膜濃縮技術在高鹽廢水減量處理中的應用研究

摘要：膜濃縮技術具有操作簡便、產水穩定和成本較低等優點，近年來廣泛應用在廢水脫鹽中。膜濃縮可以實現高鹽廢水的減量化處理，降低蒸發系統的負荷，實現廢水零排放。為了考察膜濃縮技術在高鹽廢水處理中的應用性能，試驗采用納濾膜和反滲透膜處理含硫酸鈉高鹽廢水，對比兩種膜的濃縮減量效果。試驗結果表明，全鹽量為8%的高鹽廢水分別采用納濾膜和反滲透膜進行處理，在運行壓力分別為7.0 MPa和7.5 MPa的條件下，濃水減量率均可達到50%，濃水電導率均大于100 mS/cm。與反滲透膜相比，納濾膜的孔徑更大，需要克服的滲透壓較低。運行壓力相同時，相比反滲透膜，納濾膜的產水速率更快，產水通量更大，而在回收率相同的工況下，納濾膜的運行壓力更低。總體而言，對于高鹽廢水，納濾膜的濃縮減量效果比反滲透膜好。

關鍵詞：高鹽廢水；減量處理；膜濃縮；納濾膜；反滲透膜

中圖分類號：X74 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）04-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.04.055

Research on the application of membrane concentration technology in the reduction treatment of high salinity wastewater

HU Ming1，2， LIU Yongfeng1，3， YAN Xianlin1，2， ZHOU Wenfang1，2， JIANG Guomin1，3

（1. Sainz Environmental Protection Co.， Ltd.; 2. China Nonferrous Industry Pollution Control and Equipment Engineering Technology Research Center; 3. Hunan Engineering Laboratory of Nonferrous Heavy Metal Pollution Control Equipment， Changsha 410000， China）

Abstract： Membrane concentration technology has the advantages of simple operation， stable water production， and low cost， and has been widely used in wastewater desalination in recent years. Membrane concentration can achieve the reduction treatment of high salt wastewater， reduce the load of the evaporation system， and achieve zero discharge of wastewater. In order to investigate the application performance of membrane concentration technology in the treatment of high salt wastewater， nanofiltration membrane and reverse osmosis membrane are used in the experiment to treat high salt wastewater containing sodium sulfate， and the concentration reduction effects of the two membranes are compared. The experimental results show that high salinity wastewater with a total salt content of 8% is treated using nanofiltration membranes and reverse osmosis membranes， respectively， under operating pressures of 7.0 MPa and 7.5 MPa， the reduction rate of concentrated water can reach 50%， and the conductivity of concentrated water is greater than 100 mS/cm. Compared with reverse osmosis membranes， nanofiltration membranes have a larger pore size and lower osmotic pressure to overcome. When the operating pressure is the same， compared to reverse osmosis membranes， nanofiltration membranes have a faster water production rate and larger water production flux， however， under the same recovery rate， the operating pressure of nanofiltration membranes is lower. Overall， for high salinity wastewater， the concentration reduction effect of nanofiltration membranes is better than that of reverse osmosis membranes.

Keywords： high salt wastewater; reduction treatment; membrane concentration; nanofiltration membrane; reverse osmosis membrane

隨著社會經濟的發展，石油化工、煤化工、鋼鐵、印染、造紙和海水利用等工業領域產生大量的高鹽廢水[1]。高鹽廢水一般是指全鹽量不低于1%的廢水，其具有鹽度高、色度高、有機物濃度高、化學需氧量高、毒性大和成分復雜等特點[2]。膜濃縮技術操作簡便，產水穩定，成本較低，近年來廣泛應用在廢水脫鹽中。根據原理劃分，膜濃縮技術主要有納濾、正滲透、電滲析以及反滲透等[3]。膜濃縮可以對高鹽廢水進行減量化處理，有助于降低蒸發系統的負荷，實現廢水零排放[4]。

