膜法&蒸发“浓水零排放处理技术.doc

新型“膜法&蒸发“浓水零排放处理技术
—SUPER RO特种膜
宋岱峰、许锦鹏
（成都美富特膜科技有限公司，成都，610030）
【摘要】实现真正的“零排放”，除了技术上可行，经济上必须合理。现有的“零排放”工艺主要是膜法+蒸发，但是存在传统膜回收率低，蒸发量大，系统经济性差等缺点。本文概述了传统膜工艺浓水（NF/RO）的特点和各种处理技术，着重介绍SUPER RO特种膜技术。传统膜工艺的回收率一般为60%～80%，该工艺浓水可经过SUPER RO膜系统进行再浓缩减量化处理，使整个回用水系统的回收率达到90%-95%，大大减少浓缩液的排放量，从而减少后续蒸发系统的处理量。SUPER RO膜系统运行稳定，使用寿命长，吨水运行费用也较低（全系统加上蒸发共计8-12元之间）,采用SUPER RO膜工艺与机械压缩式蒸发（MVR）集成的技术，吨水投资成本也远远低于单独使用MVR或多效蒸发系统，可使企业在污水“零排放”实施过程中的投资和运行成本大大降低，使真正意义上的“零排放”技术得以推广。
【关键词】膜工艺浓水 零排放 SUPER RO

1零排放工艺前景及现状概述
     目前，很多行业和地区对于部分工业企业均需要达到废水的"零排放"要求。所谓"零排放"是指工厂需要实现生产原料和水资源的循环再利用，要求无任何废液排出。
     对于"零排放"，绝大多数工业企业根据自身行业和产品特点，均在做以下考量：
     回收有用生产原料，以降低成本，减少污水站负荷，尽力达到完全清洁生产；
     中水回用，减少污水排放；
     污水站升级改造深度处理回用。
对于中水回用和污水深度处理，目前常用的技术均是以常规卷式反渗透为核心的"UF+RO"工艺，但回收率一般在60-80%，还有20-40%的浓水需要处理。此部分浓水除少数进入污水站循环处理外，目前基本都是经热浓缩后，结晶或固化填埋处理。热浓缩能耗较高，运行费用大，工厂难以承受。
因此，针对此类“零排放”，现亟需解决和最优的办法是降低经过RO浓缩后的浓水量，减少后续热浓缩单元的蒸发量，即对膜工艺产生的浓水进行再处理。

2膜工艺浓水的处理技术概述
膜工艺（NF/RO）制备回用水的过程中会产生大量浓水，其中含有各种有机和无机污染物，若直接排放，可能会对土壤、地表水、海洋等产生污染；若排入市政污水处理系统，总溶解性固体含量过高，对污水厂活性污泥的生长也非常不利。将海水淡化厂被高度浓缩的 RO浓水以及由清洗剂、阻垢剂引入的化学物质直接外排，也必然会对环境产生不利影响。
2.1 膜工艺浓水的处理现状
通常而言，大多数膜工艺浓水是无法直接采用生化法处理的，必须先通过有效的物化处理处理手段降低浓水中的COD、盐度、生物毒性等，才可以进一步处理及回用。
2.1.1 国内膜工艺浓水的处理方式
① 回流法。RO浓水回流可提高回收率，增大膜表面冲洗流速，减少污堵；但回流率过高，又会使进水盐度升高，增加膜的负担，影响膜寿命。
② 回用作生产用水。由于RO浓水中无悬浮物，含阻垢剂且有压力，可用作过滤装置的反冲洗水、除尘水、冲灰冲渣水、冷却水；或经过简单处理后混入原水回收。如果浓水中含环境优先控制污染物，则需慎重使用。
③ 资源化利用。可采用水力涡轮增压器、功交换器和压力交换器等，利用余压产能；海水淡化厂的 RO 浓水用于制盐，可节约盐田，缩短晒盐周期；预处理后适当勾兑，可用于海产品养殖。
④ 蒸馏浓缩。膜蒸馏（MD）技术是一项新技术，在常压下利用温差可将浓水尽可能地回收 (回收率>95 %)甚至结晶化，但目前经济、高质量的疏水微孔膜尚未研发成熟，该工艺并未大规模工业化应用，仅处于实验室研发及中试试验阶段。
表1 国内反渗透浓水处理实例
分类
公司/企业
制水量（m3/h）
浓水量（m3/h）
处理方式
回流
海晶化工集团
200
50
1:3混入原水
河南汇源化工
132
33
回收率为
75%～80%
生产用水
唐钢股份公司
180
60
过滤器反冲
宣化新钟楼啤酒
100
33
锅炉除尘水
中铝山东分公司
200
65
回收
神华神东大柳塔

