面向工業反滲透濃水零排放的膜濃縮技術研究進展

何萌萌

（山東利源海達環境工程有限公司 山東濟南 250000）

近年來，隨著水資源的污染和逐漸枯竭，以反滲透技術為代表的水處理技術得到了快速發展，越來越多的企業都在建設反滲透系統，但因缺乏反滲透技術方面的人才，各反滲透系統的運行水平參差不齊。為了能夠很好地發揮反滲透系統的作用，需要規范反滲透系統的運行管理。對反滲透系統運行參數進行標準化，是規范反滲透系統運行管理的關鍵。

在實際生產過程中，反滲透系統的運行條件在不斷地發生變化，如進水的溫度、電導率、壓力和SDI（淤泥密度指數）值等，這些運行條件的變化會引起反滲透系統的產水量、回收率、跨膜壓差和脫鹽率等運行參數的變化。為了判斷反滲透系統運行參數的變化是因運行條件發生變化而引起的正常變化，還是因水質發生惡化后導致反滲透系統發生污堵，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的運行參數進行標準化，并將其與反滲透系統實際運行參數進行對比［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得越來越多，如冰雹、沙塵暴、暴雨或干旱等，對于整個生態環境帶來非常大的危害。習近平主席在第75 屆聯合國大會上提出“努力爭取2060年前實現碳中和”，這一戰略目標非常重要，不但為中國的綠色發展指出了道路，而且也表現了我國實行《巴黎協定》的決心。我國這些年來的經濟發展速度越來越快，但是我國的水資源并不豐富，如果想要實現“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生［1］。

電力系統需要的水資源比較多，特別是火力發電系統需要的水資源更多，一些大的火力發電廠每天消耗的水量非常多，有的可能會超過100 000 萬t。我國現在的很多用火力發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，最好的要數反滲透處理，它有很多優點，如操作容易、占地面積小、消耗的能源很低等。當然，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。根據美國的研究結果表明，反滲透的濃水中有很多對人體和環境都有害的物質，包括農藥的殘留物等。如果不對其進行處理就直接排放，必然會對環境造成非常嚴重的污染。

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。現在，工業生產和科學技術發展的速度越來越快，毫無疑問帶來了經濟的發展，但同時也產生了越來越多的工業污染物，這些污染物依靠自然的力量沒有辦法完全凈化，導致生態環境受到了嚴重的破壞。隨著工業生產的發展，各種污染也越來越嚴重，人們也一天比一天清楚地認識到保護環境的重要性，把它當作一項重要工作。只有保護好環境，人們才能更好地生活，才能保持身體的健康。環境和人們的生活密切相關，所以，必須控制好工業中的污染物，努力降低對環境的污染。

這些年以來，各行各業的發展都非常快，人民生活水平也有了很大的提高，我國的養殖業發展也很快。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出的水產品后，會嚴重地影響身體健康，甚至威脅生命［2］。

除了上面說的之外，沒處理好的工業廢水還會影響經濟的發展，影響水資源的合理利用。現在許多地區都很重視對水資源的治理，也很重視工業廢水的處理方法，提出許多針對性的解決方案。人們更應該從源頭上減少對環境的污染，在工業生產中，想辦法減少污水的產生，時刻注意污水的處理方案，做到保護好環境的同時，發展經濟。

2 現狀分析

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，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，可以滴一些化學溶液，如氫氧化鈉溶液，這些物質就能夠被溶解。在測定濃水中的細菌數時，觀察數值，發現比較高的情況下，如果淤泥濃度指數高于標準值，那么可能已經有微生物的污染出現了［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，如果有黃色的物質出現，那么就可以確定有這個污染。組件的無機鹽結垢通常會在2 段出現，拆卸下來2段裝置的最后一節稱重量，發現沒有重量變化，也看不到有污染物質。根據分析，微生物、金屬氧化物、膠狀物質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，沖洗好，內部的液體全部置換后，再用化學步驟清洗。

