高效膜浓缩技术在废水零排放系统中的重要作用探讨

喻 珊，王思拓，傅凯文，王 涛

（新余钢铁集团有限公司，江西 新余 338000）

引言

相较于传统的热蒸发后冷冻浓缩等技术，高效膜浓缩技术具有降低能耗、无污染等优点，而且该项技术在实际应用过程中，不会涉及到加热或冷却环节，因而不会产生废水和废气等。另外，将该技术应用于废水零排放系统中，除了可以将化工废水全部回收以外，还能降低化工生产过程对环境污染造成的影响，从而实现经济效益与环保效益的双提升。在零排放系统中如何有效应用高效膜浓缩技术，是目前各相关人员需要重点考虑的问题。

1 高效膜浓缩工艺特点

高效膜浓缩工艺的特点具体表现在以下几方面：①基于弱碱条件，当反渗透装置处于运行状态时，能够更好地控制碱的消耗，提高氨氮的去除效果。②利用较高pH值的冲洗水对反渗透装置进行清洗，不仅可以有效去除因有机物或硅沉淀所形成的污堵，还对有机物及微生物污染起到了一定的控制作用，从而降低了无机盐与有机物混合后产生垢层的可能性。③调整反渗透系统的运行条件，以便相关人员可以更加简单地进行操作。

长时间运行COD经过浓缩处理后，极易出现膜污堵等情况，有机物、生物沉淀对膜造成的污染需要经过一段时间，通常情况下，膜浓缩装置连续运行时间超过4 h后，膜表面仅有少量有机物污染存在；针对该种情况，将适量强碱加入水中，能够实现对pH值的灵活调节，并将pH值控制在10.5～11.8范围内，再利用高pH值的水对膜表面进行大流量清洗，就能将有机物和胶体等物质从膜表面去除[1]。待冲洗结束后，加碱工序也要同步暂停，并提高水压，使膜浓缩装置重新投入运行。

上述操作即为高效膜浓缩技术应用，既有效控制了常规反渗透的生物污染、有机物等污染等问题，又能够满足碱性条件下反渗透装置运行时降低碱消耗量的需求，从而进一步提高了氨氮的去除效果。在系统处于运行状态下，进水COD若始终保持较低，此时可以控制加碱频率，适当减少碱的投入量。当高效膜浓缩系统的回收率达到90%时，其化学清洗周期最少也不能低于3个月，基于上述设定条件，能够保证反渗透系统运行更加稳定，从而实现从工艺源头克服反渗透装置易污染的难题，进而提高结垢的去除效果。

2 废水零排放系统中高效膜浓缩技术的重要作用分析

为了实现废水的零排放，目前主要采用物理或化学预处理方式，有效去除水中的悬浮物、胶体及结垢离子等，并利用膜处理工艺深度处理废水，既能减少废水量的产生，又能在蒸发结晶工艺支持下处理浓缩液，进而达到废水零排放的目标，降低化工生产对生态环境的负面影响。通过对现阶段化工企业废水排放情况的调研与分析，普遍存在循环水系统的水质不符合标准规定的问题。如果废水处理未达标，不仅会对水环境造成严重污染，也会威胁城市居民的身体健康。从化工企业角度分析，如果循环水系统的水质不符合规定标准，而且氯离子的含量明显超标，在一定程度上也会腐蚀主机设备，直接影响系统运行的稳定性和可靠性。

基于上述情况，将高效膜浓缩技术应用于废水零排放系统中，可以充分发挥该项技术在节能与环保方面的优势，将废水全部回收，从而解决了传统工艺流程中一直存在的反渗透装置污染及结垢严重的问题。

以高效膜浓缩技术为支撑的废水零排放系统，除了能够有效减少能耗以外，还能够帮助企业更好地控制成本和系统运行费用，进而真正实现废水的零排放。

3 高效膜浓缩技术在废水零排放系统中的具体应用

本文以某化工企业废水排放为例，其中原水处理、化学水脱盐系统、提浓系统、污水处理系统等均是该化工企业内部现有的水系统，由于水回用系统无法保证可以正常投入使用，促使循环排污水仅能通过生化系统排入循环水系统，并随着时间的推移，形成闭环的废水排放循环，导致循环水系统中水质未达到规定标准，尤其是水中氯离子含量最高达到mg/L，对相关设备有着极为严重的腐蚀影响。此外，该化工企业现有的化工水系统的浓水，虽然经过反渗透进行了一定的减量处理，但也会因浓缩倍率未达到预期设计标准而剩余大量浓盐水，仅能将其用于降尘作业中，难以实现废水的零排放。

