高硬度反滲透濃水處理技術(shù)

王春，王萍

高硬度反滲透濃水處理技術(shù)

王春1，王萍2

（1.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210032；2.南京龍?jiān)喘h(huán)保有限公司，南京 210012）

采用加藥反應(yīng)沉淀+磁水循環(huán)錯(cuò)流+微濾過濾等技術(shù)相結(jié)合的方式處理反滲透濃水，其產(chǎn)水硬度（以CaCO3計(jì)）≤300mg／L，濁度≤5NTU，滿足了GB／T 19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》的要求，減輕了后續(xù)回用處理單元的負(fù)擔(dān)，提高了水的利用率。

反滲透濃水；磁水處理；微濾；硬度；濁度

1 問題的提出

目前國內(nèi)對制備高品質(zhì)水的需求越來越大，尤其是在鍋爐用水或電子業(yè)用水領(lǐng)域，反滲透濃水處理技術(shù)得到了極大的發(fā)展。值得注意的是，在制取優(yōu)質(zhì)脫鹽水的同時(shí)，進(jìn)水中的雜質(zhì)被高度濃縮，并以反滲透濃水的形式外排。如果反滲透濃水不經(jīng)過處理而直接排放，必然會(huì)對周圍的環(huán)境造成十分不利的影響。反滲透膜失效的機(jī)制是膜結(jié)垢造成污堵，而膜結(jié)垢又分為有機(jī)物污堵和無機(jī)鹽結(jié)垢。有機(jī)物污堵可以通過加殺菌劑等方式解決，無機(jī)鹽結(jié)垢主要是由于難溶鹽如CaCO3，CaSO4，Mg（OH）2等在膜表面沉積而引起的，只有去除水中的雜質(zhì)，反滲透膜結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)才能大大降低。

國內(nèi)反滲透濃水的處理基本有以下幾種方式：（1）回收后用作工藝前段過濾反洗用水；（2）蒸發(fā)、蒸餾濃縮；（3）排入地表水或海水；（4）深井注入地下。這些方式要么不經(jīng)濟(jì)、要么受地域的限制、要么會(huì)產(chǎn)生二次污染。

在水資源極度緊缺的當(dāng)今社會(huì)，如何處理回收反滲透濃水將具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 高硬度反滲透濃水處理系統(tǒng)

2.1 高硬度反滲透濃水處理的技術(shù)原理

高硬度反滲透濃水處理技術(shù)主要是針對高硬度（CaCO3質(zhì)量濃度≤2 000mg／L）反滲透濃水，采用“加藥反應(yīng)沉淀+磁水循環(huán)錯(cuò)流+微濾過濾”等技術(shù)相結(jié)合的方式，經(jīng)過理論計(jì)算、試驗(yàn)研究和分析測試等步驟確定各個(gè)單元的最優(yōu)工藝參數(shù)的過程。

高硬度反滲透濃水處理技術(shù)主要通過3種途徑來去除反滲透濃水中的鈣、鎂離子，同時(shí)盡量去除一些通過加藥和磁水處理能產(chǎn)生沉淀的離子（如硅和重金屬離子等）。

（1）加藥（加入石灰和Na2CO3）處理。原理［1］如下：

從上述化學(xué)反應(yīng)式可以看出，在盛有反滲透濃水的調(diào)節(jié)箱中加入石灰調(diào)節(jié)pH值（控制在7～9），消除暫時(shí)性硬度，鎂離子質(zhì)量濃度降至25mg／L以下。然后在反應(yīng)箱中加入Na2CO3以消除永久硬度。為了保證沉淀效果，可加入絮凝劑，攪拌均勻，使鈣、鎂離子形成Mg（OH）2和CaCO3沉淀，此時(shí)鈣離子質(zhì)量濃度降至40mg／L以下，在沉淀箱中進(jìn)行固液分離，從而使后續(xù)膜處理系統(tǒng)能更長時(shí)間、更有效地處理原水而不結(jié)垢，以達(dá)到去除硬度、增加回收率的目的。