10～50
循环冷却水
资源化
石家庄海阔科技公司
能量回收机
舟山大中型海岛海水淡化厂
制盐、养殖
蒸馏
内蒙古达特拉发电厂
膜蒸馏浓缩
2.1.2 国外膜工艺浓水的处理方式
美国饮用水工业调查分析了产水量＞95m3/d的137个膜装置的类型和浓水处理方式(如表2所示)，其浓水的处理程度很低，故寻求更经济和环境友好的浓水处理技术迫在眉睫。如何处理浓水取决于其水质和水量，处理地点的地理环境和对土壤、水源的潜在影响。
目前国外的典型处置方法有：地面水排放（海洋，潮水），深井注射，喷灌，废水处理装置，蒸发塘。

表2 美国膜技术调查数据
膜种类及所占比例
浓水处理方式及所占比例
种类
比例
处理方式
比例
苦咸水RO
73
排入地表水体
48
纳滤
11
污水处理厂
23
电渗析
11
土地处理
13
海水RO
5
深井注射
10
蒸发塘
6

ⅰ 地表水排放（海洋，潮水）。该法是处理浓水最常用的方法，高效价廉，但RO浓水中的有害物质及离子会影响受纳水体的水生环境或对水源产生污染，将RO浓水排放口设在远离海岸的地方，会减小其对海岸及海洋环境的影响。若利用潮汐周期规律排放浓水，稀释扩散效果更好，但需要浓水储存池，只适于小型海水淡化厂。
ⅱ 深井注射。将浓水注入土地的场所要慎重选择，注入管应做防腐处理，还需在线监测周围的土壤。Ning等将RO浓水混凝、沉淀、过滤处理后一部分排入沙漠深井，另一部分回流，继续处理。
ⅲ 喷灌。浓水可灌溉耐盐度高的植物、产籽类作物，还可作为生态景区的补充水，但当地的地质也必须适合浓水灌溉，需要密切监测地下水或受纳水体的污染情况。Fiona等用海水灌溉油籽类盐土植物，生长季过后植物生长良好。
ⅳ 蒸发塘。浓水的蒸发塘法适用于气候炎热、蒸发率高、年降雨量低、土地广袤、地价低廉的地区，且要做好防渗工作，保护地下含水层。

2.2 存在的问题
对于膜工艺浓水这一处理难题，国际上都没有明确统一的处理准则与技术，而现有的一些工艺技术却不断受到政策、环境、资金、场地等多方面因素的限制，具体表现在如下几个方面：
（1）处理方式存在的问题
由于膜工艺浓水一般都存在高COD和高盐度的问题，现有的反渗透浓水处理工艺很难同时解决这两个问题，现阶段多采用直接排放。普遍的做法是：浓水经过简单的物化预处理或者不经过预处理直接与其他生产环节排放的低浓度废水混合，以降低浓水中的盐度、有机物浓度、生物毒性等，再通过特定排放口直接排放到接受水体中。采用这种处理方式高效价廉，但反渗透浓水中的有害物质及离子并未直接去除，而是转移到了接受水体中，这些有害物质和离子必将对接受水体的水源和水生环境造成污染。
（2）国家对于膜技术浓水处理的政策引导
目前随着国家经济的发展与环境的日益恶化，政府对于大气、水、固体污染等控制指标日益加强，特别是关于水处理领域，已经在“十二五”规划中明确指出需要提标改造，且垃圾填埋场的渗滤液须就地处理，各工业企业须进行废水资源化、节能减排，特别是对于某些缺水地区，污水“零排放”项目正在不断推进。对于污水“零排放”，最终处理工艺多采用热法浓缩结晶固化，但由于传统膜工艺回收率不高，导致热法处理的浓水量大、投资运行成本高，多数企业难以承受，“零排放”项目推进也停滞不前。
（3）处理效果与经济性比较
对于膜技术工艺产生的浓水，根据现有国家政策，直接排放、喷灌、深井注射等手段将逐步被控制，而大量的浓水需要进一步处理。现有技术多采用热法浓缩后结晶或固话填埋处理，热浓缩能耗高，运行费用大，一般只适用于小型浓水处理项目。
以三效蒸发工艺处理300吨/天传统膜工艺浓水为例，吨水投资成本为3.2万元/吨，总投资成本为960万元，吨水运行成本为60元/吨，则年运行费用为657万元；若改变工艺，引入S UPER RO与三效蒸发联立的工艺，采用SUPER RO系统将300吨/天浓水进行再浓缩，渗透液达标排放或回用，浓缩液进行三效蒸发结晶处理，该系统总投资成本为825.2万元，年运行费用仅为400万元，与三效蒸发系统相比，总投资成本节约15%，年运行费用能够节省40%以上。
（4）传统热法处理膜工艺浓水
传统膜工艺浓水不仅COD浓度高，而且各类盐分浓度也很高，这不仅要求物化预处理能够降低废水中的COD，还要求能够同时降低废水中的盐度，否则废水中的盐度将严重影响后续生化工艺的处理效果。通常采用的除盐工艺如：离子交换、电渗析、传统反渗透，这些技术往往用于低COD、高盐度流体的脱盐，仅仅适用于只含无机盐的废水，对于含有大量有机物和盐份的废水则无能为力。多效蒸发可将盐分彻底去除，但能耗较大，不适宜于大水量废水。
因此，针对高难度工业废水，需要寻找一种高效经济的处理工艺，能够同时解决高难度工业废水高COD和高盐度问题。