目前，高鹽廢水的膜濃縮減量化處理一般將濃水濃縮到鹽濃度6%～8%的水平，導致后續蒸發系統處理量大，一次投資及運行成本較高。如何繼續提高濃水的鹽濃度，減少蒸發系統處理量，降低投資及運行成本，對實現高鹽廢水的零排放至關重要。本文選取某新能源材料企業三元前驅體生產過程中產生的高鹽廢水（全鹽量8%）作為試驗原水，利用膜濃縮一體化設備，研究納濾膜及反滲透膜對高鹽廢水的濃縮減量效果，考察膜濃縮過程中不同膜的運行壓力、產水速率和濃水電導率的變化規律，為后續高鹽廢水的膜濃縮減量提供參考。

1 材料與方法

1.1 廢水水質

試驗用水取自某新能源材料企業，含鹽量較高，鹽分以硫酸鈉為主，全鹽量為8%，其具體水質如表1所示。主要監測指標有硫酸根、氯、化學需氧量、pH、鎂、鈣、氟和電導率。

1.2 試驗方法

試驗采用一體化裝置，該裝置由進水箱、保安過濾器、高壓進水泵、膜組件、產水箱和濃水箱等部分組成，膜元件分為納濾膜和反滲透膜。高鹽廢水進水pH控制在6～7，進水溫度控制在25～30 ℃。試驗時先將高鹽廢水注入進水箱，產水和濃水通過管道調節全部回流至進水箱，開啟高壓泵低頻運行。進水充分循環至電導率和pH不變時，依照相應步驟開始進行試驗。調節高壓泵的壓力至設定值，等產水流量與濃水流量穩定時，開始記錄運行壓力、濃水流量、產水流量、原水箱液位及產水箱液位等數據，并取適量濃水及產水進行檢測分析。試驗采用批次取樣方式，鹽回收率按式（1）計算。

式中：R為系統鹽回收率，%；Y0為原水箱液位，m3；Y為產水箱液位，m3。

1.3 水質檢測方法

根據《水質 硫酸鹽的測定 鉻酸鋇分光光度法（試行）》（HJ/T 342—2007）[5]，硫酸根濃度采用鉻酸鋇分光光度法測定。電導率采用電導率儀測定。根據《水質 全鹽量的測定 重量法》（HJ/T 51—1999）[6]，全鹽量采用重量法測定。

2 結果與討論

2.1 不同膜壓力與濃水電導率的關系

分別利用納濾膜和反滲透膜來處理高鹽廢水，調節高壓泵的壓力，以保持膜元件產水速率為60 L/h，探究相同產水速率下壓力與濃水電導率的關系。高鹽廢水膜濃縮的工程設計中，膜產水通量一般取5～10 L/（m2·h）。本次試驗中，膜產水通量取7 L/（m2·h）。在產水速率相同的條件下，隨著濃水電導率的升高，反滲透膜和納濾膜的壓力逐漸升高。在相同的濃水電導率下，納濾膜的壓力小于反滲透膜，兩者壓力之差基本保持在0.8 MPa。濃水電導率分別為107.5 mS/cm和110.0 mS/cm時，反滲透膜和納濾膜的壓力達到最大，分別為7.6 MPa和7.4 MPa。當電導率達到最大值時，產水流量迅速由60 L/h下降至小于25 L/h的水平，表明兩種膜已濃縮至拐點，濃水與產水的鹽濃度差產生的滲透壓已與高壓泵壓力基本持平，此時理論上可以通過提高高壓泵的壓力克服滲透壓，提高產水速率，但從工程實踐的安全角度出發，壓力不宜超過8.0 MPa。

