海水淡化濃鹽水反滲透濃縮技術(shù)研究

韓 偉，李立峰，阿音嘎，王 璐，王嘉繁

（鄂爾多斯市環(huán)保投資有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

近年來(lái)，隨著我國(guó)海水淡化行業(yè)的迅速發(fā)展，沿海地區(qū)的淡水資源越來(lái)越匱乏，污染問(wèn)題也越來(lái)越突出。目前，國(guó)內(nèi)外海水淡化工程大多采用直接或混合稀釋方式進(jìn)行處理，因此，有關(guān)研究人員已開(kāi)始關(guān)注海水淡化濃鹽水技術(shù)。而隨著海水淡化規(guī)模的擴(kuò)大，大量高濃度海水的排放將會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，實(shí)施高濃度濃鹽水的資源化與減量排放是一種行之有效的方法。將海水淡化濃鹽水反滲透濃縮技術(shù)結(jié)合起來(lái)，既能解決濃鹽水的排放，又能提高海鹽的產(chǎn)量。

1 概述

近年來(lái)，反滲透膜分離技術(shù)因其原料無(wú)相變、相對(duì)能耗低、除鹽效果好、工藝成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、管理方便等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的海水淡化濃鹽水反滲透工藝的設(shè)計(jì)產(chǎn)水量只有75%，而實(shí)際產(chǎn)水量則要低得多，只有30%左右的濃鹽水。而有的地下水或者是海水，濃度可高達(dá)50%。目前我國(guó)大部分海水淡化濃鹽水 RO工藝生產(chǎn)的濃鹽水未經(jīng)任何處理就直接排出，既浪費(fèi)了大量的水資源，又浪費(fèi)了大量的能源，還對(duì)周邊環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。目前，海水淡化濃鹽水反滲透的研究主要有以下3個(gè)方面。

1）減量。優(yōu)化反滲透工藝設(shè)計(jì)，降低濃縮水的產(chǎn)量。

2）無(wú)害化。針對(duì)直接排放 RO濃水會(huì)給環(huán)境帶來(lái)危險(xiǎn)的現(xiàn)狀，探討一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法來(lái)減少對(duì)環(huán)境的傷害。

3）回收。尋找回收 RO濃水的方法，使其變廢物為寶。

其實(shí)，海水淡化濃鹽水反滲透回用過(guò)程中要考慮到許多方面的問(wèn)題，這些問(wèn)題并非相互獨(dú)立，必須綜合考慮，相互補(bǔ)充。

2 低溫多效蒸餾海水淡化主要設(shè)施

2.1 取水設(shè)施

取水泵站的取水口和抽水泵站是一體的，它是開(kāi)放式的。抽水泵站共有14臺(tái)循環(huán)水泵，并計(jì)劃預(yù)留一期抽水泵，一期工程12臺(tái)，并配有循環(huán)泵入口截污柵裝置、控制閘門、自動(dòng)二次旋轉(zhuǎn)過(guò)濾器、水泵液控蝶閥出口閥等。泵站的進(jìn)水口是一個(gè)公共的前池，出水管道是一個(gè)整體。整個(gè)泵站由進(jìn)水前池、凈水池、水泵房組成，前池與泵站平行，以確保與泵站的正常連接；池底高程-12.0m，比港池底部高7.60m，為取水提供充足的蓄淤量；泵站的進(jìn)水口大小分別是4.7m×3m和3.7m×3m，進(jìn)水口頂部標(biāo)高為-9.0m，海水取水口處最大流動(dòng)速度為0.35m/s；進(jìn)水口頂標(biāo)高可充分保證取水要求。

為了達(dá)到污水處理的需要，共安裝10個(gè)旋流過(guò)濾器。每條通道均裝有一套全自動(dòng)清潔式旋風(fēng)過(guò)濾器，其主要性能指標(biāo)為：網(wǎng)室的單側(cè)寬度為3.0m，水室深度為12m，設(shè)計(jì)的過(guò)流速度為4.79m3/d，網(wǎng)格大小為4.43mm×4.43mm，過(guò)網(wǎng)速度為0.8m/s。每個(gè)過(guò)濾器都配有一個(gè)沖洗泵。

