倪亭亭，王云鐘，吳永明，鄧 覓，梁培瑜

（1.青島海檢節(jié)能環(huán)保有限公司，山東青島266235；2.江西省科學(xué)院，江西南昌330096）

反滲透技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)化水處理，其 在制取除鹽水的同時(shí)可對水中雜質(zhì)進(jìn)行高度濃縮，使之隨大量濃水排出〔1〕。反滲透濃水具有含鹽量高、易結(jié)垢、懸浮固體含量?。ǖ陀谧詠硭蠸S含量）、水溫高等特點(diǎn)，有較高的回收價(jià)值，若不予回收利用，不僅造成水資源極大浪費(fèi)，更會(huì)對環(huán)境造成不利影響〔2〕。針對反滲透濃水處理，諸多學(xué)者開展了相關(guān)研究〔3-5〕。研究表明，對其回用處理技術(shù)的選取主要考慮的因素是脫鹽率和產(chǎn)水率。電驅(qū)動(dòng)膜（Electrodialysis Reversal，EDR）工藝具有耗電量低、無環(huán)境污染、裝置設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)〔6〕，其脫鹽率和產(chǎn)水率分別為30%～99%和65%～90%，可通過膜組串聯(lián)增加脫鹽率，并聯(lián)增加產(chǎn)水率。此外，電驅(qū)動(dòng)膜產(chǎn)水無需經(jīng)過換熱器加熱升溫，可直接進(jìn)入下一級反滲透裝置進(jìn)行進(jìn)一步脫鹽，從而節(jié)省大量蒸汽能，并為企業(yè)節(jié)省大量自來水?？梢?，電驅(qū)動(dòng)膜技術(shù)在反滲透濃水回用處理方面具有較好的應(yīng)用前景。

1 概況

某熱電廠化水處理車間采用“反滲透+混合離子交換器”工藝制取除鹽水，工藝流程如圖1所示。

圖1 化水處理工藝流程Fig.1 Chemical water treatment process flow diagram

系統(tǒng)有3套75 m3/h的反滲透裝置，每年產(chǎn)生約30萬t反滲透濃水。在未建反滲透濃水回用工程之前，產(chǎn)生的反滲透濃水進(jìn)入濃水箱后直排入廠內(nèi)下水道，不僅造成水資源的浪費(fèi)，同時(shí)也影響了下游污水處理廠的處理效率。為解決此問題，公司擬采用電驅(qū)動(dòng)膜工藝處理該反滲透濃水，并新增1套36 m3/h的反滲透裝置以提高回用水的水質(zhì)。其中，電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水水量60 m3/h，進(jìn)水電導(dǎo)率2 500～3 000 μS/cm，設(shè)計(jì)產(chǎn)水率80%，設(shè)計(jì)產(chǎn)水水量48 m3/h，產(chǎn)水電導(dǎo)率≤500μS/cm；反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)水率75%，設(shè)計(jì)產(chǎn)水水量36 m3/h，產(chǎn)水電導(dǎo)率≤15μS/cm。

2 工藝流程

在電廠原有工藝基礎(chǔ)上，針對反滲透濃水，通過采用電驅(qū)動(dòng)膜處理實(shí)現(xiàn)對濃水的回收利用〔9〕，其工藝流程如圖2所示。

圖2 反滲透濃水處理工藝流程Fig.2 ROconcentrated water treatment process flow diagram

反滲透濃水由提升泵經(jīng)保安過濾器泵入電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)進(jìn)行脫鹽處理，產(chǎn)生的淡水進(jìn)入電膜產(chǎn)水箱，經(jīng)高壓泵提升至新增反滲透裝置進(jìn)行進(jìn)一步脫鹽處理。反滲透產(chǎn)水進(jìn)入原中間水箱，經(jīng)混合離子交換器將水中殘留的離子進(jìn)一步去除。

新增反滲透產(chǎn)生的濃水進(jìn)入電膜濃水箱作為電膜濃水。電膜濃水為開式循環(huán)，可連續(xù)或間斷補(bǔ)排水，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置電膜濃水電導(dǎo)率達(dá)到12 000 μS/cm時(shí)自動(dòng)外排至廠內(nèi)下水道。該運(yùn)行方式既可回收利用新增反滲透濃水，又可有效防止COD富集損壞電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)。該工藝正常運(yùn)行情況下，濃水量較改造前大大縮減，但仍會(huì)產(chǎn)生約12 m3/h濃水。在未違背當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求的前提下，于配套濃水深度處理設(shè)施前，暫且將其隨廠區(qū)其他處理后的生產(chǎn)廢水和生活污水一同排入城市下水道，隨后在未對污水處理廠污水全鹽量造成不利沖擊情況下，匯入城鎮(zhèn)污水處理廠集中處理。建議后期條件成熟時(shí)，可繼續(xù)開展?jié)馑暮侠砘幹醚芯俊?/p>

