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反渗透后高盐废水浓缩技术进展

北极星水处理网  来源:烟台金正环保  作者:袁俊生、张涛  2019/7/19 10:17:47  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:高盐浓水 反渗透膜 液体零排放

北极星水处理网讯:随着我国工业规模增大,对水资源的消耗不断加大,随之产生的废水量也在增加,给当前的废水处理和回收利用技术提出了更高的要求。在液体零排放典型工艺中,经物理、化学、生化及反渗透(如高效反渗透技术DTRO)等处理后将获得具有较高盐度的高盐水,主要成分为无机盐、少量COD以及阻垢剂等化学品。此种高盐水盐的质量浓度在10g/L及以上,如高效反渗透系统回收率达90%以上,其浓水盐的质量浓度最高可达80g/L左右。如果得不到很好处置,必然带来环境污染。如何对此高盐度的盐水进行经济高效的浓缩处理,已成为液体零排放工艺的关键问题,也是目前工艺研究开发的热点。

由于高盐浓水组成多样,来源各异,因此浓缩处理的难度较大。目前,较为成熟的高盐水浓缩处理技术主要有超高压反渗透技术、蒸发浓缩技术、电渗析浓缩技术以及不同技术的组合逐步得到了广泛的关注。

1.新型浓盐水浓缩技术

除了已有商品化高盐水浓缩处理技术外,高效碟管式反渗透DTRO膜技术等一些新的技术也正处于研究阶段,有望成为新型的浓缩处理方向。

众所周知,反渗透膜技术是一种常用的脱盐技术。目前,适用于工业规模的反渗透膜,主要包括乙酸纤维素和聚酰胺膜,其盐截留率94%~97%。废水通过物化、生物等方法使废水达到排放标准。碟管式反渗透DTRO技术是一种高新反渗透技术,最早始于德国,相对于卷式反渗透其耐高压、抗污染特点更加明显,即使在高浊度、高SDI值、高盐分、高COD的情况下,也能经济有效稳定运行,更加适应高盐废水的处理。国内主要应用于垃圾渗滤液与海水淡化、苦咸水淡化工程。DTRO虽然水处理效果卓越,但因DTRO膜组件主要依赖进口,成本相对较高,山东烟台金正环保选用美国陶氏原材,采用德国一流加工设备实现了DTRO膜制造,明显降低该技术运营成本,使该技术得以在国内广泛推广。DTRO盐截留率为98%~99.8%。

2.电渗析法浓缩技术

电渗析法浓缩技术(ED)的核心为离子交换膜,其在直流电场的作用下对溶液中的阴阳离子具有选择透过性,即阴膜仅允许阴离子透过,阳膜只允许阳离子透过。通过阴阳离子膜交替排布形成浓、淡室,从而实现物料的浓缩与脱盐。电渗析技术起步较早,初期主要应用于海水淡化、苦咸水淡化及工艺物料脱盐。

20世纪50年代末我国开始电渗析技术的研究,并先后成功完成系列离子交换膜、隔板、电极的研制工作,在20世纪80年代初建成200m3/d电渗析海水淡化装置。在电渗析法物料浓缩方面,20世纪60年代起日本开展以海水浓缩制盐为目标的电渗析技术研究,20世纪70年代即实现年产量1.5Mt电渗析制盐。此外,电渗析技术在食品、制药、化工等诸多方面也有广泛应用。

相较于反渗透过程,电渗析浓缩过程为电场驱动,其进水要求相对较低,仅对进水SS含量及强氧化物、有机溶剂等有所限制,预处理过程简单。在保证进水条件下,膜使用寿命可达5年以上,同时可进行拆解离线清洗,使用寿命长。而对于热法蒸发过程,电渗析过程在能耗、占地、投资等方面优势明显。因此近年来,随着工业高盐废水处理及零排放需求提高,电渗析技术以其上述独特优势在此领域的应用日益受到关注。

国内诸多科研机构及工程公司已开始将电渗析技术应用于工业高盐废水浓缩的尝试,在同位素分离、废水处理、直接从矿石中提取金属、酸碱制备等领域得到了实际应用。

然而目前国产异相膜电渗析依然存在系列问题亟待解决,以利于其进一步发展和广泛应用:

