中水回用RO濃水的零排放工藝比較及優(yōu)化研究

1、中水回用 RO 濃水的零排放工藝比較及優(yōu)化研究金可勇，胡鑒耿，金水玉，高從堦（杭州水處理技術(shù)研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012)摘 要：濃度在 0.1%6%中水回用 RO 濃水可用不同的零排放處理工藝來處理，其中 JED 型均相膜電滲析 + 低壓RO+MVR 組合工藝的投資最少、處理成本最低，水的回用率為 80%98%，達到零排放目的。如采用 JED 型均相膜電 滲析 + 低壓反滲析 +BPM2 型雙極膜組合工藝，雖然投資大一些，但能達到真正的零排放，不僅水可以回用，其中的鹽 也以酸與堿的形式回用，無廢鹽排放。研究組合具體實施的零排放案例，提出了不同鹽濃度的含鹽廢水的工藝通式，除 了可以對

2、中水回用 RO 濃水可以零排處理，也為其他高含鹽廢水的零排放工藝設計提供了基礎數(shù)據(jù)與設計參考。 關(guān)鍵詞：含鹽廢水；電滲析；組合工藝中圖分類號：TQ028.8；X703文獻標識碼：A文章編號：1000-3770(2015)01-0103-004目前，水資源的短缺和水體污染已嚴重制約了我國的經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和人民生活水平的提高， 解決水體污染問題非常迫切。特別是印染、化肥、制 藥、化工、食品等過程由于要大量使用酸堿，故會產(chǎn) 生大量的含鹽廢水。這些廢水都由于含鹽的問題，在 作中水回用時其回用率不會太高，一般都在 70%以 下，如何做到高回收率或零排放，其 RO 濃水的處理 工藝非常重要。根據(jù)國內(nèi)外

3、有關(guān)研究報道，近期發(fā)展起來的對 中水回用的 RO 濃水的零排放工藝主要有膜法與熱 法。熱法主要有多效蒸發(fā)、MVR 濃縮與蒸發(fā)等，適用 于含鹽比較高的廢水，如鹽濃度大于 10%的含鹽廢 水適合直接用熱法進行處理，達到零排放目標。膜法處理廢水在近幾年發(fā)展很快，包括對城市 生活污水、垃圾滲濾液、工業(yè)廢水等的處理都有大量 的報道，并且大規(guī)模工業(yè)應用也較多。而對于中水回 用 的 RO 濃水的處理，一般有超高壓反滲 透（DTRO）、電滲析（ED）、濃縮型 MVR、雙極膜法 等。通地對不同處理工藝進行比較從中找出比較經(jīng) 濟的處理方案，以及對該方案進行化設計。行了經(jīng)濟比較，分別對設備投資、運行成本、經(jīng)濟效益進

4、行了詳細的比較。為了能更準確的分析數(shù)據(jù)，用 5種方案與處理對比水樣：某 RO 濃水含氯化鈉 1.5%，20 t/h，需達到零排放要求（不考慮預處理），分析數(shù) 據(jù)。除了以上 5 種技術(shù)之外，另還有正滲透、膜蒸餾、自然蒸發(fā)、焚燒、多效蒸發(fā)、噴霧干燥等方法，但由于 其技術(shù)還沒達到工業(yè)化應用或能耗太高等原因，故不 列入本次討論。1.1 異相膜 ED+ 低壓 RO+MVR 制鹽本方案為目前比較常用的方案，RO 濃水經(jīng)異相 膜電滲析濃縮并淡化后，其濃水的濃度達 10%，水量 為 3 t/h 進行 MVR 蒸發(fā)制鹽成固體鹽，電滲析淡水再 用低壓反滲透繼續(xù)淡化后回用，低壓反滲透濃水回到 電滲析，最終實現(xiàn)水回用

5、率為 80%98%（見圖1）。RO MVR Q¼ 20 t/h,1.5%0.3 t/h,100%3 t/h,0%17 t/h,0.01%異相膜 ED+ 低壓 RO+MVR 制鹽流程圖 1Fig.1 low diagram of salt manufacturing by heterogeneousmembrane ED + low-pressure RO + MVR不同零排放方案分別對目前代表不同技術(shù)的 5 種零排放方案進11.2JED 型均相膜 ED+ 低壓 RO+MVR 制鹽本方案較前方案是把異相膜電滲析替換成 JED收稿日期：2014-06-21基金項目：國家 863 計劃項目

