高分離納濾系統在煤化工高鹽廢水零排放中的應用
高分離納濾系統在煤(mei)化(hua)工(gong)高鹽(yan)廢水零排放中的應(ying)用
賽(sai)世杰1,2* 李買軍1 黨 平1 劉(liu) 慧1 張 娜(na)1 黃 霞2
(1. 內(nei)蒙(meng)古(gu)久科康瑞(rui)環保(bao)科技有限公司，內(nei)蒙(meng)古(gu) 鄂爾(er)多(duo)斯 017000;2. 清華大(da)學(xue) 環境(jing)學(xue)院(yuan) 環境(jing)模擬與(yu)污染控制國家重(zhong)點(dian)實驗室，北京 100084）
研究背景
煤(mei)化(hua)工(gong)高(gao)鹽廢(fei)水(shui)(shui)(shui)主(zhu)(zhu)要來源于生產過(guo)程中(zhong)的煤(mei)氣洗(xi)滌(di)廢(fei)水(shui)(shui)(shui)、除鹽水(shui)(shui)(shui)系統(tong)排(pai)水(shui)(shui)(shui)、循(xun)環水(shui)(shui)(shui)系統(tong)排(pai)水(shui)(shui)(shui)、中(zhong)水(shui)(shui)(shui)回用(yong)系統(tong)濃(nong)(nong)水(shui)(shui)(shui)等，溶解性總(zong)固體(TDS)濃(nong)(nong)度(du)通常＞10000mg/L，廢(fei)水(shui)(shui)(shui)中(zhong)Na+、Cl-和(he)SO2-4濃(nong)(nong)度(du)之(zhi)和(he)占(zhan)離子總(zong)量的80%～90%以上(shang)。目前，主(zhu)(zhu)要采用(yong)預處(chu)理-納(na)濾分離-反(fan)滲透濃(nong)(nong)縮-蒸(zheng)發(fa)/冷凍結(jie)晶(jing)組(zu)合工(gong)藝實現高(gao)鹽廢(fei)水(shui)(shui)(shui)零排(pai)放，反(fan)滲透產水(shui)(shui)(shui)進(jin)行(xing)回用(yong)，同(tong)時副產NaCl和(he)無水(shui)(shui)(shui)Na2SO4結(jie)晶(jing)鹽。
納(na)濾分離(li)(li)(li)技術是高(gao)鹽廢水零排放中的(de)(de)(de)關鍵技術。由于納(na)濾膜的(de)(de)(de)篩分效應(空間位阻效應)、道南效應(電(dian)荷效應)和介(jie)電(dian)排斥效應，使納(na)濾膜對(dui)有機物、多(duo)價(jia)離(li)(li)(li)子和單價(jia)離(li)(li)(li)子等的(de)(de)(de)截留(liu)率(lv)呈顯著(zhu)差別。因此，利用納(na)濾膜對(dui)不同(tong)價(jia)態陰離(li)(li)(li)子的(de)(de)(de)選(xuan)擇性截留(liu)原理對(dui)Cl-和SO2-4進(jin)行分離(li)(li)(li)，已(yi)成(cheng)為高(gao)鹽廢水零排放中至關重(zhong)要的(de)(de)(de)工(gong)藝步驟。
近(jin)些年，納(na)濾(lv)分(fen)離(li)技術(shu)的(de)(de)相(xiang)關研(yan)究和(he)工程(cheng)(cheng)應用(yong)逐漸成(cheng)熟。熊日華等(deng)、蔣路漫(man)等(deng)和(he)江成(cheng)廣(guang)分(fen)別對應用(yong)于煤化(hua)工廢水(shui)、脫(tuo)硫廢水(shui)和(he)礦井水(shui)零(ling)排放納(na)濾(lv)系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)分(fen)離(li)性(xing)能進行了研(yan)究。結果表明(ming)，納(na)濾(lv)系(xi)(xi)統(tong)對Cl-和(he)SO2-4具有較(jiao)好(hao)的(de)(de)分(fen)離(li)效果。然而(er)，目前工程(cheng)(cheng)中(zhong)常采(cai)用(yong)1級2段(duan)(duan)或1級3段(duan)(duan)的(de)(de)納(na)濾(lv)系(xi)(xi)統(tong)，水(shui)回(hui)收(shou)(shou)率(lv)(lv)很高，但SO2-4截(jie)(jie)留(liu)率(lv)(lv)較(jiao)低(di)；而(er)兩(liang)級納(na)濾(lv)系(xi)(xi)統(tong)具有很高的(de)(de)SO2-4截(jie)(jie)留(liu)率(lv)(lv)，系(xi)(xi)統(tong)水(shui)回(hui)收(shou)(shou)率(lv)(lv)卻很低(di)。水(shui)回(hui)收(shou)(shou)率(lv)(lv)和(he)截(jie)(jie)留(liu)率(lv)(lv)的(de)(de)相(xiang)互制約是(shi)納(na)濾(lv)膜(mo)分(fen)離(li)的(de)(de)重要(yao)特征，而(er)無(wu)法同時(shi)兼顧較(jiao)高的(de)(de)水(shui)回(hui)收(shou)(shou)率(lv)(lv)和(he)SO2-4截(jie)(jie)留(liu)率(lv)(lv)已成(cheng)為其工程(cheng)(cheng)應用(yong)中(zhong)的(de)(de)主要(yao)問(wen)題，導致納(na)濾(lv)系(xi)(xi)統(tong)分(fen)離(li)性(xing)能大大降低(di)，并最(zui)終影響結晶(jing)鹽的(de)(de)產量和(he)純度。
