面向工业反渗透浓水零排放的膜浓缩技术研究进展

何萌萌

（山东利源海达环境工程有限公司 山东济南 250000）

近年来，随着水资源的污染和逐渐枯竭，以反渗透技术为代表的水处理技术得到了快速发展，越来越多的企业都在建设反渗透系统，但因缺乏反渗透技术方面的人才，各反渗透系统的运行水平参差不齐。为了能够很好地发挥反渗透系统的作用，需要规范反渗透系统的运行管理。对反渗透系统运行参数进行标准化，是规范反渗透系统运行管理的关键。

在实际生产过程中，反渗透系统的运行条件在不断地发生变化，如进水的温度、电导率、压力和SDI（淤泥密度指数）值等，这些运行条件的变化会引起反渗透系统的产水量、回收率、跨膜压差和脱盐率等运行参数的变化。为了判断反渗透系统运行参数的变化是因运行条件发生变化而引起的正常变化，还是因水质发生恶化后导致反渗透系统发生污堵，或是反渗透膜元件性能衰减而引起的异常变化，则需要将反渗透系统的运行参数进行标准化，并将其与反渗透系统实际运行参数进行对比［1］。

1 研究背景

这些年来，全球气候变化非常大，CO2排放的总量越来越多，温室效应使南极、北极的冰川大量地融化，全球的海平面呈上升趋势，各种恶劣的极端天气出现得越来越多，如冰雹、沙尘暴、暴雨或干旱等，对于整个生态环境带来非常大的危害。习近平主席在第75 届联合国大会上提出“努力争取2060年前实现碳中和”，这一战略目标非常重要，不但为中国的绿色发展指出了道路，而且也表现了我国实行《巴黎协定》的决心。我国这些年来的经济发展速度越来越快，但是我国的水资源并不丰富，如果想要实现“碳中和”的道路，必须要保证水资源的合理利用，避免水资源浪费或者污染的情况产生［1］。

电力系统需要的水资源比较多，特别是火力发电系统需要的水资源更多，一些大的火力发电厂每天消耗的水量非常多，有的可能会超过100 000 万t。我国现在的很多用火力发电的锅炉都采用一些措施来补给水，如用离子交换出盐的方法等。在这些措施中，最好的要数反渗透处理，它有很多优点，如操作容易、占地面积小、消耗的能源很低等。当然，同时反渗透膜本身也会有缺点，它的废水回收率在70%～75%，25%的废水依然会存在，这些废水的含盐量一般都会比较高，而且有很多的污染物。根据美国的研究结果表明，反渗透的浓水中有很多对人体和环境都有害的物质，包括农药的残留物等。如果不对其进行处理就直接排放，必然会对环境造成非常严重的污染。

基于碳中和的国策，大量的废碳用粗暴的方法直接排放，必然违背初衷。现在，工业生产和科学技术发展的速度越来越快，毫无疑问带来了经济的发展，但同时也产生了越来越多的工业污染物，这些污染物依靠自然的力量没有办法完全净化，导致生态环境受到了严重的破坏。随着工业生产的发展，各种污染也越来越严重，人们也一天比一天清楚地认识到保护环境的重要性，把它当作一项重要工作。只有保护好环境，人们才能更好地生活，才能保持身体的健康。环境和人们的生活密切相关，所以，必须控制好工业中的污染物，努力降低对环境的污染。

这些年以来，各行各业的发展都非常快，人民生活水平也有了很大的提高，我国的养殖业发展也很快。之前很多工厂会把废弃物直接粗暴地排放到河里或者湖里、海里，这些肯定会使水受到污染，水中的生物也会受到伤害，人们吃了这些水中产出的水产品后，会严重地影响身体健康，甚至威胁生命［2］。

除了上面说的之外，没处理好的工业废水还会影响经济的发展，影响水资源的合理利用。现在许多地区都很重视对水资源的治理，也很重视工业废水的处理方法，提出许多针对性的解决方案。人们更应该从源头上减少对环境的污染，在工业生产中，想办法减少污水的产生，时刻注意污水的处理方案，做到保护好环境的同时，发展经济。