殺菌劑清洗的方法：用反滲透阻垢劑公司生產的非氧化性殺菌滅藻劑反復地清洗系統。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清洗反滲透。首先配置溶液，將配置好的2%的堿洗液反復地混合直到均勻，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。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的密封圈材料，這樣的材料可以延長使用壽命，減少對設備的影響，保證設備的正常運轉［5］。

3 面向工業反滲透濃水零排放的膜濃縮技術研究進展

3.1 滲透蒸餾

面向工業反滲透濃水零排放的膜濃縮技術中，經常會用到的是滲透蒸餾。它是一種新型開發的技術，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是不同的，所以表現出的滲透壓力也不同，兩邊的溶液中有相同的能揮發的成分，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行，這樣可以把溶質的損失降到最低，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，有很多的優點，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行二次濃縮。開始時，電滲析經常用在海水淡化上，結果發現，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。這種技術的能源消耗比較低，而且還能處理質量濃度很高的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量濃度提高，達到210 000mg/L，然后試驗正滲透在這種條件下能不能操作，結果證明，正滲透是很有效果的［8］。這項技術還有非常好的抗污染能力，產出的水品質好，如果廣泛應用，有助于早日實現工業廢水的零排放。

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。反滲透系統有許多的數據，一些參數、溫度、濁度、污染指數等是很重要的，甚至會影響反滲透膜的使用壽命和運行的穩定性。

反滲透系統運行時的參數主要有3 個，分別是標準化的產水量、標準化的跨膜壓差和標準化的脫鹽率［9］。這些參數是動態的，在運行的過程中不是不變的，在流量恒定的情況，這些參數可以體現產水量等參數的變化，所以這些參數非常重要，是日常運行管理中很重要的參考指標。工作人員調整系統的工作壓力時，要看產水量是否變化，為了讓系統能夠恒流量地運行，最好讓產水量有一個恒定值。這些參數對反滲透膜的元件來說，代表實時的參數，也是外部的一個特點，通過這3 個參數，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的數據，可以建立一個模型，對這些參數有一個判斷標準，這樣就能看出來反滲透膜的元件會不會已經損壞或者功能是不是衰退，進而就可以依據參數變化判斷對反滲透系統的影響。

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，更好地實現零排放，降低處理的壓力。這些年來，很多水處理的行業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到128，使系統的回收率能夠≥50%，脫鹽率能夠≥98%，鹽分濃縮在100 000～180 000mg/L。筆者公司研發出的一些組合工藝使污水的回收率達到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構，并且可以建立模型，根據這些，得出影響系統的回收率的原因，如等效高度差、控制閥的開度等，在15s 時，系統產水就能達到穩定了。還可以用高壓的反滲透技術把化學工業的濃鹽水溶解性總固體濃縮到60 000mg/L，同時進水的氫離子濃度指數調到10 以上，可以提高金屬硅的結垢值，減少膜上的微生物和有機物［10］。

3.6 DT-RO處理

經過前面所說的步驟之后，已經回收了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對濃水提純回收，讓濃水的濃度加深。

碟管式反滲透技術是比反滲透技術更深的階段，除了能提高各種元件的抗污染和抗壓力的能力外，還能對膜元件進行改造。這項技術經常被用到含鹽量高、化學需氧量高的廢水處理當中，該技術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去，然后從膜組件的空隙里按照一定的順序經過滲透膜流出，產生濃縮液體和純水，處理之后的濃水含鹽量能夠達到50 000mg/L，然后把這些水放到蒸發結晶的池子里。這種處理方式基本上就是零排放。

4 結語

DTRO、ED、MD和FO是有效的膜濃縮工藝，對RO濃水有進一步濃縮的潛力，但均存在一定的缺點，且當前廢水排放標準日益嚴格，獨立或單級系統不能實現廢水零排放，需要為膜濃縮技術的進一步發展探尋新的方向。因此，多級配置是一種不錯的選擇。未來，在膜集成技術的開發與應用、膜材料的設計與制造、過程優化等方面應給予更多的關注，為工業廢水RO濃水的零排放提供最優方案。