含鹽高有機污水反滲透處理工藝
1、含鹽有機污水處理現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)不少水工程的處理水源為各類工業(yè)污廢水，有些廢水呈現(xiàn)出高含鹽、高有機物含量的特征。面對如此高有機物含量水源，反滲透工藝之前必須設(shè)置相應的各類預處理工藝。但是，由于水源的有機物濃度較高且不斷變化，如果嚴格按照反滲透系統(tǒng)的進水水質(zhì)要求，對最高有機污染物含量工況設(shè)計預處理工藝，則預處理工藝的復雜程度將會很大且工程成本將會很高，而實際的預處理工藝的產(chǎn)水水質(zhì)往往不可能完全達到反滲透系統(tǒng)的進水指標的要求。因此，出現(xiàn)了降低反滲透工藝進水水質(zhì)標準，由預處理工藝與反滲透工藝分擔處理有機物的任務，即反滲透系統(tǒng)的進水指標超出或遠超出一般苦咸水反滲透系統(tǒng)的進水標準。針對含鹽高有機物污染水源，反滲透系統(tǒng)主要工藝目標自然由保證高脫鹽率讓位于降低污染速度與降低清洗頻率，且反滲透的工藝形式與膜堆結(jié)構(gòu)也需要進行相應的調(diào)整。為了表述方便，本研究以下部分將含鹽高有機物污染水源簡稱為“污水”，進行污水處理的反滲透系統(tǒng)簡稱為“污水系統(tǒng)”。
系統(tǒng)運行模擬軟件中沒有直接反映有機污染的相應指標，間接反映污染速度的指標有濃差極化度與通量均衡度。濃差極化度是膜表面截留物濃度與給濃水流道中截留物濃度的比值，該比值越高越容易形成膜污染;通量均衡度是指沿系統(tǒng)流程各膜元件產(chǎn)水通量的一致程度，常以系統(tǒng)前后兩段平均通量的比值(稱為段通量比)及系統(tǒng)流程前后兩端元件通量的比值(端通量比)加以表征，嚴重的通量失衡將產(chǎn)生污染失衡，進而導致清洗頻率增加及膜性能衰減速度增加。
針對污水進水條件，為降低系統(tǒng)污染速度，除了采用抗污染膜品種與降低系統(tǒng)通量之外，還應努力降低濃差極化度與提高通量均衡度這兩項運行指標，以及其他能夠有效降低污染速度的工藝措施。
2、元件品種與設(shè)計通量
針對含鹽污水水源，系統(tǒng)所用膜品種應該采用高工作壓力、寬通道甚至電中性的抗污染膜品種(例如LFC3-LD)。其中，高工作壓力指標有利于系統(tǒng)沿程的通量均衡，0.8636mm的濃水隔網(wǎng)通道寬度有利于提高膜元件的抗污染能力，膜表面的電中性可有效降低帶有正電荷或負電荷性質(zhì)的有機物在膜表面的吸附性污染。
為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，系統(tǒng)進水的有機污染物濃度越高，則系統(tǒng)設(shè)計通量(或稱平均通量)越低。根據(jù)反滲透系統(tǒng)設(shè)計導則，以超微濾工藝為預處理的污水系統(tǒng)設(shè)計通量應為12.6~22.3L/(m2?h)。
本研究中的設(shè)計計算以較高進水有機物含量(如COD為50mg/L)、進水含鹽量1500mg/L、進水溫度25℃(一般工業(yè)污廢水的水溫較高)、系統(tǒng)回收率75%、產(chǎn)水流量20m3/h、平均通量14.9L/(m2?h)及36支8040膜元件等設(shè)計條件與設(shè)計指標的“特定系統(tǒng)”為例展開討論，特別是對上節(jié)所述降低污染速度的濃水回流、段間加壓、縮短流程及立式安裝等4項工藝措施進行分析。
需要指出的是，由于采用低通量指標，將使系統(tǒng)段通量比增高，而膜殼濃水流量降低。
3、濃水回流與段間加壓
針對“特定系統(tǒng)”的較高含鹽量與較高溫度，如仍然采用傳統(tǒng)的4-2/6結(jié)構(gòu)及12m流程長度，則不同濃水回流量下，系統(tǒng)沿程的濃差極化度分布與膜元件通量分布見圖1與圖2。
由圖1、圖2可以看出，濃水回流工藝可有效提高系統(tǒng)沿程膜表面的錯流量，有效降低系統(tǒng)沿程膜表面的濃差極化度，進而降低系統(tǒng)污染速度。但是，因為進水與給水含鹽量較高，系統(tǒng)沿程的通量失衡現(xiàn)象依然嚴重。
圖1中前后段交界處濃差極化度驟降的現(xiàn)象是因為：系統(tǒng)前段末元件的給濃水流量較小，濃差極化度自然較高;系統(tǒng)后段首元件的給濃水流量較大，濃差極化度自然較低。
調(diào)控系統(tǒng)沿程通量均衡程度的有效方法之一是采用段間加壓工藝。如果對于一般苦咸水淡化系統(tǒng)的段通量比指標控制在約1.2水平，對于高污染系統(tǒng)的段通量比指標應放寬至約1.25水平，以降低具有更高有機污染物濃度的后段系統(tǒng)產(chǎn)水通量，即降低后段系統(tǒng)的污染負荷與污染速度，致使系統(tǒng)前后段的污染速度趨于平衡。
保持段通量比為1.25，不同濃水回流量條件下系統(tǒng)沿程的濃差極化度分布與膜元件通量分布見圖3、圖4。
比較圖3與圖1可知，采用段間加壓工藝可有效降低前段各膜元件的濃差極化度，但會在一定程度上抬高后段各膜元件的濃差極化度。因此，欲同時降低全系統(tǒng)的濃差極化度與提高全系統(tǒng)的通量平衡程度，需要同時采用濃水回流與段間加壓兩項工藝，以及各自適當?shù)倪\行參數(shù)。