2 现状分析

2.1 污堵情况描述

在使用反渗透膜时，需要注意反渗透膜有没有污堵的情况出现，可以把膜元件拆下来，拆的时候可能会有很大的味道，各种组件是比较平滑的。拆开端盖板后，可以看到有深褐色的像胶一样的东西附在组件端面上，可以滴一些化学溶液，如氢氧化钠溶液，这些物质就能够被溶解。在测定浓水中的细菌数时，观察数值，发现比较高的情况下，如果淤泥浓度指数高于标准值，那么可能已经有微生物的污染出现了［3］。如果要观察有没有金属氧化物的污染时，可以用胶状物做一个酸溶解试验，如果有黄色的物质出现，那么就可以确定有这个污染。组件的无机盐结垢通常会在2 段出现，拆卸下来2段装置的最后一节称重量，发现没有重量变化，也看不到有污染物质。根据分析，微生物、金属氧化物、胶状物质等可能会在装置的入口处引起反渗透膜组件的污堵。

2.2 清洗方案

清洗主要是反渗透冲洗的方法，主要是利用冲洗水泵的冲洗系统，冲洗好，内部的液体全部置换后，再用化学步骤清洗。

杀菌剂清洗的方法：用反渗透阻垢剂公司生产的非氧化性杀菌灭藻剂反复地清洗系统。配置清洗液时，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间来回倒，让药液能够混合在一起。清洗时，要控制好清洗的流量，时间控制在2～3h，清洗泵的压力控制在0.3MPa，清洗时的温度常温即可。洗完以后，一定要把清洗液冲干净［4］。

碱洗主要是利用碱洗药品的反复清洗反渗透。首先配置溶液，将配置好的2%的碱洗液反复地混合直到均匀，然后冲洗。清洗时，注意保持温度和压力不变，适宜的温度是33℃～35℃，反复清洗4～6h。清洗好后，一定要洗干净清洗液。

密封胶圈非常重要，一定要重视密封圈的改进。在密封圈的使用和安装中，必须要注意以下两个方面。首先，安装密封胶圈时，一定要保证安装的顺利，保证密封胶圈的作用，保证密封圈的安装不会影响反渗透水的处理设备，可以把甘油涂在密封圈的表面，使胶圈和配件之间的摩擦变小，这样更容易安装，不容易出现胶圈变形或膨胀的问题。其次，高浓度的盐水和污水不可避免地会造成密封胶圈的腐化和侵蚀，这就要求必须要注意密封圈的材料，尽量选择耐腐蚀的材料来替代传统的密封圈材料，这样的材料可以延长使用寿命，减少对设备的影响，保证设备的正常运转［5］。

3 面向工业反渗透浓水零排放的膜浓缩技术研究进展

3.1 渗透蒸馏

面向工业反渗透浓水零排放的膜浓缩技术中，经常会用到的是渗透蒸馏。它是一种新型开发的技术，它还有很多名字，如温膜蒸馏等，主要是对水溶液浓缩的一个过程。微孔的疏水膜两边的溶液表现是不同的，所以表现出的渗透压力也不同，两边的溶液中有相同的能挥发的成分，例如，水蒸气可以从渗透压力高的溶液里穿过一个小孔，然后到渗透压力低的溶液中，这样渗透压力高的溶液就得到了浓缩［6］。传统的浓缩方法有很多，但是没有渗透蒸馏浓缩好，因为渗透蒸馏对压力和温度要求很低，能在常温和常压的条件下进行，这样可以把溶质的损失降到最低，让溶液可以分离出来。

3.2 电渗析

电渗析作为一种很有效的技术，有很多的优点，如成本低、水的回收率高、盐度可以提升等。它能把含有盐的废水中的盐度浓缩到100 000mg/L，这样可以对反渗透的浓水进行二次浓缩。开始时，电渗析经常用在海水淡化上，结果发现，水的回收率非常高，而且还能提升盐度。有机物在用反渗透浓水膜浓缩时无法通过反渗透的膜，而且没有压力的驱动，所以污水中的有机物会有非常高的耐受性，能够让有机物分离出来［7］。相对来说，电渗透的投资成本比反渗透水膜的成本要低很多。