综合考虑上述情况，需要对内部现有的生化系统进行重新设计，并结合实际情况，合理引入高效膜浓缩技术，详细制定生化系统改造方案，对生化的产水及化学水系统的浓水做更进一步地处理，以减少循环冷却水中盐分的含量，为循环冷却水系统的稳定运行提供基础保障。同时，还可以利用高pH值对生物污染的抑制作用，使水中含有的微生物、有机物可以在高pH值运行条件下逐渐被乳化或皂化，避免在膜表面附着，解决了严重的结垢问题，切实提高了化工企业整个水处理系统的运行水平，从而真正实现了厂区生产废水的零排放。

3.1 零排放系统的工艺流程设计

重新评估现有水系统的运行情况，以实现废水零排放为目标，合理设计进水和出水的水量水质表，目的是待水系统改造完成后，其水质完全符合规定标准，实现化工生产全过程的废水零排放。本项目通过结合实际情况，设计并明确了零排放系统的工艺流程，具体包括以下方面。

（1）将前端的生化出水、化学水系统浓水及零排放系统反洗废水、再生废水、污泥脱水滤液等进行混合处理，并排入高密池，将烧碱、碳酸钠适量投入水中，以达到有效除碱除硬的目的，从而将总硬度控制在100 mg/L范围内，且二氧化硅不超过15 mg/L。

（2）出水经过软化与澄清处理后，将其排入多介质过滤器中，再以过滤的方式，将出水浊度降至要求的范围内（＜2 NTU）。

（3）利用弱酸阳离子树脂去除过滤水中的所有硬度，使出水总硬度不超过1 mg/L。当弱酸阳离子交换后，采用加酸的方式调节pH值，并借助鼓风脱碳器将水中的碱直接脱除，从而有效降低CO2的含量，将其稳定控制在5 mg/L范围内。

（4）待一定碱度通过脱碳器进行去除处理后，将出水进入超滤系统转为反渗透的前端处理，可以有效避免出水SDI＞3的情况出现[2]。

（5）当出水通过超滤装置后，由高效膜浓缩系统进行接收，待膜浓缩装置连续运行，且运行时间达到规定要求后，即

4～8 h以内，可将适量强碱加入进水中，使进水的pH值提升至要求的范围内，即10.3～10.8。同时以大流量的方式，使用较高pH值的进水冲洗膜表面15 min，待冲洗结束后，冲洗水将重新进入膜浓缩装置的进水箱，此时加碱工序也会暂停，通过加大水压，让膜浓缩装置再次投入运行状态。

（6）在通常情况下，前端浓缩处理完成后，可选择以热法蒸发结晶的方式实现高盐废水的零排放。在原有系统结构上增添降膜蒸发器、强制循环结晶器等装置，目的是待浓缩倍数达到标准要求后，通过脱水机将结晶器的部分料液进行加压处理，待提浓后再进入离心脱水机，当滤液从脱水机中排出后，会直接返回结晶器内，并将脱水后的结晶盐进行统一处理。

（7）利用除雾器处理结晶器产生的二次蒸汽，并进入相应设备中完成冷凝处理，再由蒸馏水箱接收冷凝水以及结晶器的冷凝液，根据具体需求选择换热降温或进一步处理等方式，以达到废水零排放的目的[3]。常温结晶是传统反渗透系统浓水处理过程中的常见情况，在废水零排放系统中有效应用高效膜浓缩技术，可以弥补传统反渗透系统存在的不足，如预处理药剂使用量过多，通过充分发挥高效膜浓缩的技术优势，解决浓水中盐溶解难度大的问题，从而进一步提升水的回收率。进水水量水质设计标准参考表1。

表1 进水水量水质设计标准

3.2 系统设计

3.2.1 高密池装置的设计

高密池装置的设计是以循环、污泥混凝、斜管分离以及浓缩等科学理论为依据，形成高密度沉淀池工艺，并基于现有水系统的改造，对其水力和结构进行重新设计，以弥补传统沉淀工艺存在的不足，从而将泥水分离与污泥浓缩两个环节紧密衔接在一起，再由反应区和澄清区两个单元共同支撑新沉淀工艺的运作。高密池装置设计的参数参考表2。

表2 高密池装置设计参数

3.2.2 多介质过滤器设计

无烟煤、石英石是多介质过滤器中所使用的过滤介质，将其添加在零排放系统中，可以有效去除水中残留的悬浮杂质，使水澄清达到规定标准，并提前做好超滤处理准备，进而将出水浊度控制在2 NTU以内。

3.2.3 弱酸阳床设计

为了实现废水零排放的目标，可以将弱酸阳离子树脂应用于该系统的改造中，发挥弱酸阳离子树脂的除硬优势，再利用其交换容量较大且能再生的特性，在满足水中所有硬度得到有效去除的需求同时，借助化学药品将使用过一段时间的树脂进行再生处理，在发生离子交换反应后，使树脂基团在短时间内尽快恢复，从而进一步提升弱酸阳离子树脂的可利用价值，最大程度地节约处理成本。

