国内首个管网式反渗透膜（STRO）零排放项目案例

1 管网式反渗透膜技术

1.1 管网式反渗透膜的特点

管网式反渗透膜（spacer tube reverse osmosis, STRO）最早来自德国Rochem公司，目前主要由美国Nanostone公司生产。其膜元件采用单支膜元件独立膜壳设计，常用25 m²的间隔管，膜元件直径为8英寸（20.3 cm），长度为1 m。STRO拥有开放式的流道和、卷式的膜组件和无阻碍、无湍流式的进水系统。该设计克服了常见的反渗透污堵和结垢，且因其具有25 m²/支的较大膜面积，被用来替换处理垃圾渗滤液的碟管式反渗透膜。

STRO组件的膜片采用工业抗污染反渗透膜或纳滤膜，格网通道采用了区别于一般卷式膜的平行格网结构，如图1所示。卷式膜组件由膜片卷绕在中心透析管上，病通过格网形成间隔，传统的格网为菱形结构，如图2所示。废水/料液通过该格网流动时并不畅通，特别是带有一定悬浮固体（suspended solid,SS）的废水，因此传统的卷式膜组件需要严格的预处理，避免SS进入膜组件内部，发生物理堵塞现象。STRO组件的格网采用梯形结构，废水/料液在格网形成的通道内流动，如同在管式膜内流动，阻力比菱形网格小很多；同时，内部横向的加强筋可以增加料液流动时的紊流，降低膜的浓度极化作用，使得STRO组件的耐污染能力得到提高。

STRO膜组件主要技术特点包括：

（1）开放式流道，流道间距34 ~ 120 mil（约1.2 ~ 4 mm），可降低流动阻力，降低浓差极化，便于膜清洗；

（2）耐压≥ 7.0 MPa——耐压范围高，可克服渗透压，获得高浓缩倍数。

1.2 管网式反渗透膜的回收率

STRO的反渗透系统设计一般采用大流量高压循环的方式，因此，其回收率是一个由进水含盐量、设计膜通量、运行压力三个变量共同确定的值。STRO按耐受压力分类，有7.5、9.0 MPa和12 MPa三种等级；在膜通量和膜的耐压等级确定的前提下，金水中的总溶解固体（total dissolved solid, TDS）含量决定了STRO系统所能达到的回收率。

以7.5 MPa的膜为例，正常运行压力以7.0 MPa计，浓水侧TDS可被浓缩至80 ~ 90 g/L。若进水TDS为30 g/L，通过7.5 MPa的STRO系统浓缩，浓水可浓缩至90 g/L，浓缩倍率为3倍，即约66%的回收率。同样的进水，若采用9.0 MPa的膜，浓水侧TDS含量可被浓缩至100 ~120 g/L，浓缩倍率可提升至4倍，即约75%的回收率。同样的进水，若使用12 MPa的膜可以达到更高的回收率，但高压力使得系统内高压泵、循环泵、阀门等设备的压力等级提高，配备成本更高。目前国内还没有12 MPa的STRO膜系统的使用案例。

1.3 网管式反渗透膜的耐CODCr性能

STRO最初是为处理垃圾渗滤液而设计的，因此具备开放式流道等抗污堵的性能。目前在运行或中中试中的STRO系统进出水的CODCr值如表1所示。某渗滤液经预处理后，水中的CODCr为 300 mg/L，TDS为16000 mg/L;连续经过STRO中试装置运行14 d，产水通量维持在15 ~17 L/(m2·h)，通量无明显衰竭。

2 管网式反渗透膜的应用

2.1 管网式反渗透膜在垃圾渗滤液中的应用

与普通反渗透膜相比，STRO具有很强的抗污能力。邱端阳等采用两级STRO工艺处理上海市老港垃圾填埋场渗滤液，其原液CODCr为16350 mg/L，电导率为33361 μS/cm，渗滤液经处理后TDS的取出来为92% ~ 95%，氨氮的取出来为99.2% ~ 99.5%，CODCr的去除率达到了99.5%以上，在出水中未检测出SS，且反渗透膜未出现结垢和膜污染现象，试验中一级STRO系统的回收率设定为65% ~ 75%。由此可见，STRO可被应用到零排放膜浓缩的末端，以填补普通反渗透膜及海淡膜难以耐受进水高CODCr的缺点。

2.2 管网式反渗透膜在零排放中的应用

2.2.1 项目介绍

阳泉煤业集团平定化工有限责任公司乙二醇项目一期工程，需对全厂 400 t/h的废水进行回用及零排放处理。265 t/h的清净废水和150 t/h的废水经过预处理后，一次经过废水反渗透、浓水反渗透、超浓缩反渗透，各级反渗透产水收集回用作为循环水补充水，浓水经三级膜浓缩后，进入蒸发结晶系统进行固体盐、水分离，从而实现水的零排放。本项目为国内首个使用STRO实现高浓度盐水提浓的项目。

2.2.2 工艺流程

该零排放项目的浓水工艺路线如图3所示。

2.2.3 设计参数

该工艺中设置了三种不同类型的反渗透，即一级反渗透、浓水反渗透和超浓缩反渗透。

一级反渗透进水TDS约为3500 mg/L，水量为400 t/h，设两套压力等级为1.8 MPa的反渗透系统，每套进水水量为200 t/h，产水水量为150 t/h，按6芯膜壳、一级两段、23:11排列。产出浓水TDS约为14000 mg/L，进入后续浓水反渗透处理。

浓水反渗透进水水量为100 t/h，设置一套压力等级为2.5 MPa的反渗透系统，按6芯膜壳、一级两段、11:6排列。产出浓水TDS约为30000mg/L，经预处理后，进入后续超浓缩反渗透处理。

超浓缩反渗透进水水量为40 t/h，产出浓水TDS约为80 g/L，水量约为16 t/h，进入后续蒸发结晶装置。

在该项目中，浓水反渗透浓缩后的浓水经过药剂软化剂管式微滤膜过滤处理，其水质情况如表2所示。

上述预处理后的浓水，用高压泵送入STRO浓缩装置进行处理。选用7.5 MPa的STRO膜，分为两套，每套进水为20 t/h，每套选用55只膜，按回收率555 ~ 60%计，计算得到平均通量为8 ~ 9 L/(m2·h)；需要的进膜压力约为6.0 ~6.5 MPa。经STRO装置浓缩后，浓水的TDS达到70 ~ 80 g/L。浓缩后16 t/h的浓水进入多效蒸发结晶系统。

2.2.4 管网式反渗透膜在零排放中的主要作用

STRO装置在本项目中的主要作用是进一步浓缩提浓浓盐水，以减少进入蒸发结晶装置的浓盐水量。STRO装置和蒸发结晶装置的主要能耗对比如表3所示。

由表3可知，在该项目中，STRO装置的吨水运行电耗要比四效蒸发结晶装置少0.72 kW；STRO装置除了电耗外，没有其他耗能，而对蒸发结晶装置而言，电耗只是所有能耗中的一部分，主要能耗是蒸汽耗量和循环冷却水耗量。因此，STRO装置的运行费用要比四效蒸发结晶装置小很多。

3 结论

（1）STRO的开放式流道和单支膜独立膜壳设计，使得STRO膜的抗污染性能比传统反渗透膜理想许多。因此，STRO适合用于零排放膜浓缩的末端，解决零排放末端水因CODCr高而难以用普通膜浓缩的问题。

（2）从费用角度考虑，用STRO浓缩的方法，可以减少进入蒸发结晶装置的浓盐水量，从而减少蒸发量，减小蒸发装置规模。因此，应用STRO可以节约零排放项目的运行费用