為此，賽世杰(jie)等發明(ming)了一種由3個納濾(lv)子系(xi)(xi)(xi)統構成(cheng)的高水回收率(lv)和高SO2-4截(jie)留率(lv)的高分(fen)離(li)納濾(lv)系(xi)(xi)(xi)統，創造性地對納濾(lv)膜(mo)進行優(you)(you)化(hua)組合(he)，以提升納濾(lv)系(xi)(xi)(xi)統的分(fen)離(li)性能(neng)。該(gai)技術已成(cheng)功應(ying)用(yong)到國家(jia)能(neng)源集團寧夏煤(mei)業有限責(ze)任(ren)公(gong)司寧東礦區煤(mei)化(hua)工高鹽廢水零排放項(xiang)(xiang)目，本論文對該(gai)項(xiang)(xiang)目中高分(fen)離(li)納濾(lv)系(xi)(xi)(xi)統的應(ying)用(yong)效果進行分(fen)析，以期為納濾(lv)分(fen)離(li)技術的優(you)(you)化(hua)升級(ji)和推(tui)廣應(ying)用(yong)提供(gong)數據(ju)參(can)考。
摘 要
提出了(le)1種由3個納(na)濾(lv)子(zi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)構成的(de)(de)(de)高(gao)分離(li)納(na)濾(lv)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)，開展了(le)該納(na)濾(lv)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)在煤(mei)化工(gong)高(gao)鹽廢水(shui)(shui)零(ling)排(pai)放(fang)工(gong)程中的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)及效果(guo)分析。結(jie)果(guo)表明(ming)(ming):納(na)濾(lv)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)SO2-4和Cl-平(ping)(ping)均截(jie)留率(lv)(lv)分別(bie)(bie)為(wei)99.7%和-13.7%，平(ping)(ping)均水(shui)(shui)回(hui)收率(lv)(lv)高(gao)達(da)81.9%，對1、2價鹽分離(li)效果(guo)較(jiao)好；納(na)濾(lv)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)和各子(zi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)在連續運行(xing)中的(de)(de)(de)水(shui)(shui)回(hui)收率(lv)(lv)和運行(xing)壓力波動(dong)較(jiao)小，系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)運行(xing)穩定性較(jiao)高(gao)；納(na)濾(lv)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)COD、Ca2+和Mg2+平(ping)(ping)均截(jie)留率(lv)(lv)分別(bie)(bie)為(wei)47.6%、76.9%和86.0%，而納(na)濾(lv)1、2、3子(zi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)清洗(xi)頻率(lv)(lv)分別(bie)(bie)僅為(wei)每(mei)月(yue)2.1，0，1.0次，表明(ming)(ming)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)抗污染性能。工(gong)程應用(yong)(yong)表明(ming)(ming)，高(gao)分離(li)納(na)濾(lv)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)在高(gao)鹽廢水(shui)(shui)零(ling)排(pai)放(fang)領域具(ju)有很好的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)前景。
01 工程項目簡介
1. 工藝流程
煤化(hua)工生產污水(shui)(shui)首先進行(xing)預處理和生化(hua)處理，生化(hua)系(xi)統出水(shui)(shui)與除(chu)鹽(yan)水(shui)(shui)和循(xun)環水(shui)(shui)系(xi)統排水(shui)(shui)等廢水(shui)(shui)混(hun)合后排入中水(shui)(shui)回用系(xi)統，中水(shui)(shui)回用系(xi)統的反(fan)滲(shen)透濃水(shui)(shui)(高鹽(yan)廢水(shui)(shui))進入零排放工程進行(xing)處理。高鹽(yan)廢水(shui)(shui)零排放工程處理規模為(wei)195m3/h，主體工藝路(lu)線如圖1所(suo)示。