3.2.4 超滤装置及反渗透装置的设计

超滤系统是支撑反渗透装置功能作用发挥的重要基础，对DOW聚偏氟乙烯中的空纤维膜丝具，采用外压式结构，增强系统的截污能力，并扩大了过滤面积。该系统也属于去除高盐废水中悬浮物、硬度、硅或有机物的预处理环节，通过结合实际情况和废水零排放的具体要求，合理设计超滤装置，可以提高出水中硅与硬度的去除效果，从而进一步减少该环节中不必要的能耗[4]。

反渗透装置：由于受到来水COD及其他杂质的影响，传统UF/RO系统无法一直保持较高的回收率，针对此种情况，以高效膜浓缩技术为依托，对现有系统进行改造，以进一步提升系统的回收率。零排放系统工艺流程中涉及使用的反渗透装置，相较于传统反渗透浓缩工艺，具有运行稳定、成本投入少以及占地空间较小等优点，其中软化与除硬、二氧化碳去除以及反渗透是高效反渗透装置的3个核心步骤，利用弱酸阳离子树脂可以深度去除废水的硬度，并能将出水硬度控制在规定要求范围内，从而降低因硬度产生或去除不及时而出现结垢情况的概率，并提高系统的运行水平，实现废水回收率达到90%以上的目标。系统在高pH值的条件下运行，能够减少有机物、微生物污染，增强系统运行的能量，并延长膜的使用期限，从而进一步节约了成本。

3.3 不同装置的实际运行现状

通过记录系统改造完成后不同装置的运行情况，可以调试方式掌握不同装置的运行情况及性能数据，具体包括以下几个方面。

（1）高效膜浓缩技术的应用，不仅使反渗透回收率得到明显提升，脱盐效果也十分可观，脱盐率最高可达到97%，其中水回收率也超过了预期90%的设计标准。

（2）结合性能数据，反渗透膜系统运行状态一直处于相对稳定的状态，将反渗透进水的酸碱值控制在规定要求范围内，不仅使产水水量、质量完全达到规定指标，也有效减少了结垢问题的发生。

为了提升整个系统的运行效率和质量，工作人员还要结合实际情况，做好反渗透系统中的平均膜通量（GFD）和膜数量计算，以便更好地控制废水零排放系统的运行成本，实现经济效益的最大化。计算公式如下：

通常情况下根据各膜厂家通用平均膜通量导则进行计算，1 GFD=1.698 LMH（GFD为英制膜通量单位，LMH为公制膜通量单位）。在废水零排放系统中，一级反渗透进水经过超滤处理后，此时系统平均膜通量不会超过30.6 LMH。二级反渗透进入经过超滤和一级反渗透处理后，此时系统的平均膜通量不会超过50.9 LMH。例如，一级反渗透出水量为83.3 m3/h，膜面积确定为400 Ft2（37.16 m2）的反渗透膜；一级反渗透出水量为73.3 m3/h，膜面积确定为400 Ft2（37.16 m2）的反渗透膜。计算过程如下：

在明确一级反渗透出水量情况的前提下，如果反渗透系统设计膜的数量未达到规定要求，说明废水零排放系统中的平均膜通量与膜厂家的反渗透膜通量导则要求不一致，则需要重新调整反渗透膜系统，避免影响废水零排放系统工艺的正常运行。

（3）该系统在运行期间，通过高效膜浓缩技术，能够控制水中的钙、镁、铁等二价及三价金属离子的结垢问题，以烧碱、纯碱软化及离子交换等方式直接去除水中的硬度和碱度，降低因硬度产生或去除不及时而出现结垢情况的概率，并提高系统的运行水平，使废水的回收率达到90%以上[5]。

（4）因二氧化硅得到有效控制，可以通过高效澄清池去除进水中的一部分二氧化硅，并将少量阻垢剂加入反渗透入口处，实现对硅污染的针对性控制，同时对钙镁垢的产生也能起到一定的抑制作用。

（5）有机物、微生物等能够得到有效控制，进水中虽然仍然会有一定量的COD存在，但基于高pH条件下运行，在反渗透装置中的有机物污染问题得到有效控制的同时，也能使反渗透的段间压差更趋于稳定，从而减少悬浮物的出现，避免有机物沉淀造成严重的污堵问题。

4 结语

综上所述，高效膜浓缩技术是以多项工艺集成为依托，将其应用于废水排放和处理中，不仅可以有效提升废水的处理效果，还能够保证系统更加稳定地运行，从而保证出水水质完全达到或优于规定标准，真正解决了原有水系统存在的循环冷却水中盐分过量积累的问题，使整个水处理系统的运行状态得到有效改善，进而实现了废水零排放的目标，在一定程度上为我国环境治理工作的可持续开展提供了助力。