3、SUPER RO特种膜浓水再浓缩零排放工艺
德国MFT是一家专业从事特种膜研发生产的高科技企业，产品广泛用于高难度废水处理领域。MFT的最新一代特种膜———SUPER RO以独特性的圆盘式结构、开创性的涡流导流设计、改性的抗污染和耐高压专有膜片，具有优异的抗污染和抗污堵性能，增强了膜元件对不同工业废水的适应性和稳定性。SUPER RO特种膜处理技术不仅能从根本上解决废水难降解、高盐度、高COD的问题，而且简化了废水处理工艺流程，极大地降低废水处理投资成本和运行费用。
通过一年的实验研究与工程实践，针对常规膜工艺浓水的处理，美富特制定出一套较为经济有效的零排放工艺——SUPER RO特种膜零排放工艺。
3.1 SUPER RO特种膜结构及工作方式

图一：SUPER RO特种膜结构
SUPER RO特种膜主要由过滤膜片、导流盘中心拉杆、高压容器、两端法兰、各种密封件及联接螺栓等组成。过滤膜片和导流盘交替叠放，中心拉杆串成膜芯置入高压容器后两端法兰进行固定，再用拉杆结合形成。
原水通过膜芯与高压容器的间隙到达膜元件底部，均匀布流进入导流盘，在导流盘表面以雷达扫描方式流动，从投币式切口进入下一组导流盘和膜片，在整个膜柱内呈涡流状流动，产水通过中心管排出膜元件。