圖1 反(fan)滲透濃水(shui)零(ling)排(pai)放工程(cheng)主體工藝流程(cheng)
由(you)圖1可知(zhi)：高(gao)(gao)(gao)(gao)鹽(yan)廢水首先(xian)進(jin)(jin)(jin)入高(gao)(gao)(gao)(gao)分(fen)離納(na)(na)(na)(na)濾(lv)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)進(jin)(jin)(jin)行(xing)分(fen)鹽(yan)處(chu)理，通(tong)過(guo)納(na)(na)(na)(na)濾(lv)對(dui)高(gao)(gao)(gao)(gao)鹽(yan)廢水中的(de)Cl-和SO2-4實(shi)(shi)現有效(xiao)分(fen)離。然后(hou)，納(na)(na)(na)(na)濾(lv)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)產(chan)(chan)水進(jin)(jin)(jin)入中/高(gao)(gao)(gao)(gao)壓(ya)反(fan)(fan)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)進(jin)(jin)(jin)行(xing)脫鹽(yan)和濃(nong)(nong)縮處(chu)理，反(fan)(fan)滲透(tou)產(chan)(chan)水進(jin)(jin)(jin)行(xing)回(hui)用，反(fan)(fan)滲透(tou)濃(nong)(nong)水進(jin)(jin)(jin)入蒸發(fa)結(jie)晶系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)生成(cheng)NaCl；納(na)(na)(na)(na)濾(lv)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)濃(nong)(nong)水進(jin)(jin)(jin)入另(ling)一套高(gao)(gao)(gao)(gao)壓(ya)反(fan)(fan)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)進(jin)(jin)(jin)行(xing)脫鹽(yan)和濃(nong)(nong)縮處(chu)理，反(fan)(fan)滲透(tou)產(chan)(chan)水進(jin)(jin)(jin)行(xing)回(hui)用，反(fan)(fan)滲透(tou)濃(nong)(nong)水進(jin)(jin)(jin)入冷(leng)(leng)凍結(jie)晶系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)產(chan)(chan)出芒硝(NaSO4·10H2O)，芒硝再(zai)通(tong)過(guo)熔融結(jie)晶系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)產(chan)(chan)出無(wu)水Na2SO4。蒸發(fa)結(jie)晶和冷(leng)(leng)凍結(jie)晶系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)母液進(jin)(jin)(jin)入雜鹽(yan)蒸發(fa)結(jie)晶系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)產(chan)(chan)出少量雜鹽(yan)，同時一部分(fen)冷(leng)(leng)凍結(jie)晶母液回(hui)流至(zhi)高(gao)(gao)(gao)(gao)壓(ya)反(fan)(fan)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)前端，與納(na)(na)(na)(na)濾(lv)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)濃(nong)(nong)水混合后(hou)實(shi)(shi)現循環處(chu)理。
