)垢情況的概率，并提高系統(tǒng)的運行水平，使廢水的回收率達到90%以上[5]。

（4）因二氧化硅得到有效控制，可以通過高效澄清池去除進水中的一部分二氧化硅，并將少量阻垢劑加入反滲透入口處，實現(xiàn)對硅污染的針對性控制，同時對鈣鎂垢的產(chǎn)生也能起到一定的抑制作用。

（5）有機物、微生物等能夠得到有效控制，進水中雖然仍然會有一定量的COD存在，但基于高pH條件下運行，在反滲透裝置中的有機物污染問題得到有效控制的同時，也能使反滲透的段間壓差更趨于穩(wěn)定，從而減少懸浮物的出現(xiàn)，避免有機物沉淀造成嚴重的污堵問題。

4 結(jié)語

綜上所述，高效膜濃縮技術(shù)是以多項工藝集成為依托，將其應(yīng)用于廢水排放和處理中，不僅可以有效提升廢水的處理效果，還能夠保證系統(tǒng)更加穩(wěn)定地運行，從而保證出水水質(zhì)完全達到或優(yōu)于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，真正解決了原有水系統(tǒng)存在的循環(huán)冷卻水中鹽分過量積累的問題，使整個水處理系統(tǒng)的運行狀態(tài)得到有效改善，進而實現(xiàn)了廢水零排放的目標(biāo)，在一定程度上為我國環(huán)境治理工作的可持續(xù)開展提供了助力。