图二：SUPER RO特种膜工作方式
3.2 、SUPER RO特种膜特点和优势
(1)最低程度的膜结垢和污染现象
采用开放式宽流道及独特的水力学设计，具有更宽的流体通道，更优异的流体湍流效果（雷诺准数>2500，膜片自清洗效果更好），导流盘专利结构设计，涡流式流动状态，最大程度上减少了膜表面结垢、污染及浓差极化现象的产生。
(2)膜使用寿命长
SUPER RO特种膜采用了新型改性膜片，更适用于废水膜分离。膜片抗压力能力更强，最高可以达到160bar。且该组件能够有效避免膜的结垢，膜污染减轻，使反渗透膜的寿命延长。SUPER RO特种膜的特殊结构使膜组易于清洗，清洗后通量恢复性非常好，从而延长了膜片寿命。实践工程表明，在高浓度废水处理中，SUPER RO特种膜寿命可长达3年，这对一般的反渗透处理系统是无法达到的。
(3)组件易于维护
　　SUPER RO特种膜采用标准化设计，组件易于拆卸维护，可以轻松检查维护任何一片过滤膜片及其它单元，维修简单这是其它形式膜组件所无法达到的。
(4)过滤膜片更换费用低
SUPER RO特种膜内部任何单个单元均允许单独更换。当过滤膜片需更换时可进行单个更换，这最大程度减少了换膜成本，这是卷式、中空纤维等其它形式膜组件所无法达到的，比如当卷式膜出现补丁、局部泄漏等质量问题或需更换新膜时只能整个膜组件更换。
(5)出水水质好
反渗透膜对各项污染物都具有极高的去除率，出水水质好。
(6)出水稳定，受外界因素影响小
由于影响膜系统截留率的因素较少，所以系统出水水质很稳定，不受可生化性、碳氮比等因素的影响，对于处理不宜采用生化处理的工业废水有着很大的优势。
(7)运行灵活
SUPER RO特种膜单元作为一套物理分离设备，操作十分灵活，可以连续运行，也可间歇运行，还可以调整系统的串并联方式，来适应水质水量的要求。
(8)建设周期短，调试、启动迅速
SUPER RO特种膜单元的建设主要为机械加工，附以配套的厂房、水池建设，规模很小，建设速度快。设备运抵现场后只需两周左右的时间安装调试工作就可完成。
(9)自动化程度高，操作运行简便
SUPER RO特种膜单元为全自动式，整个系统设有完善的监测、控制系统，PLC可以根据传感器参数自动调节，适时发出报警信号，对系统形成保护，操作人员只需根据操作手册查找错误代码排除故障，对操作人员的经验没有过高的要求。
(10)占地面积小
SUPER RO特种膜单元为集成式安装，附属构筑物及设施也是一些小型构筑物，占地面积很小。
(11)运行费用低
在达到高水平的排放标准的前提下，相对于其它工艺，投资省、运行费用低。
3.3 SUPER RO特种膜处理膜工艺浓水的方法
膜工艺浓水经过适当的预处理后泵入SUPER RO特种膜单元，由于SUPER RO特种膜最高可以在14兆帕的高压条件下操作，因而降低了SUPER RO特种膜对传统膜工艺浓水的透过液回收率的限制，浓缩倍数增加，浓缩液的电导率可以提高到100000-120000μs/cm。由于产水回收率的增加导致了浓水体积的减少，因此也降低了后续膜浓缩液处理工艺的规模和运行费用。
SUPER RO特种膜对膜工艺浓水中有机物、盐度和水的分离较彻底，透过液水质较好，COD和盐度的去除率均可达到90%以上，因而透过液可以直接排放或者进入生化处理工艺进一步处理，SUPER RO特种膜的浓缩液则进入MVR蒸发系统做蒸发结晶零排放处理。
MVR是机械压缩式蒸发技术，它最大限度的利用二次蒸汽中的蒸发潜热。借助MVR泵的作用，只需要输入较少的能量便可将低品位的蒸汽压缩至较高饱和温度的高品味蒸汽，使得蒸汽能够被循环使用。这会比多效蒸发器节省大量能源。使用蒸发过程中产生的二次蒸汽进行压缩，提高温度后再返回用作蒸发热源，可极大减少蒸汽消耗量。通过MVR处理后，浓缩液中的绝大部分水进入冷凝液中，大量盐分和有机物析出成为残渣，从而完成高浓度的各类污染物与水相的彻底分离。
从原理上讲“SUPER RO特种膜技术+MVR蒸发”组合工艺对传统膜工艺废水的有机污染物和盐度具有非常理想的去除效果，绝大部分污染物和盐度最终进入MVR蒸发单元的残渣中，因此SUPER RO特种膜的透过液和MVR蒸发单元的冷凝液水质很好，可以直接回用或者经过简单的深度处理后回用。

图三：SUPER RO特种膜处理技术原理图

3.4 SUPER RO特种膜处理膜工艺浓水的优势
SUPER RO特种膜技术是纯粹的物理分离过程，分离精度为反渗透级别，在效果上可以完全保证出水水质达到设计要求，且出水效果是目前高难度废水处理工艺中最优的，污染物去除较彻底。
SUPER RO特种膜处理技术对于COD为1000mg/L，盐度在2%左右的传统膜工艺浓水，吨水投资大约1.5～3万元，但由于传统膜工艺浓水占工业企业排水总量的20%～40%。采用SUPER RO特种膜处理技术后可使整个水处理系统的浓水仅占企业排水总量的5%～10%，废水处理站的规模仅为常规水处理站的60～80%，因此整个废水处理系统投资反而比与常规水处理工艺节省20%左右。
采用SUPER RO特种膜处理传统膜工艺浓水的运行费用主要由SUPER RO特种膜的运行费用和MVR蒸发单元的运行费用构成，每吨传统膜工艺浓水SUPER RO单元的运行费用约为13元，MVR单元运行费用约为19.1元，采用SUPER RO特种膜处理传统膜工艺浓水的总运行费用为32.1元/吨，比多效蒸馏法等常规热法处理工艺更节省运行费用。

4 结论与展望
当前传统膜工艺浓水处理尚无统一的技术方法，总体上膜工艺浓水的治理问题并未得到很好地解决，成为膜法水处理领域最后最大的难点，这为新技术的开发留下了广阔的空间。SUPER RO特种膜处理技术为膜工艺浓水的治理与零排放开辟了新的道路，提供新的解决思路，大大加快膜技术在反渗透浓水处理上的应用步伐。