高含鹽量有機(jī)廢水的反滲透處理工藝
1.含鹽有機(jī)物的狀況污水處理
目前，許多生活用水工程的處理水源都是各種工業(yè)污水廢水，其中一些具有高含鹽量和高有機(jī)物含量的特點(diǎn)。面對(duì)如此高有機(jī)物含量的水源，反滲透工藝前必須設(shè)置各種預(yù)處理工藝。但是，由于水源中有機(jī)物濃度高且不斷變化，如果針對(duì)高有機(jī)污染物含量的工況，嚴(yán)格按照反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)要求來設(shè)計(jì)預(yù)處理工藝，那么預(yù)處理工藝的復(fù)雜性將很大，工程造價(jià)也很高，而實(shí)際預(yù)處理工藝的產(chǎn)水水質(zhì)往往不能完全滿足反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水指標(biāo)要求。因此，降低反滲透工藝的進(jìn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)就出現(xiàn)了，處理有機(jī)物的任務(wù)由預(yù)處理工藝和反滲透工藝共同承擔(dān)，即反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水指標(biāo)超過或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般苦咸水反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)高鹽度、高有機(jī)物的污染水源，反滲透系統(tǒng)的主要工藝目標(biāo)自然讓位于通過保證高脫鹽率來降低污染速度和清洗頻率，反滲透的工藝形式和膜堆結(jié)構(gòu)也需要相應(yīng)調(diào)整。為了表達(dá)方便，在本研究的以下部分，將含高鹽度和有機(jī)物的污染水源簡(jiǎn)稱為“污水”，含污水處理的反滲透系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為“污水系統(tǒng)”。
系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件中沒有直接反映有機(jī)污染的相應(yīng)指標(biāo)，但間接反映污染速度的指標(biāo)有濃差極化度和通量平衡度。濃差極化是膜表面滯留物濃度與濃水通道滯留物濃度的比值，比值越高，越容易形成膜污染。通量平衡是指各膜元件沿系統(tǒng)流的產(chǎn)水通量的一致性，常以系統(tǒng)前后兩級(jí)平均通量之比(稱為段通量比)和系統(tǒng)流前后兩端元件通量之比(末端通量比)來表征。嚴(yán)重的通量不平衡會(huì)導(dǎo)致污染不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致清洗頻率的增加和膜性能的下降速率。
根據(jù)污水的進(jìn)水條件，為降低系統(tǒng)的污染速度，除了采用抗污染膜品種、降低系統(tǒng)通量外，還應(yīng)努力降低濃差極化、改善通量平衡，以及其他能有效降低污染速度的工藝措施。
作者采用模擬計(jì)算的方法對(duì)反滲透系統(tǒng)進(jìn)行分析，模擬軟件采用海德能源公司的反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件IMSdesign。
2.組件種類和設(shè)計(jì)流量
對(duì)于含鹽污水源，系統(tǒng)使用的膜品種應(yīng)采用工作壓力高、通道寬甚至電中性的抗污染膜品種(如LFC3-LD)。其中，高工作壓力指數(shù)有利于沿系統(tǒng)的通量平衡，0.8636mm厚水幕的通道寬度有利于提高膜元件的抗污染能力，膜表面的電中性可有效降低膜表面帶正或負(fù)電荷有機(jī)物的吸附污染。
為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)水中有機(jī)污染物的濃度越高，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通量(或平均通量)越低。根據(jù)反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)導(dǎo)則，經(jīng)超濾預(yù)處理的污水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通量應(yīng)為12.6 ~ 22.3 l/(m2 & # 8226；h).