該工程(cheng)的(de)高(gao)(gao)分離(li)(li)納濾(lv)(lv)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)由(you)3個納濾(lv)(lv)子系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)構成，采用(yong)“兩(liang)級兩(liang)段大(da)循環”的(de)排列(lie)組合(he)方(fang)式(shi)(shi)，實現高(gao)(gao)水(shui)回收(shou)率(lv)和高(gao)(gao)SO2-4截(jie)留(liu)率(lv)。如圖(tu)1虛線框(kuang)所示(shi)，高(gao)(gao)鹽廢(fei)水(shui)首(shou)先進(jin)(jin)(jin)(jin)入納濾(lv)(lv)1系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)進(jin)(jin)(jin)(jin)行1次分離(li)(li)，納濾(lv)(lv)1產(chan)水(shui)與納濾(lv)(lv)3產(chan)水(shui)混合(he)后進(jin)(jin)(jin)(jin)入納濾(lv)(lv)2系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)進(jin)(jin)(jin)(jin)行2次截(jie)留(liu)，以提高(gao)(gao)納濾(lv)(lv)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)SO2-4截(jie)留(liu)率(lv)；同時，納濾(lv)(lv)1濃(nong)(nong)水(shui)與納濾(lv)(lv)2濃(nong)(nong)水(shui)混合(he)后進(jin)(jin)(jin)(jin)入納濾(lv)(lv)3系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)進(jin)(jin)(jin)(jin)行2次回收(shou)，以提高(gao)(gao)納濾(lv)(lv)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)水(shui)回收(shou)率(lv)并進(jin)(jin)(jin)(jin)一步降(jiang)低Cl-截(jie)留(liu)率(lv)。其(qi)中，納濾(lv)(lv)2產(chan)水(shui)即納濾(lv)(lv)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)產(chan)水(shui)，納濾(lv)(lv)3濃(nong)(nong)水(shui)即納濾(lv)(lv)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)濃(nong)(nong)水(shui)。高(gao)(gao)分離(li)(li)納濾(lv)(lv)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)膜元(yuan)件(jian)全部選用(yong)螺旋卷式(shi)(shi)芳香(xiang)族(zu)聚哌(pai)嗪復合(he)膜(FORTILIFEXC-N8040，美國杜(du)邦公司)，單支膜面積為34m2，最(zui)大(da)耐受壓(ya)力為4.1MPa，系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)主要(yao)設計參數如表1所示(shi)。
表(biao)1 納(na)濾系統設(she)計(ji)參數
該工程于2018年12月底通水(shui)(shui)，穩定運行3個多月后開始連續取樣并進(jin)行水(shui)(shui)質(zhi)(zhi)監測(ce)，監測(ce)時(shi)間(jian)區(qu)間(jian)為2019-03—12，監測(ce)期(qi)間(jian)進(jin)水(shui)(shui)水(shui)(shui)質(zhi)(zhi)如表2所示(shi)。可見：監測(ce)期(qi)間(jian)項目進(jin)水(shui)(shui)水(shui)(shui)質(zhi)(zhi)波動(dong)幅度(du)很大，進(jin)水(shui)(shui)TDS濃度(du)高(gao)，且主要組分(fen)為Na+、SO2-4和Cl-，進(jin)水(shui)(shui)NO-3濃度(du)較(jiao)高(gao)；由于前端的中水(shui)(shui)回(hui)用系統設置了(le)預處理裝置，所以進(jin)水(shui)(shui)硬度(du)較(jiao)低。
2.研究方法
取樣分析納濾系(xi)(xi)統(tong)及各(ge)子系(xi)(xi)統(tong)的有(you)機物、多(duo)價離(li)子和單價離(li)子截留率(lv)(lv)、水(shui)回(hui)收率(lv)(lv)、運(yun)行壓力和清洗頻(pin)率(lv)(lv)，驗(yan)證系(xi)(xi)統(tong)的分離(li)效果(guo)和運(yun)行穩定(ding)性。截留率(lv)(lv)根據(ju)式(shi)(1)進行計算：
式中：η為(wei)(wei)納(na)濾系(xi)統或(huo)子系(xi)統的截留率；Ce為(wei)(wei)納(na)濾系(xi)統或(huo)子系(xi)統的產水有(you)機(ji)物(wu)或(huo)離子濃度，mg/L；Ci為(wei)(wei)納(na)濾系(xi)統或(huo)子系(xi)統的進(jin)水有(you)機(ji)物(wu)或(huo)離子濃度，mg/L。
水回收率(lv)根據式(2)—(5)進(jin)行計算