3.3 正渗透

正渗透技术就是通过膜两边的渗透压不同有差距，然后分离出来。这种技术的能源消耗比较低，而且还能处理质量浓度很高的70 000mg/L 废水，一般能把含盐的废水浓缩到10%～15%。有研究人员表明，将盐水的溶解性总固体质量浓度提高，达到210 000mg/L，然后试验正渗透在这种条件下能不能操作，结果证明，正渗透是很有效果的［8］。这项技术还有非常好的抗污染能力，产出的水品质好，如果广泛应用，有助于早日实现工业废水的零排放。

3.4 反渗透

还有一种反渗透膜的方法，不是所有的物质都能透过反透膜，在膜的一边可以施加压力来克服溶液的自然压力，让溶剂从另一边分离出去，另一边的浓度增加之后，就能得到浓缩。反渗透系统有许多的数据，一些参数、温度、浊度、污染指数等是很重要的，甚至会影响反渗透膜的使用寿命和运行的稳定性。

反渗透系统运行时的参数主要有3 个，分别是标准化的产水量、标准化的跨膜压差和标准化的脱盐率［9］。这些参数是动态的，在运行的过程中不是不变的，在流量恒定的情况，这些参数可以体现产水量等参数的变化，所以这些参数非常重要，是日常运行管理中很重要的参考指标。工作人员调整系统的工作压力时，要看产水量是否变化，为了让系统能够恒流量地运行，最好让产水量有一个恒定值。这些参数对反渗透膜的元件来说，代表实时的参数，也是外部的一个特点，通过这3 个参数，能够直接反映透水率、脱盐率和流道阻力，但不能判断元件是否损坏或功能是否衰退。通过每天记录这个系统的数据，可以建立一个模型，对这些参数有一个判断标准，这样就能看出来反渗透膜的元件会不会已经损坏或者功能是不是衰退，进而就可以依据参数变化判断对反渗透系统的影响。

3.5 高压反渗透

普通的反渗透膜运行时能承受的压力通常是25～48，可以把膜组的进水压力提高，这样不但能把含盐量提高，而且也可以更加浓缩，更好地实现零排放，降低处理的压力。这些年来，很多水处理的行业都用一些组合的方式来处理高浓度污水的膜组件，最大的耐受压力可能达到128，使系统的回收率能够≥50%，脱盐率能够≥98%，盐分浓缩在100 000～180 000mg/L。笔者公司研发出的一些组合工艺使污水的回收率达到60%以上，使海水淡化过程中反渗透率能够得到有效的提高。

对于一些反渗透方式的船，可以研究海水淡化装置的结构，并且可以建立模型，根据这些，得出影响系统的回收率的原因，如等效高度差、控制阀的开度等，在15s 时，系统产水就能达到稳定了。还可以用高压的反渗透技术把化学工业的浓盐水溶解性总固体浓缩到60 000mg/L，同时进水的氢离子浓度指数调到10 以上，可以提高金属硅的结垢值，减少膜上的微生物和有机物［10］。

3.6 DT-RO处理

经过前面所说的步骤之后，已经回收了40%的浓水，而且回收的这部分含盐量也提高很多，这时的浓水化学需氧量含量高，浓水的含盐量也很高，可以用碟管式超高压反渗透的方法继续对浓水提纯回收，让浓水的浓度加深。

碟管式反渗透技术是比反渗透技术更深的阶段，除了能提高各种元件的抗污染和抗压力的能力外，还能对膜元件进行改造。这项技术经常被用到含盐量高、化学需氧量高的废水处理当中，该技术主要是把碟管式反渗透的膜片和水力的倒流盘叠档后固定一下，形成碟管式的膜柱，浓度高的盐水从入口流进去，然后从膜组件的空隙里按照一定的顺序经过渗透膜流出，产生浓缩液体和纯水，处理之后的浓水含盐量能够达到50 000mg/L，然后把这些水放到蒸发结晶的池子里。这种处理方式基本上就是零排放。

4 结语

DTRO、ED、MD和FO是有效的膜浓缩工艺，对RO浓水有进一步浓缩的潜力，但均存在一定的缺点，且当前废水排放标准日益严格，独立或单级系统不能实现废水零排放，需要为膜浓缩技术的进一步发展探寻新的方向。因此，多级配置是一种不错的选择。未来，在膜集成技术的开发与应用、膜材料的设计与制造、过程优化等方面应给予更多的关注，为工业废水RO浓水的零排放提供最优方案。