6、（2012AA03A608）；海洋公益性行業(yè)科研專項項目（20090517-2，201205019-7） 作者簡介：金可勇（1974），男，教授級高級工程師，研究方向為電驅(qū)動膜；電子郵件：jkyjky ED¼½RO水處理技術(shù)第 41 卷 第 1 期104型均相膜電滲析，其過程為 RO 濃水經(jīng) JED 型均相膜電滲析濃縮并淡化后，其濃水的濃度為 15%20%，水 量為 2 t/h 進行 MVR 蒸發(fā)制鹽成固體鹽，電滲析淡水 再用低壓反滲透繼續(xù)淡化后回用，低壓反滲透濃水回 到電滲析，最終實現(xiàn)水回用率 80%98%（見圖 2）。濃水進入雙極膜系統(tǒng)制成酸堿，淡鹽水經(jīng)低壓 RO 淡化

7、后作為酸與堿的接收液，多余的淡水回用于生產(chǎn)，最終實現(xiàn)包括鹽在內(nèi)的全回用。不同濃度進水零排放流程2針對鹽濃度為 1.5%10%原水或 RO 濃水進行ROQQMVRQQQQQ20 t/h,1.5%0.3 t/h,100%零排放處理，根據(jù) JED 均相膜電滲析與低壓 RO 的性能，對濃度為（m，以質(zhì)量分數(shù)表示），水量（Q）進2 t/h,0%行工藝設計以及物料平衡計算（見圖 6）。18 t/h,0.01%圖 2 JED 型均相膜 ED+ 低壓 RO+MVR 制鹽流程Fig.2 Flow diagram of salt manufacturing by JED homogeneous membrane

8、electrodialysis + low-pressure RO + MVR1.3超高壓反滲透(DTRO)+MVR 制鹽本方案是用超高壓反滲透直接濃縮 RO 濃水至15%送到 MVR 制鹽，淡水直接可以回用，過程比較 簡單（見圖 3）。RO MVR Q¼ 20 t/h,1.5%0.3 t/h,100%圖 6 不同濃度進水零排放流程Fig.6 Flow diagram of zero discharge of influent water of different concentration其中，Q 1 為原水直接作為最終 15%濃水的流 量；Q 3 為初級濃水再進入最終 15%濃水

9、的流量；Q4 為淡化水流量；Q 6 為淡化 ED 的 1 級淡化流量。2 t/h,0%18 t/h,0.01%圖 3 DTRO+MVR 制鹽流程Fig.3 Flow diagram of salt manufacturing by DTRO + MVR1.4濃縮型 MVR+ 制鹽 MVR本方案是用濃縮型 MVR 對 RO 濃水進行濃縮至15%再用制鹽型 MVR 進行蒸發(fā)制鹽，過程也比較簡 單（見圖 4）。討論33.1不同零排放方案的指標比較根據(jù)不同的工程案例及設備投資，針對鹽濃度 為 1.5%，處理量為 20 t/h 的等處理 RO 濃水進行了 包括投資在內(nèi)的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。計算基準：電費按 0

10、.6 元 /kWh，濃縮型 MVR 蒸 按 25 kWh/t 計，MVR 蒸發(fā)成鹽，按 50 kWh/t 計，折 百堿按 2 500 元 /t 計，折 30%酸按 150 元 /t 計，淡水 按 2 元 /t 計。所有 ED 膜壽命按 3 年計，雙極膜壽命按 2 年計，RO 膜壽命按 3 年計。比較結(jié)果見表 1。 從表 1 中可以看出，DTRO 與 MVR 直接蒸發(fā) 的方案由于投資太大或能耗太高，一般情況下不宜 采用。相對而言，用 ED 進行預濃縮并用低壓 RO 淡 化，其投資與能耗都比較合理，均相膜 ED 比異相膜 ED 更經(jīng)濟。其原因為相對異相膜而言均相膜的膜 電阻更低、致密性更高、可耐受

11、更的濃度差、電流效 率更高等優(yōu)勢。隨著均相膜技術(shù)日益成熟，性能會更好。隨著膜批量化生產(chǎn)，其生產(chǎn)成本將大幅下降。而雙極膜方案由于增加了雙極膜設備，故其投 資與能耗較均相膜 ED 都有大幅上升，但由于雙極RO MVR Q¼ 20 t/h,1.5%0.3 t/h,100%2 t/h,0%18 t/h,0.01%圖 4 濃縮型 MVR+ 制鹽 MVR 流程Fig.4 Flow diagram of concentrated MVR and salt manufacturing MVR1.5均相膜 ED+ 低壓 RO+BPM2 型雙極膜制酸堿 本方案中引入雙極膜技術(shù)（見圖 5），較其他方 案是