式中：δ、δ1、δ2、δ3分別為(wei)(wei)納濾系(xi)統(tong)和納濾1、2、3子(zi)系(xi)統(tong)的水(shui)(shui)回收率；Qi為(wei)(wei)納濾系(xi)統(tong)(也是納濾1子(zi)系(xi)統(tong))的進(jin)水(shui)(shui)流(liu)量(liang)，m3/h；Qe為(wei)(wei)納濾系(xi)統(tong)(也是納濾2子(zi)系(xi)統(tong))的產(chan)水(shui)(shui)流(liu)量(liang)，m3/h；Qe1為(wei)(wei)納濾1子(zi)系(xi)統(tong)的產(chan)水(shui)(shui)流(liu)量(liang)，m3/h；Qe3為(wei)(wei)納濾3子(zi)系(xi)統(tong)的產(chan)水(shui)(shui)流(liu)量(liang)，m3/h。聯立式(2)—(5)求解，可以得出：
由(you)式(6)可知：納濾系統(tong)(tong)水回(hui)(hui)收(shou)率(lv)(lv)δ是納濾1、2、3子系統(tong)(tong)水回(hui)(hui)收(shou)率(lv)(lv)δ1、δ2、δ3的(de)函數。因此，分(fen)析系統(tong)(tong)水回(hui)(hui)收(shou)率(lv)(lv)時，根據(ju)(ju)運行數據(ju)(ju)分(fen)別(bie)計算出納濾1、2、3子系統(tong)(tong)的(de)水回(hui)(hui)收(shou)率(lv)(lv)，再根據(ju)(ju)式(6)計算出納濾系統(tong)(tong)的(de)水回(hui)(hui)收(shou)率(lv)(lv)。
02 工程運行效果
1.工程運行效果(guo)
1）納(na)濾系(xi)統(tong)截(jie)留效果
納濾系(xi)統進水、產水和濃水各指(zhi)標平(ping)(ping)均濃度如表3所示(shi)，系(xi)統平(ping)(ping)均截(jie)留率如圖2所示(shi)。
表3 納濾系統進水(shui)、產(chan)水(shui)和濃(nong)水(shui)各指(zhi)標平均濃(nong)度
圖2 納(na)濾系統平(ping)均(jun)截(jie)留(liu)率
由(you)圖2和(he)表3可知：納(na)濾(lv)系統的(de)SO2-4平(ping)均(jun)截留(liu)(liu)率高達99.7%，且(qie)穩(wen)定性很高，說(shuo)明系統對SO2-4具有很好的(de)截留(liu)(liu)效(xiao)果。納(na)濾(lv)系統的(de)Cl-和(he)NO-3平(ping)均(jun)截留(liu)(liu)率分別為-13.7%和(he)-10.8%，納(na)濾(lv)對Cl-和(he)NO-3出現(xian)負截留(liu)(liu)率主(zhu)要是由(you)道南平(ping)衡作(zuo)用(yong)造成的(de)，SO2-4與膜(mo)(mo)表面固定電荷的(de)相互作(zuo)用(yong)，導致Cl-和(he)NO-3在納(na)濾(lv)膜(mo)(mo)中的(de)傳輸作(zuo)用(yong)被促進，以保(bao)持納(na)濾(lv)膜(mo)(mo)兩(liang)側溶液的(de)電中性。
納(na)(na)濾(lv)系統(tong)的(de)(de)(de)COD平均截留率(lv)為47.6%，截留率(lv)不(bu)高且波動幅(fu)度較(jiao)大(27.0%～66.1%)。納(na)(na)濾(lv)對電中(zhong)(zhong)性有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)物(wu)(wu)最主要的(de)(de)(de)截留機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)理是空間位阻(zu)效(xiao)應，有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)物(wu)(wu)分(fen)(fen)子(zi)(zi)越大、膜(mo)孔(kong)徑越小，空間位阻(zu)效(xiao)應越強(qiang)，有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)物(wu)(wu)截留率(lv)越高；而(er)煤(mei)(mei)化(hua)(hua)(hua)工高鹽(yan)廢水(shui)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)物(wu)(wu)主要呈電中(zhong)(zhong)性且分(fen)(fen)子(zi)(zi)量較(jiao)小，因此有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)物(wu)(wu)截留率(lv)總體偏低。王帥等(deng)、張生蘭(lan)對煤(mei)(mei)化(hua)(hua)(hua)工高鹽(yan)廢水(shui)中(zhong)(zhong)納(na)(na)濾(lv)膜(mo)的(de)(de)(de)有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)物(wu)(wu)截留效(xiao)果進(jin)行分(fen)(fen)析(xi)，COD平均截留率(lv)分(fen)(fen)別僅為54.8%和53.75%。