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(guó)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(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)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(guó)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(duì)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(cè)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)。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(cè)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(shì)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(chǎng)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(duì)于工程現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)［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