（2）對原水進(jìn)行磁水處理。強(qiáng)磁水處理器主要有防垢和殺菌、滅藻的功能。對于反滲透濃水而言，其溶液中離子含量很高，后續(xù)膜處理系統(tǒng)還是有結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)磁水處理器能有效防垢，可減輕后續(xù)膜處理系統(tǒng)的壓力。一般而言，在常溫（0～50℃）、常壓（0～1.0MPa）下，原水瞬時(shí)通過磁水處理器內(nèi)強(qiáng)磁場切割磁力線，受磁極作用而導(dǎo)致水分子偶極矩增大并發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使大分子團(tuán)斷裂成大量細(xì)碎的單個(gè)水分子，它們強(qiáng)烈吸引并包圍了易在水中與酸根離子結(jié)成針狀結(jié)晶硬垢的Ca2+和Mg2+，使其無法靠近受熱的管壁或容器壁，轉(zhuǎn)而以粒狀結(jié)晶體隨排污大流排出系統(tǒng)之外，從而達(dá)到陶瓷膜防垢的目的。在原水切割磁力線時(shí)，其內(nèi)部能產(chǎn)生電流，導(dǎo)致其中部分水電解而產(chǎn)生單原子氧（H2O＝H2+O），單原子氧具有強(qiáng)烈的殺菌作用，從而達(dá)到殺菌的目的。而單原子氧是不穩(wěn)定的，它破壞了藻類的生存環(huán)境，從而又達(dá)到了滅藻的目的。對于后續(xù)膜處理系統(tǒng)而言，防垢、殺菌、滅藻是理想的原水預(yù)處理方法。

（3）陶瓷微濾膜凈化。在壓力作用下，原水在膜管內(nèi)或膜外側(cè)流動(dòng)，水分子（或產(chǎn)品水）透過膜后，水體中的污染物等雜質(zhì)被截留，從而達(dá)到水質(zhì)凈化的目的。陶瓷膜是以無機(jī)陶瓷材料經(jīng)特殊工藝制備而成的非對稱膜，呈管狀或多通道狀，管壁密布微孔。微濾膜的分離范圍為0.1～10.0μm，用于最粗級(jí)別的分離，將菌絲體、顆粒物、膠體等較大顆粒的物質(zhì)截留。經(jīng)過加藥沉淀和磁水處理的反滲透濃水再通過陶瓷微濾膜凈化而達(dá)到出水水質(zhì)指標(biāo)：CaCO3質(zhì)量濃度≤300mg／L，濁度≤5 NTU，以滿足GB／T 19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》的要求。

2.2 高硬度反滲透濃水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對于高硬度反滲透濃水處理技術(shù)，其關(guān)鍵點(diǎn)是加藥量的控制、磁水錯(cuò)流技術(shù)和微濾過濾技術(shù)。作者設(shè)計(jì)了高硬度反滲透濃水處理系統(tǒng)流程，如圖1所示。

圖1所示的高硬度反滲透濃水處理技術(shù)系統(tǒng)流程是直接處理反滲透、濃水的技術(shù)，原濃水經(jīng)過調(diào)節(jié)池、反應(yīng)箱、沉淀箱進(jìn)行加藥（如石灰和蘇打）反應(yīng)沉淀后，由循環(huán)泵從磁水處理器（防垢、殺菌和滅藻）提升到微濾膜組件錯(cuò)流過濾，其產(chǎn)水可以直接回用或再經(jīng)反滲透處理進(jìn)一步濃縮回用，該系統(tǒng)微濾膜的錯(cuò)流濃水則回到沉淀池再濃縮，部分濃縮液殘?jiān)M(jìn)入污泥濃縮系統(tǒng)以污泥的形式排出。在該系統(tǒng)中，其基本計(jì)算公式［2］如下。

（1）預(yù)處理石灰投加量計(jì)算。

圖1 高硬度反滲透濃水處理系統(tǒng)流程

式中：ρ（CaO）為石灰投加的質(zhì)量濃度，mg／L；ω1為石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；c（CO2）為 CO2的濃度，mmol／L；A0為原水總堿度，mmol／L；HMg為原水鎂硬度，mmol／L；α為石灰過剩量，一般為0.2～0.4 mmol／L。

（2）預(yù)處理蘇打投加量計(jì)算。

式中：ρ（Na2CO3）為蘇打投加的質(zhì)量濃度，mg／L；ω2為工業(yè)蘇打的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；HF為原水非碳酸鹽硬度，mmol／L；β為蘇打過剩量，一般為1.0～1.4 mmol／L。