另外，由于(yu)煤(mei)(mei)化(hua)(hua)(hua)工項目選用的(de)(de)(de)煤(mei)(mei)種和煤(mei)(mei)氣化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)程度不(bu)同，且生化(hua)(hua)(hua)系統(tong)出(chu)水(shui)與除鹽(yan)水(shui)和循環(huan)水(shui)系統(tong)排水(shui)的(de)(de)(de)比(bi)例處于(yu)變化(hua)(hua)(hua)狀態，同時中(zhong)(zhong)水(shui)回(hui)用系統(tong)設置的(de)(de)(de)臭(chou)氧催化(hua)(hua)(hua)氧化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)處理效(xiao)果也存在(zai)波動，以上各(ge)因素綜合導致納(na)(na)濾(lv)進(jin)水(shui)的(de)(de)(de)有(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)物(wu)(wu)種類和分(fen)(fen)子(zi)(zi)量等(deng)存在(zai)較(jiao)大變化(hua)(hua)(hua)，從而(er)使納(na)(na)濾(lv)系統(tong)的(de)(de)(de)COD截留率(lv)發生較(jiao)大幅(fu)度的(de)(de)(de)波動。
圖(tu)2和表3表明，納濾系(xi)統基本不截留SiO2，平均截留率為-0.9%。這是(shi)因為進水中SiO2主要為電中性的可溶性硅，其截留機理同樣是(shi)空間位阻效應；相(xiang)比有機物(wu)，可溶性硅的分子量要小(xiao)得(de)多，因此納濾膜對其幾乎(hu)沒有截留效果(guo)。
納濾(lv)系統的Ca2+、Mg2+和NH+4平均截留率分(fen)別為76.9%、86.0%和51.7%，系統對(dui)Ca2+、Mg2+的截留率較(jiao)高，表明其對(dui)多價陽(yang)離(li)子也(ye)具(ju)有較(jiao)好的截留效果。
2）納濾子(zi)系統截(jie)留(liu)效果
在高分(fen)離納(na)濾系統(tong)(tong)中各納(na)濾子系統(tong)(tong)的(de)SO2-4、Cl-、NO-3和(he)COD平均(jun)截留(liu)率如圖3所(suo)示。
圖3 納濾子系統平均(jun)截(jie)留率
由(you)圖(tu)3可知：納濾1、2、3的SO2-4平均(jun)截(jie)留(liu)率(lv)分別(bie)為95.9%、88.8%和(he)98.5%，進(jin)(jin)水SO2-4平均(jun)濃度分別(bie)為10286.1，570.6，21152.4mg/L。可以發現，進(jin)(jin)水SO2-4濃度越高，運行壓力(li)越大，系統截(jie)留(liu)率(lv)越大。李琨對煤化工廢(fei)水進(jin)(jin)行小試研究發現，納濾的SO2-4截(jie)留(liu)率(lv)隨著(zhu)運行壓力(li)增大而升高，并將其歸因于稀釋作用。
納濾1、2、3的Cl-平(ping)均截(jie)留(liu)率分別為-18.3%、0.9%和(he)-36.5%，NO-3平(ping)均截(jie)留(liu)率分別為-23.6%、-1.2%和(he)-54.3%。Cl-和(he)NO-3的負(fu)截(jie)留(liu)率是由(you)道(dao)南(nan)平(ping)衡作用造成的，因此進水SO2-4濃度越(yue)(yue)高，道(dao)南(nan)平(ping)衡作用越(yue)(yue)明(ming)顯(xian)，二者的負(fu)截(jie)留(liu)率絕對值越(yue)(yue)大(da)(da)。夏俊(jun)方(fang)、張小亞等的研究也(ye)證實，進水SO2-4濃度逐漸(jian)升高會大(da)(da)大(da)(da)降低Cl-截(jie)留(liu)率，使Cl-負(fu)截(jie)留(liu)現象越(yue)(yue)來越(yue)(yue)明(ming)顯(xian)。另外，由(you)于各納濾子系(xi)統的進水SO2-4濃度變化較大(da)(da)，導(dao)致(zhi)Cl-和(he)NO-3截(jie)留(liu)率出現較大(da)(da)波動(dong)。
納(na)(na)濾(lv)(lv)1、2、3的(de)COD平均(jun)截留率分(fen)別為43.8%、21.2%和51.9%。由于進(jin)入(ru)納(na)(na)濾(lv)(lv)2的(de)是已經(jing)透過(guo)納(na)(na)濾(lv)(lv)1和3的(de)小(xiao)分(fen)子(zi)有機物，故納(na)(na)濾(lv)(lv)2的(de)COD平均(jun)截留率很低；而(er)進(jin)入(ru)納(na)(na)濾(lv)(lv)3的(de)是被納(na)(na)濾(lv)(lv)1和2截留下的(de)大(da)分(fen)子(zi)有機物，故納(na)(na)濾(lv)(lv)3的(de)COD平均(jun)截留率相對較高。
3）納濾系統分離(li)效果
納濾(lv)系統進水、產水和(he)濃水中各組分(fen)平(ping)均(jun)濃度如圖4所示。
圖(tu)4 納濾系統(tong)進水(shui)、產(chan)水(shui)和濃水(shui)各(ge)組分濃度和比例
