太陽能技術在膜濃縮液處理中的應用探討

文_宋曉曉 任濱僑 金玉 趙路陽 歐陽鳳菊

黑龍江省科學院高技術研究院

近年來，太陽能技術應用于水處理產業的研究逐步興起，其中太陽能保溫技術、太陽能光催化氧化技術、太陽能蒸發濃縮技術以及太陽能驅動地表水修復技術均取得良好的研究成果。但將太陽能技術引入膜濃縮液處理中的研究鮮有報道。

本文對現有的膜濃縮液處理技術進行分析對比，對太陽能濃縮干燥技術引入的可行性進行初步探討。

1 膜濃縮液的產生與特性

以膜技術為核心的“生化處理+膜法深度處理”組合工藝逐步成為實現“零排放”的主流工藝，已經廣泛應用于電鍍、制革、制藥、煉油、電力以及垃圾處理等行業。然而在膜設備達標排放清液的同時，納濾和反滲透等膜分離工藝會產生濃縮液，稱為膜濃縮液，相比原廢水，膜濃縮液呈現出成分復雜、高有機污染物濃度、高無機鹽組分、高毒性、可生化性差等特點。

2 膜濃縮液的處理方法

當前國內外對膜濃縮液處置的典型方法有回灌法、高級氧化法、回噴焚燒、蒸發法等。

2.1 回灌法

回灌法是近年來應用最普遍的膜濃縮液處理方法，是從滲濾液回灌發展而來的，其原理與滲濾液回灌相同。

回灌法是把垃圾填埋場當作一個以垃圾為填料的生物反應器，回灌液自上而下地流經垃圾填埋層時，利用微生物對其降解，達到降低污染物濃度的目的。回灌法能夠有效去除膜濃縮液中的COD 和NH3-N，但是長期使用，過高的鹽類物質富集，導致系統癱瘓。

2.2 高級氧化法

高級氧化法是在高溫高壓、電、聲、光輻照、催化劑等反應條件下，產生具有強氧化能力的羥基自由基（·OH），使高毒性高濃度難降解的有機物降解成CO2和H2O。

目前，高級氧化法在膜濃縮液處理中的研究日益增多，主要包括Fenton 氧化、臭氧氧化、電化學氧化，對膜濃縮液中的TOC 和TN 均有較好的去除效果。高級氧化技術是一種高效、產物無害、易于控制的處理方法，但是其處理成本相當高，而且對運行管理要求極其嚴格。

2.3 回噴焚燒法

回噴焚燒法是將濃縮液統一收集，經高壓泵升壓后由帶有霧化頭的噴槍回噴到焚燒爐內，與高溫煙氣混合后被高溫氧化，進而使污染物得到高效去除，回噴焚燒技術可徹底實現膜濃縮液無害化處理。

回噴濃縮液可用于飛灰固化用水和爐渣冷卻補水，可有效減緩爐內結焦速度。在實際運行中，濃縮液對爐膛及相關設備的腐蝕問題嚴重，工藝流程和參數有待進一步研究。

2.4 蒸發法

蒸發法是膜濃縮液處理的主要方法，通過外加熱源把揮發性組分與非揮發性組分分離的物理過程，可把濃縮液體積減量90%以上。目前，在膜濃縮液處理行業應用較多的蒸發技術包括浸沒燃燒蒸發技術（SCE）、機械壓縮蒸發技術(MVR)。

SCE 技術是將燃氣與空氣充分混合，采用浸沒式燃燒的方式對濃縮液進行傳熱蒸發，其傳熱效率可達95%以上，濃縮液殘留量可降到2%。但是在實際運行中，由于膜濃縮液中氯離子濃度較高，在高溫條件會對金屬材料產生強腐蝕作用，從而大大限制了該技術的應用。