本次研究中，設(shè)計(jì)計(jì)算基于進(jìn)水有機(jī)物含量高(如COD為50mg/L)，進(jìn)水含鹽量為1500mg/L，進(jìn)水溫度為25℃(一般工業(yè)廢水水溫較高)，系統(tǒng)回收率為75%，產(chǎn)水流量為20m3/h，平均通量為14.9 L/(m2 & # 8226；h)和36個(gè)8040膜元件等設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)指標(biāo)，特別是上一節(jié)提到的濃水回流、級(jí)間增壓、流程縮短、垂直安裝等四項(xiàng)工藝措施進(jìn)行了分析。
需要指出的是，由于通量指數(shù)較低，系統(tǒng)段的通量比會(huì)增大，而膜殼濃水的通量會(huì)減小。
3.濃水回流和級(jí)間增壓
根據(jù)“特定系統(tǒng)”含鹽量較高、溫度較高的情況，如果仍采用傳統(tǒng)的4-2/6結(jié)構(gòu)和12m工藝長(zhǎng)度，不同濃水回流下的濃差極化分布和膜元件通量沿系統(tǒng)分布如圖1和圖2所示。
從圖1和圖2可以看出，濃水回流工藝可以有效增加系統(tǒng)沿膜面的錯(cuò)流，有效降低沿系統(tǒng)膜面的濃差極化，進(jìn)而降低系統(tǒng)的污染速度。然而，由于進(jìn)水和給水含鹽量高，沿系統(tǒng)的通量不平衡仍然嚴(yán)重。
在圖1中，前后段交界處濃差極化的急劇下降是由于:系統(tǒng)前段末端組分的濃差水流量小，濃差極化自然高；系統(tǒng)后段第一組分濃水流量較大，濃差極化程度自然較低。
控制沿系統(tǒng)流量平衡程度的有效方法之一是采用級(jí)間增壓過程。如果一般苦咸水淡化系統(tǒng)的級(jí)通量比指標(biāo)控制在1.2左右的水平，則高污染系統(tǒng)的級(jí)通量比指標(biāo)應(yīng)放寬到1.25左右的水平，以降低有機(jī)污染物濃度較高的后級(jí)系統(tǒng)的產(chǎn)水通量，即降低后級(jí)系統(tǒng)的污染負(fù)荷和污染速度，使系統(tǒng)前后級(jí)的污染速度趨于平衡。
維持1.25的段通量比，不同濃水回流下沿系統(tǒng)的濃差極化分布和膜元件通量分布見圖3和圖4。
對(duì)比圖3和圖1可以看出，級(jí)間增壓工藝可以有效降低前段各膜元件的濃差極化，但后段各膜元件的濃差極化會(huì)有一定程度的增加。因此，為了降低整個(gè)系統(tǒng)的濃差極化，同時(shí)改善整個(gè)系統(tǒng)的通量平衡，需要同時(shí)采用濃水回流和級(jí)間增壓兩種工藝，以及它們合適的操作參數(shù)。
4.短流程和垂直結(jié)構(gòu)
對(duì)比圖4和圖2可以看出，級(jí)間增壓過程可以有效降低前后級(jí)之間的流量比，即可以有效降低前后級(jí)之間的流量不平衡，但不能控制系統(tǒng)中間級(jí)的流量不平衡。此外，膜殼的水平安裝方式可以有效增加系統(tǒng)占用的空間，但必然會(huì)造成更多的污染物沉積在元件內(nèi)部水體側(cè)的膜表面，這種現(xiàn)象在有機(jī)物含量較高的污水廢水源系統(tǒng)中必然會(huì)越來越嚴(yán)重。
借鑒超微過濾系統(tǒng)，垂直安裝膜組件有效降低了污染物沉積的污染速度，垂直安裝反滲透膜殼應(yīng)該是降低膜污染速度的有力措施。屆時(shí)，更多的有機(jī)污染物將隨著濃縮水徑流沿系統(tǒng)水體排出系統(tǒng)，滯留在膜表面的污染物也相應(yīng)減少。
但如果6聯(lián)裝膜殼垂直安裝，膜殼下端必須預(yù)留空間用于裝卸膜組件，則要求相應(yīng)的廠房高度在9m左右。這個(gè)高度要求對(duì)于原廠房來說未必可行，對(duì)于新廠房來說也會(huì)增加成本。因此，需要更短的膜殼長(zhǎng)度和更短的系統(tǒng)處理長(zhǎng)度。
圖5和圖6分別顯示了沿4分支膜殼(即8m工藝系統(tǒng))的濃差極化逐步和元件通量分布。
對(duì)比圖5和圖3可以看出，在相同的系統(tǒng)回收率和相同的截面通量比條件下，當(dāng)膜殼和系統(tǒng)流程縮短時(shí)，沿系統(tǒng)的濃差極化相應(yīng)增大。但對(duì)比圖6和圖4可以看出，12m流程(6包膜殼)和8m流程(4包膜殼)的末端通量比分別為23.2/12.1=1.92和22.1/13.4=1.65，即膜殼和系統(tǒng)流程的縮短會(huì)使系統(tǒng)通量趨于平衡。換句話說，短系統(tǒng)工藝可以在一定程度上以濃差極化指數(shù)惡化為代價(jià)獲得通量平衡的明顯效果。
5.污水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)
匯總圖1~圖6所示參數(shù)及相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)如水鹽產(chǎn)量、段殼濃水比、噸水能耗等，如表2所示。參數(shù):1500mg/L，25℃，20m3/h，14.9 L/(m2 & # 8226；h)、LFC3-LD .