由(you)(you)圖4可知(zhi)：高(gao)鹽廢水(shui)(shui)經納濾(lv)系(xi)統分離后，納濾(lv)產水(shui)(shui)的(de)Na+、K+和(he)Cl-濃(nong)度占比(bi)(bi)高(gao)達91.0%，SO2-4濃(nong)度比(bi)(bi)例(li)僅為0.2%；納濾(lv)濃(nong)水(shui)(shui)TDS高(gao)達87057.8mg/L，Na+、K+和(he)SO2-4濃(nong)度比(bi)(bi)例(li)高(gao)達97.0%，Cl-濃(nong)度比(bi)(bi)例(li)僅為2.5%。由(you)(you)此(ci)可見，納濾(lv)系(xi)統對Cl-和(he)SO2-4具(ju)有(you)很好(hao)的(de)分離效果，同時對SO2-4具(ju)有(you)很高(gao)的(de)濃(nong)縮效果。
2.納濾系(xi)統運行穩定性
1）水回收率
高分離(li)納(na)濾系統(tong)及各子系統(tong)運(yun)行期間(2—11月)的水回(hui)收率如(ru)圖5所示(shi)。
圖5 納(na)濾系統水(shui)回收率
由圖(tu)5可知：納濾系統(tong)的平均水(shui)(shui)回收(shou)(shou)率(lv)高達(da)81.9%，子(zi)系統(tong)納濾1、2、3的平均水(shui)(shui)回收(shou)(shou)率(lv)分(fen)別為68.7%、82.7%和62.7%。納濾系統(tong)及各子(zi)系統(tong)的水(shui)(shui)回收(shou)(shou)率(lv)變化均比較(jiao)平穩，表(biao)明系統(tong)在長達(da)9個(ge)月的運行期間(jian)穩定(ding)性較(jiao)好。納濾系統(tong)能(neng)達(da)到較(jiao)高的水(shui)(shui)回收(shou)(shou)率(lv)，進一(yi)步表(biao)明系統(tong)對SO2-4和Cl-具有很(hen)好的分(fen)離效果。
2）運行壓力
各納濾子(zi)系(xi)統在(zai)長期運行過程中的運行壓力變(bian)化如(ru)圖6所示。
圖6 納濾(lv)系(xi)統運行(xing)壓力(li)
由(you)圖6可知，納(na)(na)濾(lv)1、2、3的(de)(de)平均運行(xing)壓(ya)(ya)(ya)力分別為1.68，0.38，3.66MPa，相對應的(de)(de)濃(nong)水側SO2-4平均濃(nong)度分別為31664.6，2643.6，55372.0mg/L。運行(xing)期(qi)間(jian)壓(ya)(ya)(ya)力波動較小，表明系(xi)統(tong)(tong)運行(xing)比較穩定(ding)。運行(xing)壓(ya)(ya)(ya)力主要產(chan)生于(yu)納(na)(na)濾(lv)膜兩側的(de)(de)溶液滲(shen)透壓(ya)(ya)(ya)差(cha)，同時(shi)還包括膜污堵(du)和閥門管道帶來的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)力損失。由(you)于(yu)SO2-4被高效截留(liu)，SO2-4是滲(shen)透壓(ya)(ya)(ya)的(de)(de)主要貢獻者，故濃(nong)水側SO2-4濃(nong)度越高，系(xi)統(tong)(tong)運行(xing)壓(ya)(ya)(ya)力越大。由(you)于(yu)本項目納(na)(na)濾(lv)膜的(de)(de)最高耐受壓(ya)(ya)(ya)力為4.1MPa，因此系(xi)統(tong)(tong)運行(xing)壓(ya)(ya)(ya)力仍有(you)提(ti)升(sheng)空(kong)間(jian)，而增加(jia)運行(xing)壓(ya)(ya)(ya)力會進一(yi)步提(ti)高系(xi)統(tong)(tong)水回收(shou)率和濃(nong)縮倍數(shu)，從(cong)而獲(huo)得更好的(de)(de)分離效果(guo)。
3）清洗頻率
監測期間(jian)納濾系統各段清洗頻率如(ru)表(biao)4所示。
表4納濾系統各段清洗頻率
由表4可知：納濾(lv)1的清洗頻率較(jiao)高，平(ping)(ping)均為2.1次/月，由于納濾(lv)1前端沒有設置(zhi)超濾(lv)系(xi)統進行(xing)截留保(bao)護，導致(zhi)前端反滲透濃(nong)水污染指數較(jiao)高，平(ping)(ping)均SDI值(zhi)(zhi)高達5.87，從(cong)而導致(zhi)膜污染較(jiao)為嚴重；通常情(qing)況下，超濾(lv)出水SDI值(zhi)(zhi)能達到(dao)5甚至3以下，因(yin)此增加(jia)超濾(lv)可有效緩解膜污染。
相比之(zhi)下，納濾2在監測期間(jian)沒有(you)進(jin)行過清洗，說明(ming)膜(mo)并未受到(dao)明(ming)顯(xian)污(wu)染。這是(shi)由于納濾2進(jin)水(shui)中的(de)污(wu)染物已經得到(dao)納濾1和(he)3的(de)截留(liu)，所(suo)以膜(mo)污(wu)染的(de)風險大(da)大(da)降(jiang)低。因(yin)此，設計中可以考慮(lv)增加納濾2的(de)膜(mo)通量，從而減(jian)少膜(mo)支數(shu)以達到(dao)降(jiang)低投(tou)資的(de)目的(de)。