2.2 海水淡化主體設(shè)施

熱脫鹽設(shè)備采用MED-TVC方式，從海水到新鮮的過(guò)程，主要是用這個(gè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。總共4個(gè)設(shè)備，總產(chǎn)水量50 000m3/d，單套計(jì)劃產(chǎn)水量12 500m3/d。

該設(shè)備的主要蒸汽來(lái)源于鋼廠的蒸汽系統(tǒng)，所需的蒸汽為57t/h×2=114t/h，壓力0.40~0.90MPa，在熱式海水脫鹽設(shè)備進(jìn)行一次凝結(jié)后，將其送至2×300MW的自備電廠，在脫鹽設(shè)備中工作后，再與二次蒸氣混合，因此，凝結(jié)水量增大，質(zhì)量降低，2×300MW的自備電廠，冷凝水量為156t/h、鹽分<3.5mg/L、水溫<40℃、海水淡化廠出水壓力>0.25MPa。

海水淡化是將海水中的鹽去除，從而獲得純凈的淡水。采用煉鋼廠多余的蒸汽對(duì)海水進(jìn)行加熱，將其蒸發(fā)，冷凝，得到需要的蒸餾水，生產(chǎn)規(guī)模50 000t/d。 它包含四個(gè)脫鹽設(shè)備，每個(gè)設(shè)備由七個(gè)效用單元組成，單套裝置產(chǎn)水規(guī)模12 500t/d，產(chǎn)品水電導(dǎo)率小于10μS/cm

3 主要技術(shù)方法

3.1 以排放為目的

（1）單獨(dú)處理排放

高鈣鎂離子、高硬度是海水淡化濃鹽水反滲工藝中存在的問(wèn)題。一般情況下，只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的軟化處理，就可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。在軟化過(guò)程中，加入石灰、純堿等，使之與濃鹽水中的鈣、鎂等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成碳酸鹽沉淀，同時(shí)將其排出，從而降低了水的硬度，減輕了對(duì)環(huán)境的影響。

以下是其化學(xué)反應(yīng)方程式：

（2）混入其他廢水共同處理

對(duì)大多數(shù)生產(chǎn)單位而言，除生產(chǎn)車間產(chǎn)生的海水反滲透濃鹽水外，還會(huì)產(chǎn)生其他各類污水。比如生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水、工廠生活污水等。將每種污水分類，分別進(jìn)行處理通常是不經(jīng)濟(jì)的。所以大多數(shù)公司都會(huì)將這些特殊的污水進(jìn)行分流，然后再進(jìn)行混合。

海水淡化濃鹽反滲工藝的水質(zhì)是高硬度、高含鹽量，而濁度和 COD等主要污染物的含量較低。采用海水反滲透法將濃鹽水與其他污水混在一起，對(duì)污水進(jìn)行稀釋和調(diào)整，從而減少污水處理系統(tǒng)的污染負(fù)荷。

有的企業(yè)的廢水中含有大量的堿性物質(zhì)，如碳酸鈉、氫氧化鈉等，這些堿能與海水中的鈣、鎂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使水的硬度下降。

以某鋁廠為例，對(duì)其海水反滲透濃鹽水工藝進(jìn)行了改進(jìn)。利用生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的堿水和海水反滲透濃鹽水進(jìn)行混合，使硫酸鎂的硬度得到充分的還原，從而達(dá)到了回收利用的目的，每年節(jié)約了176萬(wàn)元。

3.2 以減量化為目的

減量是指 RO系統(tǒng)本身，只要設(shè)計(jì)得好，生產(chǎn)出的水質(zhì)量比較穩(wěn)定，就可以保證系統(tǒng)中的濃鹽水達(dá)到最優(yōu)。在反滲透工藝的設(shè)計(jì)中，采用了兩種方式降低濃縮液的產(chǎn)出率。一種方法是提高流動(dòng)通過(guò)反滲透膜裝置的長(zhǎng)度，另外一種方法是使?jié)恹}水回流。

提高通過(guò)反滲透膜裝置的水流長(zhǎng)度。當(dāng)海水通過(guò)反滲透膜單元時(shí)，海水會(huì)通過(guò)隔膜，將濃鹽水與淡水進(jìn)行分離。從理論上講，通過(guò)薄膜單元的水越多，就可以獲得更多的淡水和更高的回收率。由于便利性和標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題，目前市面上各種薄膜元件的長(zhǎng)度和尺寸都已經(jīng)確定，但是可以根據(jù)工藝要求將其串聯(lián)起來(lái)。而且，因?yàn)榱魉俸蛪毫Φ慕档停て膊荒芴L(zhǎng)，必須采用分段式，也就是多片膜片的串聯(lián)。

