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膜蒸馏技术在高含盐废水中的应用
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2021-08-06 10:09:13 浏览次数:
作者:张 营 ( 南京中衡元环保科技有限公司,江苏 南京 211200)

【摘 要】 本文针对高含盐废水难处理的现状,开发了一套膜蒸馏组合系统,核心设备为膜组件,使其仅允许水分 子通过,而其他离子无法通过。结果表明: 通过该套设备,当进水含盐量在49000mg/L 时,膜蒸馏产水率不小于 60%,含盐率不大于300mg/L,蒸发结晶产水率不小于 90%,含盐量不大于 800mg/L,两股产水混合后含盐量不大 于350mg/L,脱盐率达到99%,回用水回收率达到92%。该套膜蒸馏设备可使脱盐率和回用水的回收率达到90% 以上,对高含盐废水有较好的处理效果,具有一定的应用推广价值。

【关键词】 膜蒸馏组合系统; 高含盐废水; 膜组件; 处理效果


我国水资源人均占有量仅为世界人均的1/4,世 界排名第109 位。据统计,我国每年废水的排放总量 达365 亿 m3,大部分江河湖泊都受到严重污染[12],这 一状况加剧了水资源紧缺的危机。尽管国家对环境保 护特别是水环境保护日益重视,大量的水污染防治新 技术不断涌现,但对于化工、制药、石油、焦化等行业排出的工业废水以及高盐度废水等的达标处理仍然是摆 在环境保护工作中的一道难题。其中含盐废水是较难 处理的废水之一,高盐度有机废水是指含有机物和至 少3. 5%( 质量分数) 的总溶解性固体物的废水[35] 。 含盐废水成分复杂又不具备回收价值,因此,高盐度废 水的处理成为当前化工废水处理的难点之一。

随着膜分离技术的快速发展,反渗透技术( RO) 逐 渐成为石油炼制、电力、化工、冶金等行业纯水制备的 首选技术。但受反渗透膜污染、结垢等因素的限制,反 渗透技术的产水率一般仅能达到 75%左右,仍有 25% 的高盐度废水需要排放[68] 。为了降低 RO 浓排水水 量,提高系统产水率,实现零排放目标,国内外研究人 员做了大量的工作,但效果均不理想。

本文介绍了一套膜蒸馏组合系统,其核心膜材料 为 NACE 膜,该材料对于水中溶解性固体具有很好的 分离功能,该膜具有非常独特的亲水性,仅允许水分子 通过,而其他离子无法通过。该技术是一项新型水处 理技术,它以温度差作为分离驱动力,完美地将反渗透 和蒸馏技术的最佳属性结合为一体,同时又避开了以 上两种技术的缺陷,具有运行成本低、抗污染性强、处 理效果稳定等优点。

1 工艺原理


膜蒸馏是膜技术与蒸馏过程相结合的分离过程。 研究人员在试验中发现 NACE 膜材料对水中溶解性固 体具有非常良好的分离功能,进而将其应用领域拓展 为废水中无机盐类和有机物的去除[9]。膜蒸馏采用的 NACE 膜具有一个非常独特的性质,仅允许水分子通 过,而其他离子无法通过。该膜材料主要成分是一种 有机/无机混合磺化的苯乙烯聚合物,由亲水区和疏水 区交替构成,是一种高分子聚合物无孔化学隔膜。亲 水区形成的酸性通道可以迅速吸收和释放水分子,形 成一条从聚合物一面贯穿到另一面的仅允许水分子快 速通过的通道;疏水区为膜材料提供强度保证,化学性 质极其稳定,使用寿命长。

NACE 膜的特性主要包括: 高选择性: 仅允许水 分子通过; 高膜通量:处理量大; 高密闭性:全封闭 结构; 低投入: 运行费用低; 高品质的出水: 直接 回用。

在膜组件中, NACE 膜材料的一侧与热的待处理 废水直接接触( 称为热侧) ,另一侧直接或间接地与冷 介质接触( 称为冷侧) ,热侧中的液相水在膜面处扩散 并在冷侧汽化,水蒸气通过和冷介质的热交换被冷凝 成液相,废水中其他组分则被 NACE 膜材料阻挡在热侧,从而实现废水中污染物的分离。这一过程同时包 括了热量和质量的传递,传质的推动力为冷、热两侧水 的蒸气压差。

2 工艺说明

2. 1 工艺流程

膜蒸馏组合系统主要由进料单元、预处理单元、加 热单元、膜蒸发器单元、蒸发结晶单元、冷凝出水单元 以及相关附属设备组成,核心设备为膜组件。高含盐 废水的试验设备工艺流程见图1。

 

图1 工艺流程


2. 1. 1 预处理单元

预处理单元以去除细小颗粒和悬浮物质为目的, 来满足后续膜蒸发器进水的要求。预处理装置采用保 安过滤器,进水槽通过隔膜计量泵泵入保安过滤器,处 理量为0. 5m3 /h,共计1 台。