電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)極水由NaCl（工業(yè)級）配制，其主要作用為導(dǎo)電和冷卻電極。將NaCl置于濃鹽水箱加入純水溶解配制完成后，經(jīng)計(jì)量泵泵入電膜極水箱作為電膜系統(tǒng)極水。電膜極水為閉路循環(huán)，為防止極水長時(shí)間循環(huán)及補(bǔ)水過程中電極結(jié)垢，極水運(yùn)行1個(gè)月更換1次，更換的極水外排至廠內(nèi)下水道。

3 工藝單元設(shè)計(jì)

3.1 電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)

電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)設(shè)置1套，采用國際先進(jìn)的自動(dòng)倒極技術(shù)。每隔一定時(shí)間，電驅(qū)動(dòng)膜正負(fù)電極極性相互倒換，同時(shí)濃水隔室和淡水隔室亦相應(yīng)調(diào)換，可自動(dòng)清洗離子交換膜和電極表面形成的污垢，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)包括電驅(qū)動(dòng)膜裝置和清洗裝置。

（1）電驅(qū)動(dòng)膜裝置。該裝置是在外加直流電場作用下，利用離子交換膜對溶液中離子的選擇透過性使溶液中陰、陽離子發(fā)生離子遷移，分別通過陰、陽離子交換膜而達(dá)到除鹽目的〔6〕。

設(shè)置特種電驅(qū)動(dòng)膜設(shè)備6臺，分2組，每組3臺，每組設(shè)計(jì)產(chǎn)水能力為25 m3/h；設(shè)置電膜產(chǎn)水箱、濃水箱、極水箱各1只，容積20 m3，材質(zhì)PE；設(shè)置濃鹽水箱1只，容積2 m3，材質(zhì)PE；設(shè)置淡水泵、濃水泵各1臺，流量50 m3/h，功率11 kW；設(shè)置極水泵1臺，流量25 m3/h，功率5.5 k W；設(shè)置濃鹽水泵1臺，流量12.5 m3/h，功率2.2 kW；設(shè)置保安過濾器3臺，其中流量50 m3/h的2臺、30 m3/h的1臺，濾芯過濾孔徑均為5μm；設(shè)置在線電導(dǎo)率儀3臺，量程0～4 000μS/cm；設(shè)置超聲波液位計(jì)5臺，量程0～5 m；設(shè)置在線pH儀2臺。

（2）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定。每組電驅(qū)動(dòng)膜設(shè)備的電流初始設(shè)置分別為第1臺40 A、第2臺35 A、第3臺20 A，電壓均為130 V。系統(tǒng)使用一段時(shí)間后，膜性能有所改變，可適當(dāng)調(diào)整電壓，但電壓最高不超過300 V，3臺設(shè)備的電流分別不高于65、55、40 A。

設(shè)置電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)連續(xù)工作60 min倒極1次，實(shí)際倒極時(shí)間可根據(jù)運(yùn)行狀況調(diào)整；設(shè)置產(chǎn)水電導(dǎo)率達(dá)到500μS/cm時(shí)進(jìn)入電膜產(chǎn)水箱，濃水電導(dǎo)率達(dá)到12 000μS/cm時(shí)外排；系統(tǒng)產(chǎn)水、濃水、極水各路壓強(qiáng)最高設(shè)置為0.32 MPa，最低設(shè)置為0.06 MPa。

（3）清洗裝置。電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，在膜上會(huì)積累膠體、細(xì)菌、有機(jī)物等物質(zhì)，造成膜污染，脫鹽率下降，須及時(shí)進(jìn)行化學(xué)清洗〔7〕。

設(shè)置清洗箱1只，容積5 m3，材質(zhì)PE。設(shè)置加藥箱1只，容積200 L，材質(zhì)PE；設(shè)置15 L/h和7.6 L/h計(jì)量泵各1臺，壓強(qiáng)均為0.6 MPa；設(shè)置管道混合器50 m3/h和30 m3/h各1只，材質(zhì)均為UPVC；設(shè)置化工清洗泵1臺，流量50 m3/h，功率11 k W；設(shè)置保安過濾器1臺，流量50 m3/h，濾芯過濾孔徑5μm。

3.2 新增反滲透系統(tǒng)