納濾(lv)3的濃水(shui)COD平(ping)均濃度高(gao)達(da)573.3mg/L，平(ping)均運行(xing)壓力(li)也(ye)高(gao)達(da)3.66MPa，而清(qing)洗頻(pin)率(lv)(lv)并不高(gao)，平(ping)均每月僅為1次(ci)，且SO2-4截留率(lv)(lv)一直維持在較(jiao)(jiao)高(gao)水(shui)平(ping)。由(you)此可見，納濾(lv)膜對有機物具有較(jiao)(jiao)強的耐(nai)受性(xing)能，可以在較(jiao)(jiao)高(gao)的COD濃度下(xia)保持穩定運行(xing)。
3.納濾系統技術指標對比
參考相關文獻研(yan)究，將高(gao)分(fen)離(li)納(na)濾系(xi)統與傳統納(na)濾工藝進行對(dui)比，各指標(biao)截(jie)留率和系(xi)統水回收(shou)率對(dui)比如表5所示(shi)。
表5納濾系(xi)統技(ji)術指標對比
由表5可(ke)知：高分離納濾系統(tong)的(de)(de)(de)SO2-4截(jie)留(liu)率(lv)顯著高于傳(chuan)統(tong)納濾工(gong)(gong)藝(yi)，進一步表明其具有優異(yi)的(de)(de)(de)SO2-4截(jie)留(liu)性能(neng)；相(xiang)比(bi)之(zhi)下，Cl-和(he)COD截(jie)留(liu)率(lv)與傳(chuan)統(tong)納濾工(gong)(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)整體平均水平保持相(xiang)當。此(ci)外，高分離納濾系統(tong)的(de)(de)(de)水回收率(lv)也顯著高于傳(chuan)統(tong)納濾工(gong)(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)整體平均水平。
綜上所(suo)述，高分(fen)離納濾系統同時具備較高的SO2-4截留率(lv)和水(shui)回收率(lv)，以及較低的Cl-截留率(lv)，表(biao)明其對SO2-4和Cl-具有(you)很好的分(fen)離效果，這對于提升煤化工高鹽(yan)廢水(shui)零排放的分(fen)鹽(yan)效果至(zhi)關重(zhong)要。
03 結論
1）納濾系統的SO2-4平(ping)均截留率高(gao)(gao)達99.7%，且(qie)具有(you)很高(gao)(gao)的運(yun)行穩(wen)定性；Cl-平(ping)均截留率僅為(wei)-13.7%。納濾產(chan)水(shui)的Na+、K+和Cl-濃度占(zhan)比(bi)高(gao)(gao)達91.0%，納濾濃水(shui)的Na+、K+和SO2-4濃度占(zhan)比(bi)高(gao)(gao)達97.0%，表明系統具有(you)很好的一、二價鹽分離效(xiao)果。
2）納濾系統的COD、SiO2、NO-3、Ca2+、Mg2+和(he)NH+4平均(jun)截留率分別為47.6%、-0.9%、-11.2%、76.9%、86.0%和(he)51.7%。其(qi)中，有機物和(he)SiO2呈(cheng)電中性，其(qi)截留機理(li)主要是空間位(wei)阻(zu)效應(ying)，其(qi)他(ta)離子的截留機理(li)主要是道南效應(ying)。
3）納(na)濾(lv)系(xi)統(tong)的平均(jun)水回收(shou)(shou)率高達81.9%，平均(jun)運行(xing)壓力(li)為3.66MPa，水回收(shou)(shou)率和(he)壓力(li)的變化較平穩，表明系(xi)統(tong)長期(qi)運行(xing)穩定性較好。由于系(xi)統(tong)耐受壓力(li)高達4.1MPa，因此(ci)可以增加(jia)運行(xing)壓力(li)以進一步提高系(xi)統(tong)水回收(shou)(shou)率和(he)濃縮倍數，從而獲得更好的分(fen)離效果。
4）納濾1的(de)清(qing)洗(xi)頻率為2.1次(ci)/月，可以(yi)考慮增加超濾系統以(yi)降低進(jin)水SDI值，從(cong)而延緩膜污染(ran)(ran)。納濾2進(jin)水水質(zhi)好，運行(xing)中(zhong)基本不(bu)受污染(ran)(ran)，可以(yi)考慮提高(gao)膜通量(liang)以(yi)減少膜元件數量(liang)從(cong)而降低投資成本。納濾3濃(nong)(nong)水COD平均濃(nong)(nong)度高(gao)達573.3mg/L，清(qing)洗(xi)頻率僅為1.0次(ci)/月，表明其對有機物的(de)抗(kang)污染(ran)(ran)性能較好。
5）經過9個月的連(lian)續監測(ce)發(fa)現(xian)，該(gai)納濾系統具有(you)SO2-4截留(liu)(liu)率(lv)較高(gao)、Cl-負截留(liu)(liu)效(xiao)果好、Ca2+和Mg2+截留(liu)(liu)率(lv)高(gao)、水回收率(lv)高(gao)、運行(xing)穩(wen)定、抗污染性能較好、可(ke)高(gao)效(xiao)截留(liu)(liu)大分子有(you)機物等(deng)顯著優(you)勢(shi)，具有(you)很好的應用前景。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