（3）微濾膜單元產(chǎn)水量計(jì)算。

式中：qV為產(chǎn)水量，m3／h；S為單支膜面積，m2；q0為膜通量，m3／（m2·h）；n為膜數(shù)量。

3 高硬度反滲透濃水處理技術(shù)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證高硬度反滲透濃水處理技術(shù)的準(zhǔn)確性，需要檢驗(yàn)高硬度反滲透濃水處理技術(shù)中主要單元降低原水中硬度的效果。依據(jù)圖1所示的流程，需要設(shè)計(jì)高硬度反滲透濃水處理裝置，高硬度反滲透濃水處理裝置如圖2所示。

3.1 試驗(yàn)1

配備溶液。MgCl2和CaO混合溶液，硬度為32.5mmol／L，循環(huán)流量為660 L／h，加自來水配置。

時(shí)間周期為1個(gè)月，每周記錄1次，分別觀察其膜組件濃水、產(chǎn)水流量和壓力情況，高硬度反滲透濃水處理試驗(yàn)曲線如圖3所示。

檢測后的高硬度反滲透濃水處理裝置進(jìn)出水水質(zhì)結(jié)果見表1。

圖2 高硬度反滲透濃水處理裝置

圖3 高硬度反滲透濃水處理試驗(yàn)曲線

表1 高硬度反滲透濃水處理裝置進(jìn)出水水質(zhì)

3.2 試驗(yàn)2

水樣檢測。華能淮陰電廠鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)一級(jí)反滲透濃水經(jīng)過圖2所示的裝置處理后，檢測結(jié)果見表2。

表2 高硬度反滲透濃水處理裝置進(jìn)出水水質(zhì)

4 高硬度反滲透濃水處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)1數(shù)據(jù)分析。從圖3可以看出：3周后系統(tǒng)中膜組件的濃水側(cè)壓力開始增加，濃水側(cè)流量增加，到3周后產(chǎn)水側(cè)流量下降趨勢比較明顯，可見在3周以內(nèi)，系統(tǒng)在磁水處理器的作用下，有效抑制了膜組件濃水側(cè)的結(jié)垢；到了第4周，膜組件濃水側(cè)開始無機(jī)鹽結(jié)垢。從表1的數(shù)據(jù)可以看出，所配置的高硬度廢水經(jīng)過高硬度反滲透濃水處理裝置的處理，出水水質(zhì)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)2數(shù)據(jù)分析。從表2數(shù)據(jù)可以看出：從工程現(xiàn)場取出的水樣，經(jīng)高硬度反滲透濃水處理裝置處理后，出水水質(zhì)同樣能夠滿足設(shè)計(jì)要求?？梢姼哂捕确礉B透濃水處理技術(shù)是有效的，其出水硬度和濁度完全能滿足GB／T 19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》的要求。

5 結(jié)論

高硬度反滲透濃水經(jīng)過高硬度反滲透濃水處理裝置處理后，硬度和濁度均大幅降低，達(dá)到GB／T 19923—2005《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》的要求。對于工程現(xiàn)場取出的反滲透濃水含有阻垢劑的問題，經(jīng)過高硬度反滲透濃水處理裝置處理后，其產(chǎn)水水質(zhì)能滿足設(shè)計(jì)要求，可見原水中是否含有阻垢劑對高硬度反滲透濃水處理裝置基本沒影響。綜上所述，高硬度反滲透濃水處理技術(shù)對于反滲透濃水中的硬度和濁度能夠起到明顯的處理效果，其對反滲透濃水的回用有重要意義。由于高硬度反滲透濃水處理技術(shù)減輕了后續(xù)水回用單元的負(fù)擔(dān)，提高了水的利用率，其對廢水零排放也具有重大意義。

［1］嚴(yán)道岸.實(shí)用環(huán)境工程手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］李瑞楊.鍋爐水處理原理與設(shè)備［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［3］GB／T 19923—2005城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)［S］.

（本文責(zé)編：王書平）

TK 223.5+1

：B

：1674-1951（2015）02-0024-03

王春（1978—），男，江蘇宜興人，工程師，從事電廠水處理方面的研究工作（E-mail：13951819393＠139.com）。

2014-09-09；

2014-12-05