新增反滲透系統(tǒng)1套，產(chǎn)水能力36 m3/h，包括反滲透裝置、阻垢劑加藥裝置。

（1）反滲透裝置。利用反滲透膜的特性去除水中絕大部分可溶性鹽類、膠體及有機(jī)物〔8〕。設(shè)置反滲透膜48支，型號為陶氏BW30-365IG，單支膜脫鹽率≥99.5%，反滲透膜組件8支，膜殼材質(zhì)為玻璃鋼；設(shè)置保安過濾器1臺，流量50 m3/h，濾芯過濾孔徑5μm；設(shè)置高壓泵1臺，流量50 m3/h，功率30 kW；設(shè)置在線電導(dǎo)率儀2臺，量程0～4 000μS/cm；設(shè)置超聲波液位計(jì)1臺，量程0～5 m。

（2）阻垢劑加藥裝置。設(shè)置阻垢劑加藥系統(tǒng)，防止RO濃水端，特別是壓力容器最后一根膜元件的濃 水 側(cè) 出 現(xiàn) 難 溶 性 鹽 類〔Mg（OH）2、CaCO3、CaSO4等〕結(jié)晶析出。濃水朗格里爾指數(shù)LSI＞1.8，在膜表面會(huì)形成垢層，從而損壞膜元件的性能。設(shè)置清洗泵1臺，流量50 m3/h，功率11 kW；設(shè)置阻垢劑加藥泵1臺，流量7.6 L/h，壓強(qiáng)0.35 MPa；設(shè)置清洗保安過濾器1臺，流量50 m3/h，濾芯過濾孔徑5μm。

4 處理效果及運(yùn)行費(fèi)用

4.1 處理效果

反滲透濃水處理系統(tǒng)調(diào)試完畢后連續(xù)運(yùn)行半年期間，每隔2 h記錄電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，主要記錄淡水壓強(qiáng)、濃水壓強(qiáng)、極水壓強(qiáng)、濃水pH、極水pH、原水電導(dǎo)率、濃水電導(dǎo)率、產(chǎn)水電導(dǎo)率以及6臺膜組器的電壓電流值。結(jié)果表明，電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，平均進(jìn)水量為58.8 m3/h，產(chǎn)水量為51.8 m3/h，產(chǎn)水率達(dá)88%；出水水質(zhì)優(yōu)于設(shè)計(jì)出水水質(zhì)要求，并優(yōu)于自來水水質(zhì)，產(chǎn)水電導(dǎo)率為260～370μS/cm，脫鹽率達(dá)85%。反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水電導(dǎo)率低于15μS/cm。

4.2 經(jīng)濟(jì)分析

該工程總投資240萬元，其中電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)為192萬元，新增反滲透系統(tǒng)為48萬元。該反滲透濃水回用系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期（20 h/d，300 d/a）統(tǒng)計(jì)，電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)用電設(shè)備運(yùn)行功率為58 kW，電費(fèi)以0.8元/（kW·h）計(jì)，運(yùn) 行 電 耗 為1.12元/m3，則 年 電 費(fèi)29.62萬元；清洗藥劑為30%鹽酸和固體堿，單價(jià)分別為680元/t和2 000元/t，清洗頻次1次/月，則處理藥劑費(fèi)0.39元/m3；不含人工費(fèi)用，綜合電費(fèi)和藥劑費(fèi)為1.51元/m3。

結(jié)合反滲透濃水回用系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，年節(jié)約自來水量264 420 m3，年節(jié)約自來水費(fèi)138.82萬元（自來水單價(jià)按5.25元/m3）；化水處理系統(tǒng)利用蒸汽加熱自來水至25℃，使反滲透裝置達(dá)到最佳產(chǎn)水量，而反滲透濃水水溫約25℃，直接進(jìn)入回用系統(tǒng)，可節(jié)約蒸汽能11 105 GJ/a（年平均水溫按15℃計(jì)，水溫由15℃升溫至25℃），年節(jié)約蒸汽費(fèi)77.42萬元（按照該電廠所在地工業(yè)熱價(jià)69.72元/GJ計(jì)算）。

5 結(jié)論

針對電廠反滲透濃水具有水量大、含鹽量高、水溫較高的特點(diǎn)，采用電驅(qū)動(dòng)膜工藝對其進(jìn)行處理，并結(jié)合新增反滲透有效預(yù)防COD富集。運(yùn)行結(jié)果表明，該處理工藝運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)水率高達(dá)88%，脫鹽效果好，動(dòng)力耗電較低；其電驅(qū)動(dòng)膜產(chǎn)水電導(dǎo)率為260～370μS/cm，脫鹽率達(dá)85%，年節(jié)約自來水量264 420 m3，年節(jié)約蒸汽能11 105 GJ。運(yùn)行費(fèi)用方面，不計(jì)人工費(fèi)用，電費(fèi)和藥劑費(fèi)合計(jì)為1.51元/m3。