1)膜性能存在差距,均相膜制备技术与大规模生产应用亟待提高。离子交换膜是电渗析技术的核心与基础,其性能的优劣直接影响电渗析过程。而在盐水浓缩过程中,普遍要求电渗析过程实现10倍甚至更高的浓缩倍数,同时要求尽可能低的运行电耗。因此离子交换膜必须具有低溶剂(水)扩散渗透系数、低膜面电阻、高离子渗透迁移性的特点。离子交换膜有均相膜与异相膜2种形式,其中均相膜在膜电阻、厚度、水渗透量、溶胀性能等方面均较异相膜存在明显优势,因此均相膜是工业高盐水电渗析浓缩领域发展方向。

2)专用配套部件的开发与制造有待增强。专用隔板及电极是电渗析技术的支撑,其性能的优劣直接影响离子交换膜性能的发挥。自上世纪50年代末开始电渗析技术研究以来,我国在电渗析器设计、隔板设计制造、钛涂钌电极的制备和性能、工程技术都到达较高的水平,这就为盐水浓缩用电渗析专用部件的开发奠定基础。

3.膜蒸馏浓缩技术

膜蒸馏浓缩技术是上世纪末出现的一种新型膜接触器技术。以疏水微孔膜为介质,膜两侧蒸汽压差为动力,实现浓盐水的质量与热量的传递过程。由于微孔膜作为蒸发界面可极大地增加蒸发面积,提高热效率,可利用低品质热源,因此膜蒸馏在浓水处理方面展现了很好的应用前景。采用新型的气隙式膜蒸馏组件可以进行脱盐与浓缩实验,同时可以应用多级膜蒸馏组建串联的方式来回收能量;应用多效膜蒸馏组件在对盐水、果汁以及尿素水溶液进行了处理,取得了良好的效果。

而在上述膜蒸馏过程中真空膜蒸馏由于截留率高、膜通量大、操作方便、占地面积小、对环境污染小等优点,在浓盐水浓缩领域具有较好的应用前景。国内外学者将真空膜蒸馏应用到反渗透浓水浓缩处理上,经过一系列研究可以实现膜的截留率为99.999%,因此真空膜蒸馏技术可在反渗透海水淡化浓盐水的浓缩方面得到很好的应用。

上述过程显示了膜蒸馏过程较传统蒸发过程高的传质性能,然而膜蒸馏技术仍存在若干关键性问题制约其长时间应用:首先是膜的疏水性问题,膜蒸馏过程的基础即疏水性膜,因此具有较强疏水性的膜材料的选择与制备以及膜长期使用过程中疏水性能的改变是其关键所在,国内外学者对疏水膜材料进行了多项研究;其次是膜污染问题,浓盐水成分复杂若含有较高含量的钙、硫酸根、碳酸根等易结垢离子则在浓缩过程中易在膜表面结垢,从而影响蒸发过程的发生;最后新型低能耗膜蒸馏过程有待继续研究。

4.蒸发浓缩技术

蒸发浓缩技术是采用加热方法,使高盐废水中的淡水汽化,从而提高废水的含量甚至达到饱和。工业化已成熟应用的热法浓缩技术包括自然蒸发(蒸发塘)、多效蒸发、机械压缩再蒸发等。

4.1自然蒸发(蒸发塘)

自然蒸发浓缩是依靠太阳能在自然状况下蒸发地面上的高盐水,使其浓缩达到饱和后结晶析盐,其蒸发构造称为蒸发塘。由于热源为太阳能,因此自然蒸发适用于气候干燥少雨、日晒充足区域,具有处理成本低、运营维护简单、使用寿命长、抗冲击负荷好等优点。在我国,大唐克旗、大唐阜新、国电赤峰“3052”项目、新疆庆华等都在主厂区配套建设蒸发塘工程以进行废水浓缩。中东地区一些国家海水淡化厂同样采用蒸发塘来处理浓水。

在蒸发塘研究方面,国内外相关学者对浓盐水的性质与处理方法、蒸发速率、蒸发效率和浓缩物去处等关键问题进行了相对集中的研究。蒸发塘属于敞开系统,原浓水中所含挥发组分直接进入空气易造成空气污染;同时应做好防渗透和防溢流处理措施,防止对地下水及土壤的污染;蒸发塘普遍占地面积较大,造成土地资源浪费;此外蒸发过程中淡水难以回收利用,这些都是蒸发塘用于高盐水浓缩需要解决的问题。因此,蒸发塘技术虽具有简单易行等优势,但存在明显地域限制,在环保意识日益增强的今天,其可能存在的环境风险限制了进一步的应用。

4.2多效蒸发浓缩

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