2.2 不同膜元件壓力與產水速率的關系

分別利用納濾膜和反滲透膜來處理高鹽廢水，通過調節高壓泵的壓力考察不同壓力下不同膜元件的產水速率。隨著壓力的增大，兩種膜元件的產水速率逐漸增大。當壓力達到7.0 MPa時，兩種膜元件的產水速率基本達到最大，納濾膜最大為240 L/h，反滲透膜最大為160 L/h，此時相對應的膜產水通量分別為30.76 L/（m2·h）和20.51 L/（m2·h）。壓力小于5 MPa時，納濾膜的產水速率略低于反滲透膜，而壓力大于6.5 MPa時，納濾膜的產水速率則遠高于反滲透膜。整體而言，對比不同膜元件的壓力與產水速率可知，壓力越高，納濾膜的產水通量越高，產水速率越快。

2.3 不同膜元件產水流量與濃水電導率的關系

保持壓力分別恒定在6.0 MPa和7.0 MPa，分別考察反滲透膜與納濾膜對高鹽廢水的濃縮性能。保持壓力恒定時，隨著濃水電導率的增大，反滲透膜和納濾膜的產水速率逐漸減小。經分析，在濃縮過程中，隨著時間的推移，濃水與淡水的鹽濃度差越來越大，導致滲透壓越來越大，水通過膜元件需要克服的滲透壓越來越大，使得產水速率越來越小。對于同一種膜來說，壓力越大，膜產水流量越大，這和所有機械性膜表現出的規律一致。而在同一壓力下，隨著電導率的增大，納濾膜的產水流量始終高于反滲透膜。經分析，納濾膜的孔徑大于反滲透膜，需要克服的滲透壓比反滲透膜低，因此產水速率更快。對比發現，壓力分別為6.0 MPa和7.0 MPa時，納濾膜濃水的電導率分別為102 mS/cm和109 mS/cm，反滲透膜濃水的電導率分別為97 mS/cm和108 mS/cm。納濾膜濃水的電導率高于反滲透膜，納濾膜的濃縮減量效果比反滲透膜好。

2.4 不同膜元件回收率與壓力的關系

保持產水流量為60 L/h，分別考察納濾膜及反滲透膜在不同回收率下需要的壓力。膜元件保持適宜的產水流量（60 L/h）時，隨著回收率的增大，納濾膜和反滲透膜的進水壓力逐漸提高。受膜結構特征影響，在相同的回收率下，納濾膜的壓力比反滲透膜低。當回收率達到50%時，納濾膜和反滲透膜的壓力分別為7.0 MPa和7.5 MPa。納濾膜和反滲透膜的運行壓力分別為7.0 MPa和7.5 MPa時，全鹽量為8%的高鹽廢水可減量50%，大幅度削減后續蒸發系統的處理量，有助于在經濟上實現高鹽廢水的零排放。

3 結論

全鹽量為8%的高鹽廢水分別采用納濾膜和反滲透膜進行濃縮減量處理，納濾膜和反滲透膜的運行壓力分別為7.0 MPa和7.5 MPa時，二者均可實現濃水減量50%，濃水電導率均大于100 mS/cm。研究表明，與反滲透膜相比，納濾膜擁有更大的孔徑，在相同的運行壓力下，納濾膜的產水速率更快，產水通量更大，而在回收率相同的工況下，納濾膜的運行壓力更低。總體而言，對于高鹽廢水，相比反滲透膜，納濾膜的濃縮性能更好。

參考文獻

1 王文靜.高鹽廢水的來源與處理[J].冶金與材料，2021（1）：151-152.

2 趙永恒.煤化工高含鹽廢水資源化處理技術的工程應用研究[J].化工管理，2019（30）：97-98.

3 高云霄.膜處理工藝在高鹽工業廢水零排放中的應用[J].區域治理，2019（44）：131-133.

4 劉 丹，劉瓊瓊，周 濱，等.工業高鹽廢水零排放與資源化利用的研究進展[J].現代化工，2021（10）：19-22.

5 國家環境保護總局.水質 硫酸鹽的測定 鉻酸鋇分光光度法（試行）：HJ/T 342—2007[S].北京：中國環境科學出版社，2007.

6 國家環境保護總局.水質 全鹽量的測定 重量法：HJ/T 51—1999[S].北京：中國環境科學出版社，1999.