在保證出水水質(zhì)和系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下，通過(guò)在反滲透設(shè)計(jì)中適當(dāng)?shù)卦黾佣螖?shù)，降低濃鹽水的產(chǎn)生量，提高系統(tǒng)的回收率。

但是，膜系統(tǒng)的伸長(zhǎng)，就要求提高膜的推力，也就是要提高泵的功率，或增加泵的數(shù)目。這就導(dǎo)致了系統(tǒng)的設(shè)備投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的增長(zhǎng)。

濃鹽水回流：所謂的“濃鹽水回流”，就是將 RO系統(tǒng)中的濃水排出，與進(jìn)水混合，然后再進(jìn)入膜組件中進(jìn)行反滲透，為提高 RO的回收率提供了一種行之有效的方法。特別是在系統(tǒng)出水量少、水流不能通過(guò)12m的膜片裝置時(shí)，更是如此。

然而，隨著濃鹽水的回流，進(jìn)入水中的污染物濃度增加，增加了反滲透系統(tǒng)的結(jié)垢危險(xiǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行有效的操作控制與管理。若生產(chǎn)單位采用的 RO系統(tǒng)，其進(jìn)水質(zhì)量穩(wěn)定，超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)，處理能力仍有一定的剩余，可以考慮采用此技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的 改造。

例如，在化學(xué)工程中，TDS的入水率較設(shè)計(jì)值降低40%左右。為了提高回收率，對(duì)其進(jìn)行了改造，將部分反滲透濃鹽水回流，與原水進(jìn)行一定比例的混合，然后進(jìn)行反滲透。在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)進(jìn)水的含鹽量、系統(tǒng)的回收率、操作溫度等進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，使生產(chǎn)過(guò)程中的高濃度鹽水的排放得到了明顯的降低。

還有一些廠的反滲透濃鹽水，由于其含鹽量低，可以進(jìn)行部分回流，部分回用來(lái)對(duì)濾池進(jìn)行回流，從而大幅降低了濃水的排放，降低了生產(chǎn)成本。

3.3 以回用為目的

從反滲透原理及國(guó)內(nèi)外大量實(shí)例來(lái)看，即使采用了合理的反滲透系統(tǒng)，使其回收率達(dá)到最優(yōu)，也要有25%以上的濃度。對(duì)于鋼鐵、化工等大型企業(yè)，其生產(chǎn)的高含鹽量，一小時(shí)可達(dá)數(shù)百噸。如果將其作為污水進(jìn)行處理，將會(huì)造成巨大的能源、水資源的浪費(fèi)。因此，尋找一條合理的循環(huán)利用方法，實(shí)現(xiàn)污水置換部分淡水，既有實(shí)際意義，又有較大的環(huán)境效益。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的實(shí)際情況，采用多種方法回收海水反滲透濃鹽水，大部分都是按照自己的生產(chǎn)特性來(lái)設(shè)計(jì)的。濃縮的鹽水可以被回收到公司其他適當(dāng)?shù)墓S中，也可替代原有的自來(lái)水，如沖洗，清掃等廠區(qū)。

近年來(lái)，隨著我國(guó)節(jié)能減排、建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求，我國(guó)海水反滲透濃鹽水回收利用項(xiàng)目已在全國(guó)各地推廣，具有許多可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。

某廠采用高壓反滲透法將其放入高水箱內(nèi)，然后根據(jù)需要將水用于沖車、沖地、酒桶外壁、清潔車間等。3個(gè)月內(nèi)，可節(jié)省2.5萬(wàn)元的水電費(fèi)，5.8萬(wàn)元的煤耗，一年內(nèi)可收回全部的投資費(fèi)用。

利用反滲透技術(shù)，對(duì)鋼鐵企業(yè)的冷卻水、生活污水等進(jìn)行了處理，提出了利用濃鹽水進(jìn)行反滲透預(yù)處理的方法。一次投入5萬(wàn)元，可節(jié)省500 000m3的用水，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