MVR 技術是利用蒸汽的特性，壓縮蒸汽和蒸發器換熱管外表面上濃縮液進行熱焓傳遞，實現連續蒸發。膜濃縮液經MVR 處理后，產出的蒸餾水COD 一般小于50mg/L，可以實現穩定達標排放。該技術蒸發過程中會產生10%的蒸發殘液，這部分殘液處理費用高昂，而且設備的腐蝕以及結垢情況相當嚴重，導致蒸發裝置需不定期進行清洗，難于穩定運行。

2.5 膜濃縮液處理技術存在問題

目前， 膜濃縮液處理技術大多處于試驗研究階段，實際長期穩定運行的工程案例較少。

回灌法主要應用于垃圾滲濾液濃縮液，由于存在過高的鹽類積累，造成該工藝系統難以長期運行。高級氧化技術存在處理成本很高，運行條件苛刻等問題難以工程化應用。蒸發技術中的MVR 存在設備造價高，設備結垢問題嚴重，殘液處理成本高昂，難于長期穩定運行，這些限制了蒸發工藝的應用前景。

3 太陽能技術引入到膜濃縮液處理技術的探討

太陽能蒸發濃縮技術，是利用集熱裝置吸收太陽能輻射熱能，使固液物料中的水分汽化，從而使物料逐步被濃縮干燥。太陽能蒸發濃縮技術很早就應用于工農業生產，但是在污水處理產業使用較少。

太陽能蒸發濃縮技術主要是由太陽能集熱裝置和蒸發干燥裝置組成。太陽能集熱器是一種將太陽的輻射能轉換為熱能的設備，是太陽能集熱裝置的核心部件。

目前國內外常見的太陽能集熱器有平板型和真空管型太陽能集熱器，其中真空管型太陽能集熱器，其熱性能遠好于平板型集熱器，占國內主流市場份額95%以上。以一家真空管型太陽能集熱器為例，每組集熱器集熱面積8.6m2，每2 組集熱器加熱1t 熱媒介質，升溫速度約5.3℃/h，熱媒介質可加熱到120 ～180℃，完全能夠滿足一般污水蒸發所需溫度。將太陽能濃縮干燥技術引入污水處理工程，以太陽能集熱系統作為蒸發工藝的熱源，根據污水的蒸發特性，研發針對性的太陽能蒸發濃縮工藝具有一定可行性。

由于膜濃縮液較一般污水成分更加復雜，含有更高的有機物濃度和無機鹽濃度，對處理設備要求更高， 針對膜濃縮液處理的太陽能蒸發濃縮干燥裝置的研究較少。

處理膜濃縮液對設備的蒸發溫度和蒸發裝置的耐腐蝕程度都有較高的要求。如果將太陽能技術引入膜濃縮液處理工藝，一方面確保太陽能集熱器提供穩定的熱源，降低處理能耗和成本；一方面研發新型的蒸法器，克服以往蒸發技術存在結垢易腐蝕等問題。

如果該工藝技術研制成功，因其低成本，無污染的特點，將具有廣闊的市場前景和良好的社會生態效益。

4 結語

利用太陽能蒸發濃縮干燥技術處理膜濃縮液，是膜濃縮液處理發展的一個新方向，該技術將太陽能集熱技術與濃縮液蒸發技術結合，降低了膜濃縮液處理的能耗和運行成本，為膜濃縮液處理產業提供全新的思路。

但該技術尚處于起步階段，仍存在一些問題：①太陽能集熱系統，熱源不穩定，影響濃縮效率；②蒸發技術存在易結垢，頻繁清洗等問題；③該技術大部分處于實驗研究階段，距離工程應用還有一段距離。針對目前膜濃縮液的處理現狀， 其未來的研究方向趨勢為：①改進太陽能集熱技術，使其可作為中高溫熱源恒溫輸出，突破傳統太陽能溫度有限、熱源不穩定等問題，極大提高了能量轉化效率；②改善蒸發方式，優化蒸發系統結構和材料，克服易結垢難清洗等問答題；③優化工藝流程，開發出易于運行管理的新型環保膜濃縮液處理技術。