12、無需蒸發(fā)制鹽，而是用雙極膜把鹽制成酸堿回 用生產(chǎn)過程達到真正的零排放的目的。其過程為 RO 濃水經(jīng) JED 型均相膜電滲析濃縮并淡化后，其圖 5 均相膜 ED+ 低壓 RO+BPM2 型雙極膜制酸堿流程Fig.5 Flow diagram of acid and alkali manufacturing by homogeneous membrane ED + low-pressure RO + BPM2 bipolar membrane MVRDTROQQQEDQQRO金可勇等，中水回用 RO 濃水的零排放工藝比較及優(yōu)化研究105表 1 不同零排放方案的指標比較數(shù)據(jù)Tab.1Indicato

13、rs of different zero-discharge plans編號不同方案異相膜均相膜雙極膜DTROMVRED投資 / 萬元低壓 RO 投資 / 萬元DTRO 投資 / 萬元MVR 投資 / 萬元 雙極膜投資 / 萬元總投資 / 萬元ED 耗電 /(kWh·h-1)低壓 RO 耗電 /(kWh·h-1) DTRO 耗電 /(kWh·h-1)MVR 耗電 /(kWh·h-1) 雙極膜耗電 /(kWh·h-1) 總耗電 /(kWh·h-1)平均換膜費用 /(元·h-1)運行成本(12)+(13)/(元·h-1

14、)產(chǎn)堿價值 /(元·h-1)產(chǎn)水價值 /(元·h-1)產(chǎn)品總價值 /(元·h-1)經(jīng)濟效益(18)-(14)/(元·h-1)經(jīng)濟效益 /(萬元·a-1)00070007000006000600036004040-320-256160400050070080200042052012043250010510786012345678910111213141516171816030095029515020015003202021204040-172-1382003006503058020011002102214804040-108-8600900650

15、9600016011002708024204040-202-160膜能有回用的酸與堿產(chǎn)生，有較大的經(jīng)濟價值，基本上可以抵消包括換膜費用在內(nèi)的運行成本。相對其 他處理方案，包括均相膜 ED 方案都有較大的運行 成本，而雙極膜方案的運行成本被產(chǎn)生的酸堿所抵 消，故成為一個零成本處理方案，并且是個真正的零 排放方案。3.2不同濃度鹽水的均相膜 ED 處理方案的各個 參數(shù)及設備配置對流量為 10 t/h 的不同鹽水用圖 6 的處理流程 進行處理，進行了物料平衡計算與水平衡計算，并對 噸水處理總能耗、產(chǎn)噸淡水的能耗、所需尺寸為 600mm×1 200 mm 的 JED-5000 均相膜組器的臺

16、數(shù)計算見表 2。由表 2 可知，隨著鹽濃度的增加，噸水處理總能 耗、產(chǎn)噸淡水的能耗也隨著上升。其原因是由于鹽濃 度的增加，使需要透過膜的離子數(shù)也增加，但每噸原 水的處理能耗上升不明顯，每產(chǎn) 1 t 淡水的能耗上升 明顯一些。所需 JED-5000 的臺數(shù)隨著鹽濃度的上 升，所需的臺數(shù)也在增加，但濃度到了 7%8%時， 臺數(shù)達到最大值，其設備投資也達到最大值。鹽濃度繼續(xù)上升，所需 JED-5000 的臺數(shù)反而下降了，總投資也下降了，其原因是隨著鹽濃度的增大，Q1 即直 接作為 15%濃水的原水流量增大了，需要處理的原 水量減少所致。表 2 不同濃度鹽水的均相膜 ED 處理方案的各個參數(shù)Tab.2

17、 Parameters of homogeneous membrane ED treatment plans for saline water of different concentration濃度 /%Q1/(t·h-1)Q2/(t·h-1)Q3/(t·h-1)Q4/(t·h-1)Q5/(t·h-1)Q6/(t·h-1)總能耗 /(kWh·t-1)淡水能耗 /(kWh·t-1)ED臺數(shù)總投資 / 萬元1.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.00

18、.02.63.010.07.47.01.01.51.412.512.011.611.110.6

19、6.05.06.88.09.110.311.412.613.714.816.017.118.319.420.621.722.824.025.12.05.55.2110140168193215235252266278287294298299298294287277265水處理技術(shù)第 41 卷 第 1 期1063.3 不同濃度方法組合工藝的經(jīng)濟性分析

20、原水濃度大于 1.5%的鹽水或 RO 濃水如果先 用海水膜 RO 濃縮至 3%與或 6%再用均相膜 ED 濃 縮至 15%，與直接用均相膜 ED 濃縮 15%的經(jīng)濟比 較。以鹽水濃度為 1.5%，流量為 40 t/h 的鹽水濃縮 至 15%進行經(jīng)濟性比較：1）直接用均相膜 ED 濃縮至 15%，設備總投資為 110×4440 萬元，總能耗為 200 kWh/h；2）先用海水膜 RO 濃縮至 3%，濃水量為 20 t/h， 再用均相膜 ED 濃縮至 15%，投資為 20×8+193×2546萬元，能耗為 20*3+71*2202 kWh。3）先用海水膜 RO 濃縮至