利用海水反滲透濃鹽法處理鍋爐灰渣，提高了灰渣的沉降效率，同時(shí)可減少10%的循環(huán)水補(bǔ)水量。

某啤酒廠利用海水反滲透法生產(chǎn)出的高濃度海水，用于鍋爐的水膜除塵器，可節(jié)約用水量90 000t/a，節(jié)約水費(fèi)、排污費(fèi)20 0000元/a。

國(guó)內(nèi)一家企業(yè)，對(duì)純凈水生產(chǎn)中的反滲透及前一級(jí)超過(guò)濾裝置產(chǎn)生的濃水進(jìn)行了循環(huán)，并將其用作工廠廢氣清洗塔的稀釋式噴淋水。該工程改造后，可節(jié)省25m3/h的用水，每年可節(jié)省210 000t的自來(lái)水，半年內(nèi)就可以收回投資，節(jié)能減排的效果十分顯著。

通過(guò)大量的工程實(shí)踐，說(shuō)明了如何從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，充分考慮到企業(yè)的實(shí)際情況，將海水反滲透濃鹽水在企業(yè)內(nèi)部消化，是一種高效解決海水反滲透濃鹽水、合理利用水資源的方法。

水處理技術(shù)的選擇決定了污水處理項(xiàng)目的成功與否，其處理技術(shù)的合理性與處理效果、運(yùn)行穩(wěn)定性、投資、運(yùn)行成本、管理水平有關(guān)。所以，在水處理系統(tǒng)的選擇上，必須根據(jù)企業(yè)的具體條件，充分考慮各個(gè)影響因素，選擇合適的廢水處理技術(shù)，以使其達(dá)到最佳的處理效果，并取得最大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，在保證工藝條件的前提下，既能滿足生產(chǎn)的要求，又能滿足生產(chǎn)的實(shí)際需求。因4次濃縮，鹽分含量高，硬度高，水質(zhì)穩(wěn)定，pH基本無(wú)明顯變化，是一種高濃度鹽水。通過(guò)對(duì) RO流程的實(shí)際運(yùn)營(yíng)和管理，得出了采用海水淡化濃鹽水反滲透技術(shù)對(duì)一次 RO排放的濃鹽水進(jìn)行處理。

由于原水的溫度會(huì)隨著季節(jié)的變化而變化，為了使 RO設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，在 RO設(shè)備的前端安裝了原水加熱系統(tǒng)——板式換熱器，熱源為低壓水蒸氣。

主體工藝采用濃水一級(jí)反滲透+濃水反滲透+三效蒸發(fā)工藝。

4 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的濃鹽水處理現(xiàn)狀

工業(yè)用水最多的是煉化、煤化、鋼鐵、電力等行業(yè)。目前，工廠生產(chǎn)的高濃度鹽水正成為限制“零排放”的一個(gè)重要因素。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高濃度海水的處理技術(shù)多為膜法和熱法蒸餾。

隨著濃鹽水淡化技術(shù)的不斷發(fā)展，濃鹽水可以采用相同的工藝處理。對(duì)不同的濃鹽水工藝進(jìn)行了對(duì)比，提出了采用噴霧蒸發(fā)、冷凍等工藝對(duì)濃鹽水進(jìn)行進(jìn)一步濃縮、結(jié)晶的方法。這兩種工藝可以很好地解決目前工藝中存在的問(wèn)題。并且由于它具有在空氣中無(wú)垢、不腐蝕污染設(shè)備、利用自然能節(jié)省能源等優(yōu)勢(shì)，將是處理高濃度海水的最好途徑。

5 結(jié)束語(yǔ)

濃海水在蒸餾濃鹽水時(shí)，由于原低值海水的存在，導(dǎo)致各個(gè)階段的海水濃度呈穩(wěn)定的升高趨勢(shì)。所以，在利用濃海水蒸餾濃鹽水時(shí)，應(yīng)事先加鹽或提前通風(fēng)，以增加鹽分的利用率。而濃海水脫鹽工藝中，因海水淡化而造成的藻類、細(xì)菌、浮游動(dòng)物、原生動(dòng)物等浮游生物群落的變化，以及各種設(shè)施、管理設(shè)計(jì)等因素的作用，尚待進(jìn)一步探討。