4、較短流程與立式結(jié)構(gòu)
比較圖4與圖2可知，段間加壓工藝可以有效降低前后兩段通量之比，即有效降低前后兩段之間的通量失衡程度，但無法控制系統(tǒng)中段內(nèi)的通量失衡。此外，膜殼的臥式安裝模式，雖然可以有效提高系統(tǒng)的占用空間，但必然會造成元件內(nèi)部承托水體一側(cè)的膜表面沉積更多的污染物，而在高有機物含量的污廢水源系統(tǒng)中，該現(xiàn)象必然越發(fā)嚴重。
借鑒超微濾系統(tǒng)中，膜組件的立式安裝有效降低了污染物沉積的污染速度，將反滲透膜殼立式安裝應是降低膜污染速度的有力措施。屆時，系統(tǒng)沿程水體中將會有更多的有機污染物隨濃水徑流排出系統(tǒng)，而使滯留在膜表面的污染物相應減少。
但是，如果將6支裝膜殼立式安裝，加之膜殼下端為裝卸膜元件所必須保留的空間，將要求相應的廠房要有約9m高度。這一高度要求，對于原有廠房可能并非可行，對于新建廠房也將增加造價。因此，出現(xiàn)了較短膜殼長度與較短系統(tǒng)流程長度的需要。
圖5與圖6分別示出4支裝膜殼即8m流程系統(tǒng)沿程的濃差極化分步與元件通量分布。
比較圖5與圖3可知，膜殼及系統(tǒng)流程縮短之時，相同系統(tǒng)回收率與相同段通量比條件下，系統(tǒng)沿程的濃差極化度相應上升。但是比較圖6與圖4可知，相同濃水回流量與相同段通量比條件下，12m流程(6支裝膜殼)與8m流程(4支裝膜殼)系統(tǒng)的端通量比分別為23.2/12.1=1.92與22.1/13.4=1.65，即膜殼及系統(tǒng)流程的縮短將使系統(tǒng)通量趨于均衡。換言之，短系統(tǒng)流程是以濃差極化度指標的一定程度惡化為代價，可以得到通量均衡度的明顯效果。
5、污水系統(tǒng)的運行參數(shù)
將圖1~圖6中所示參數(shù)以及相關(guān)的產(chǎn)水鹽量、段殼濃水比及噸水能耗等系統(tǒng)運行指標進行匯總，見表2。條件參數(shù)：1500mg/L、25℃、20m3/h、14.9L/(m2?h)、LFC3-LD。
表1數(shù)據(jù)再次表明，無論采用何種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與流程長度，只有同時采用濃水回流與段間加壓工藝，才能夠降低系統(tǒng)濃差極化度與段通量比指標，但其代價可能是產(chǎn)水鹽量與產(chǎn)水能耗的相應增加。
相比之下，8m短流程即6-3/4結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更適合膜殼的立式安裝模式，可以有效降低系統(tǒng)污染速度，其產(chǎn)水鹽量、噸水能耗與通量失衡程度均相應降低，但其代價是濃差極化度將會有所上升。
對于污水處理系統(tǒng)而言，段殼濃水比(即前后段膜殼濃水流量比)指標越小，后段膜殼中的濃水流速越大，越有利于高濃度有機污染物從系統(tǒng)中排出。表1數(shù)據(jù)表明，采用濃水回流工藝時，濃水回流量越大，段殼濃水比越小，即加大濃水回流量也可在一定程度上降低段殼濃水比，但是段間加壓工藝會使段殼濃水比指標一定程度增大。總之，濃差極化度、段通量比、端通量比、系統(tǒng)脫鹽率、段殼濃水比及噸水能耗等系統(tǒng)運行指標相互聯(lián)系，又均與濃水回流、段間加壓、較短流程等工藝密切相關(guān)，欲使各運行指標均保持在較好水平，則要求各相關(guān)工藝取用較合理參數(shù)。
6、膜殼的立式排列模式
同為36支的膜元件系統(tǒng)，圖7中分別示出4-2/6結(jié)構(gòu)的臥式膜殼長流程系統(tǒng)排列模式與6-3/4結(jié)構(gòu)的立式膜殼系統(tǒng)短流程排列模式，以及濃水回流與段間加壓的工藝流程。
臥式膜殼安裝膜元件時，總是按照給水至濃水的方向依次將膜元件推入膜殼，僅由人工操作即可完成安裝過程。不論膜元件的濃水膠圈方向即膜殼的給水徑流方向如何，立式膜殼安裝膜元件時，總是從膜殼底部向頂部方向依次將膜元件推入膜殼，只有這樣才能便于安裝兩兩膜元件之間的淡水連接器。因此，立式膜殼安裝時還需要擁有相應的元件頂推設(shè)備。
7、結(jié)論
(1)含鹽高有機污染進水的污水處理反滲透系統(tǒng)，應以降低污染速度為主要工藝目的。
(2)污水系統(tǒng)設(shè)計首先要采用寬濃水流道的抗污染膜品種，以及較低的系統(tǒng)設(shè)計通量。
(3)系統(tǒng)主要技術(shù)指標包括高段通量比、低濃差極化度、低端通量比及低段殼濃水比。
(4)系統(tǒng)主要工藝措施包括濃水回流、段間加壓、短系統(tǒng)流程與膜殼立式安裝模式。
(5)各工藝措施的最佳相互配合，才能使相互聯(lián)系的各技術(shù)指標達到總體優(yōu)化目標。
(6)只有當各技術(shù)指標達到總體優(yōu)化的目標，才能使系統(tǒng)具有最強的抗污染能力。
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