21、 6%，濃水量為 10 t/h， 再用均相膜 ED 濃縮至 15%，投資為 30×10+287587 萬元，能耗為 30×3.6+93201 kWh。從以上分析可知，對于濃度大于 1.5%的鹽水 或 RO 濃水，如果采用海水膜 RO 進行預濃縮后，再用均相膜 ED 繼續(xù)濃縮至 15%，并沒有節(jié)能，而投資 更高。故對于濃度大于 1.5%的鹽水或 RO 濃水宜直接采用均相膜 ED 進行濃縮比較經(jīng)濟。而對于濃度低于 1.5%的鹽水，如果直接采用均 相膜 ED 濃縮，會存在濃差過大的原因，要采取多級 濃縮，其中的部分鹽會進行重復透過膜而使其處理 量增大，能耗升高。故對于濃度低于 1

22、.5%的鹽水宜 采用普通 RO 進行預濃縮至 1.5%以上更經(jīng)濟。3.4 雙極膜工藝的適用性分析如果采用雙極膜工藝，可以把鹽轉(zhuǎn)化成酸與堿， 回用于生產(chǎn)過程，而不需進行 MVR 蒸發(fā)，也解決了固體鹽的處置問題，達以真正的零排放。但雙極膜工 藝也有其局限性，如果要用雙極膜工藝首先要符合以 下 2 個條件：1）經(jīng)過適當?shù)念A處理后，鹽水的成分 要符合進雙極膜要求，特別是多價金屬離子總含量要低 5 mg/L，避免生成難溶的氫氧化物。2）雙極膜生成的酸與堿要在生產(chǎn)工藝中可以循環(huán)使用，不然 又成為另一種排放物，失去雙極膜工藝的意義。對于符合以上 2 個條件的體系，可以使用雙極 膜方案對鹽水或 RO 濃水進行

23、處理制成酸與堿。由 于其所產(chǎn)生的堿的經(jīng)濟價值隨著堿的價格的上升而 增加。也隨著技術(shù)的提高、電流效率的提高，其能耗 會繼續(xù)下降，酸堿濃度繼續(xù)提高，也會增加雙極膜工藝的適用范圍。目前由于雙極膜的產(chǎn)量比較小，其生 產(chǎn)成本相對較高，隨著雙極膜的批量生產(chǎn)，其生產(chǎn)成 本將會大幅下降，雙極膜工藝的設備投資也會大幅 下降，使雙極膜工藝的總體經(jīng)濟性大幅上升。結(jié)論4與其他零排放方案相比較，均相膜 ED+ 低壓RO+MVR，具有投資少、占地少、運行成本低、壽命 長、管理簡單等優(yōu)勢。與異相膜 ED 方案相比較，其 總體設備投資接近，但可節(jié)能 30%以上，隨著均相 膜的批量生產(chǎn)，其生產(chǎn)成本將大幅下降，在不久的將 來，均

24、相膜 ED 方案的總體投資也將大幅下降。由于 均相膜可以用強酸強堿清洗，故可以在線清洗，免除 了 ED 膜組器頻繁拆裝的麻煩。對于濃度低于 1.5%的鹽水或 RO 濃水，宜先用RO濃縮到 1.5%以上后再用均相膜 ED 濃縮至 15%20%。對于濃度大于 1.5%的鹽水或 RO 濃水，不適合 繼續(xù)用 RO 濃縮，宜直接用均相膜 ED 濃縮至 15%20%更經(jīng)濟。參考文獻：1 張維潤.電滲析工程學M.1 版.北京:科學出版社,1995.2 AJB 肯佩曼.雙極膜技術(shù)手冊M.1 版.北京: 化學工業(yè)出版社,2004.COMPARISON AND OPTIMIZATION OF ZERO DISCH

25、ARGE PROCESSES FORTREATING RECLAIMED RO SALINITY WASTEWATERJin Keyong, Hu Jiangeng, Jin Shuiyu, Gao Congjie（Hangzhou Water Treatment Technology Development Center, Hangzhou 310012, China ）Abstract: Different zero discharge treatment processes can be used to treat reclaimed RO concentrated water of 0.1%6% concentration. Among these processes, the combined process of JED homogeneous membrane electrodialysis + low-pressure RO + MVR is of the lowest inve