2. 1. 2 加热单元

保安过滤器出水进入中间贮槽,中间贮槽有效容 积为1m3,超高为0. 2m。加热设备采用蒸气盘管加热, 蒸气盘管置于中间贮槽内部,热源为厂内蒸气。

2. 1. 3 膜蒸发器单元

膜蒸发器为国外进口成套设备,由蜘蛛形支撑结 构、压板、膜片子组件和压缩杆4 个部分组成。每台设 备包含空气排放口、水蒸气出口、废水出入口和传感器 接入口。膜蒸发器进口压力要求小于 13kPa,前端通 过设置回路和阀门调节。

含盐废水首先进行预处理,去除来水中的悬浮物 大于20μm) ,避免对后续工艺的正常运行造成影响, 同时对来水进行升温。经预处理后的废水进入膜蒸发 器模块内,利用真空泵抽取膜组件冷侧的真空,形成 冷、热两侧水的蒸气压差,热侧的液相水在膜面汽化转 移至冷侧,以水蒸气的形式存在。水蒸气经冷凝后转 化为液相纯净水,利用清水泵导出处理系统。随着含 盐废水的不断流入,膜蒸发器模块内废水的污染物浓 度逐渐升高,当达到设定值时,系统停止工作,将浓缩 废液排出系统中,系统开始下一批次工作。

2. 1. 4 蒸发结晶装置单元

本项目中蒸发结晶装置采用单效降膜蒸发器,由 换热器、分离器、冷凝器、进料泵、出料泵、真空泵以及 配套管路阀门组成。

其工作流程为: 膜蒸发器排出的浓液在进料泵的 作用下进入蒸发室内; 物料在加热室内均匀地在加热 管内壁从下而上流动,同时被加热至物料沸腾状态,加 热后水进入分离室完成气、液分离,物料达到一定浓度 后,母液由分离器下出料口的出料泵析出,由离心机固 液分离得到盐结晶物,母液继续返回系统蒸发。分离 器产生的二次蒸汽进入冷凝器冷凝后由冷凝水罐收 集;不凝性气体经真空泵抽取,全系统使用 1 台真空 泵,通过管路及阀门控制真空度。加热器、分离室的压 力由冷凝水罐串联的冷凝器进行控制。

2. 2 工艺特点

膜蒸馏工艺是一项新型水处理技术,它以温度差 作为分离驱动力,将反渗透和蒸馏技术的最佳属性结 为一体,同时又避开了以上两种技术的缺陷,具有运行 成本低、抗污染性强、处理效果稳定等优点。主要特点 如下:

a. 处理效果稳定,出水直接回用,可实现零排放。 膜蒸馏系统对水中无机盐的去除率可以达到 90% 以 上,能够获得高品质的出水,同时最大限度地减少浓排 水的最终排放量。

b. 充分利用余热,形成运行成本的优势。由于企 业在生产的过程中有着丰富的余热,而膜蒸馏技术的 分离驱动力为温度差,因此可以和企业生产紧密衔接 起来,实现余热资源的有效利用。通过“膜蒸馏”系统中热量回收单元,最大限度地降低系统能耗,并且动力 设备少,可节约大量的电能。

c. 系统运行简单,无须复杂的前后处理及维护。 膜蒸馏系统没有较多的运动部件,运行维护简单,配置 灵活,可根据用户需要按使用点进行组装。

d. 系统稳定,使用寿命长。膜蒸馏系统所采用的 膜是一种高分子聚合物无孔化学隔膜,化学性质极其 稳定,使用寿命长。

3 处理效果


经过探究进水盐浓度、进料温度、膜面流速、真空 度对工艺参数的影响,找出最优工艺条件后,将膜蒸馏 与蒸发结晶系统联动运行,并对最终冷凝水( 包含膜蒸 馏和蒸发两部分) 水质和产水率进行检测分析,分析结 果如下:

当进水含盐量在 49000mg/L 时,该套膜蒸馏和蒸 发结晶两部分产水情况为膜蒸馏产水率不小于60%, 含盐量不大于300mg/L,蒸发结晶产水率不小于90%, 含盐量不大于 800mg/L,两股产水混合后含盐量不大 于350mg/L,脱盐率达到 99%,回用水回收率达到 92% 。由此可以看出,该套膜蒸馏设备对高含盐废水 有较好的处理效果。

4 结 语

为解决高含盐废水处理的难题,本文介绍了一套 膜蒸馏系统,经研究结果证实,该套膜蒸馏系统具有处 理效果稳定、能充分利用余热、系统运行简单、系统稳 定、使用寿命长等优势。这些优势使该套膜蒸馏系统 具有推广应用价值,为膜蒸馏处理高含盐废水提供了 又一具有发展潜力的新型膜分离技术,将高含盐废水 中的水进行回收利用,最大限度地降低高含盐废水对 水环境造成的潜在危害,这项技术可应用到各行各业 的高含盐废水处理领域中,发挥其自身优势,为高含盐 废水处理技术提供一个新的方向。?