表1中的數(shù)據(jù)再次表明，無論采用何種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流程長(zhǎng)度，只有同時(shí)采用濃水回流和級(jí)間增壓的流程，才能降低系統(tǒng)的濃差極化和級(jí)間通量比指標(biāo)，但代價(jià)可能是產(chǎn)水含鹽量和產(chǎn)水能耗的相應(yīng)增加。
相比之下，8m短流程即6-3/4結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更適合膜殼的垂直安裝方式，可有效降低系統(tǒng)的污染速度，其產(chǎn)水產(chǎn)鹽量、噸水能耗和通量不平衡也相應(yīng)降低，但代價(jià)是濃差極化增加。
對(duì)于污水處理系統(tǒng)，節(jié)段殼內(nèi)濃水比指標(biāo)(即膜殼前后節(jié)段濃水流量之比)越小，膜殼后段濃水流速越大，越有利于高濃度有機(jī)污染物排出系統(tǒng)。表1中的數(shù)據(jù)表明，采用濃水回流工藝時(shí)，濃水回流比越大，段殼的濃水比越小，即提高濃水回流比也能在一定程度上降低段殼的濃水比，但級(jí)間增壓工藝會(huì)在一定程度上提高段殼的濃水比指標(biāo)。總之，濃差極化、段通量比、末端通量比、系統(tǒng)脫鹽率、段殼濃水比、噸水能耗等系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，都與濃水回流、段間壓力、流程變短等工藝密切相關(guān)。為了使各項(xiàng)操作指標(biāo)保持在較好的水平，要求各相關(guān)工藝采用合理的參數(shù)。
6.膜殼的垂直布置方式
它是一個(gè)36分支的膜元件系統(tǒng)。圖7中分別顯示了4-2/6結(jié)構(gòu)的臥式膜殼長(zhǎng)流程系統(tǒng)的布置方式和6-3/4結(jié)構(gòu)的立式膜殼系統(tǒng)的布置方式，以及濃水回流和級(jí)間增壓的工藝流程。
在臥式膜殼中安裝膜元件時(shí)，總是按照向濃水供水的方向依次將膜元件推入膜殼中，安裝過程只需人工操作即可完成。不考慮膜元件集中水圍裙的方向，即膜殼供水徑流的方向，在立式膜殼中安裝膜元件時(shí)，膜元件總是由下而上依次推入膜殼中。只有這樣，每?jī)蓚€(gè)膜元件之間的淡水連接器才能容易地安裝。因此，在安裝立式膜殼時(shí)，需要有相應(yīng)的構(gòu)件頂推設(shè)備。
7.結(jié)論
(1)高鹽度有機(jī)污染的污水處理反滲透系統(tǒng)應(yīng)以降低污染速度為主要工藝目的。
(2)在污水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)采用水道寬而集中、系統(tǒng)設(shè)計(jì)通量低的抗污染膜品種。
(3)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)包括高級(jí)通量比、低濃差極化、低級(jí)通量比和低級(jí)殼濃水比。
(4)系統(tǒng)的主要工藝措施包括濃水回流、級(jí)間增壓、短系統(tǒng)流程和膜殼立式安裝方式。
(5)只有技術(shù)措施相互協(xié)調(diào)，相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)指標(biāo)才能達(dá)到整體優(yōu)化目標(biāo)。
(6)只有當(dāng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到整體優(yōu)化的目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)才具有較強(qiáng)的抗污染能力。
(來源:中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司、天津城建大學(xué))
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