高含盐水进行反渗透除盐的中试研究

宋显荣,雷仲存,段小冰,张志鑫,杨靖

（首钢股份公司迁安钢铁公司，河北迁安064404）

高含盐水进行反渗透除盐的中试研究

宋显荣,雷仲存,段小冰,张志鑫,杨靖

（首钢股份公司迁安钢铁公司，河北迁安064404）

目前膜法水处理技术已越来越多的应用于钢铁工业废水回用中，但一级反渗透产生的浓盐水却没有很好的处理办法，厂区内进行内耗仍然是主流趋势。随着钢铁行业节能减排的要求越来越严格及部分钢铁企业逐步向废水“零排放”目标迈进，积极寻求浓盐水的处理途径明显越来越迫切。文中对一级反渗透的浓盐水继续采用膜法进行脱盐的可行性进行论证，通过中试装置对浓水反渗透除盐进行研究，以判断反渗透的污染因素，确定反渗透的系统运行参数，并对中试过程中出现的问题进行分析，提出解决措施，为即将进行的设计提供依据。

高含盐水;反渗透;中试

1 高含盐水的水质分析

迁钢公司高含盐水的水质数据如下：

暂时硬度（以CaCO3计）:253 mg/L

永久硬度（以CaCO3计）:377 mg/L

负硬度（以CaCO3计）:0 mg/L

总碱度（以CaCO3计）:253 mg/L

总酸度（以CaCO3计）:12.5 mg/L

溶解性总固体:2.17×103mg/L

锰:0.026 mg/L

pH值（无量纲）:7.19

游离二氧化碳:11 mg/L

游离余氯:0.09 mg/L

悬浮物:9 mg/L

电导率:2.30×103μS/cm

通过上述水质数据分析水中的结垢性离子含量较高，水质中阳离子以钙镁钠为主，硬度较高，阴离子以硫酸盐、碳酸盐、氯化物为主，其它比较少。可溶性硅：27.6 mg/L，在调节浓缩倍数至较高的情况下需要考虑避免硅垢的形成。对碳酸盐，硫酸盐及硅酸盐的结垢状况进行分析，以便为中试提供依据。

1.1 碳酸盐结垢倾向分析及控制

对浓盐水的朗格里尔指数的技术LSI，该系统中LSI=0.63＞0，表示水中CaCO3处于过饱和状态，有析出的倾向,容易造成CaCO3垢污染。中试中可以通过添加阻垢剂来予以解决。

1.2 硫酸盐垢的控制

可能的硫酸盐垢为CaSO4、BaSO4及SrSO4。一般情况下，当硫酸盐的离子浓度积IP超过其溶度积KSP，即IP＞KSP即时，根据沉淀生成与溶解理论，就有可能形成硫酸盐垢；当IP＜KSP时，则水中的硫酸盐是稳定的。通常采用添加阻垢剂法防止硫酸盐垢生成[2]。根据计算，高盐水中CaSO4，SrSO4的离子积小于溶度积，BaSO4的离子积大于溶度积，用专用的高效阻垢剂可以有效控制硫酸盐结垢现象。

1.3 SiO2垢的控制

在反渗透浓水中，SiO2有可能达到过饱和状态，聚合生成不溶性胶态硅酸沉积在表面形成垢，SiO2垢一旦生成将很难进行有效的清洗，因此对原水中的SiO2应格外重视。

SiO2的溶解度是温度和pH值的函数，参见图1 (图1中虚线为实际应用中SiO2的溶解度与温度的操作线，在此虚线范围内，不产生SiO2沉淀)；从图1可知，25℃时，纯水中SiO2的溶解度约为100 mg/l,该系统原水中的SiO2为27.6 mg/L，系统回收率为60%左右时应不会出现SiO2结垢现象[3]。

图1 二氧化硅溶解曲线

2 试验装置及试验方法

2.1 浓水反渗透装置流程

本套反渗透中试采用两支膜元件分段运行，中试装置设置浓缩液回流旁路，运行过程中使部分浓缩液回流至高压泵的前端，重新进入反渗透系统中。通过控制浓缩液回流量和排放量，实现60%的回收率。工艺流程图见图2。

2.2 反渗透膜元件介绍

本反渗透装置采用美国海德能公司增强型低压反渗透复合膜PROC10，主要应用参数如下：

图2 中试流程图

膜材质：芳香族聚酰胺复合材料；膜面积：37.2 m2；公称脱盐率：99.75%；产水量：10,500 GPD(标准测试条件下)；最高操作压力：4.14 MPa；最高操作温度：45℃；

2.3 试验方法

该反渗透中试装置可以实现自动运行，首先全开提升泵和高压泵进出口阀门，将RO产水阀门全开，浓水排放阀打开；启动前，确认原水箱水位必须高于中液位，将控制柜上的运行开关打到运行状态，从触摸屏进入操作控制页面，将阻垢剂泵放在投运状态，点击自动启动按钮，系统进行开机冲洗，冲洗结束后，系统进入自动运行状态，系统运行后调节高压泵频率旋钮和浓水阀开度，使反渗透产水流量达到设定值，调整反渗透浓水回流阀，将浓水回流到高压泵前。系统运行时，随着温度和进水含盐量的变化，运行参数会产生相应的波动，为了试验的数据的准确和稳定，需要随时对运行参数进行调整。如果进水流量与设定值不符，需调整高压泵频率，使其达到设定值，同时调整浓水调节阀，使回收率达到设定值，浓水回流量则通过回流阀进行调整。

试验过程中，每2小时对进出水相关参数进行记录。

3 初次试验结果及分析

3.1 反渗透装置进水压力的变化

6月1日中试正式开始，6月1日至6月24日反渗透装置的进水压力，浓水压力以及回收率曲线如图3。

图3 反渗透膜压力随时间变化图

从总体来看，压差比较稳定，6月15日以前基本保持在0.5 MPa。随着中试装置的运行，为了保证产水量，反渗透装置的进水压力逐步增加，期间对反渗透的进水压力不断进行调整（由刚开始的0.99 MPa运行至高达1.59 MP），相应的供水泵的频率不断升高（由38 Hz调整到46 Hz），膜运行压力增加迅速。

在恒流量的反渗透系统中，为了保持产水量的稳定，随着反渗透的运行，反渗透表面会出现不同程度的污堵，反渗透进水压力有所增加是必然的，一般可以通过定期的化学清洗来解决。但本实验中反渗透系统的进水压力在23天之内增加了0.6 MPa，压力增长过快，说明反渗透系统存在较严重的污堵，长期运行对反渗透膜不利。随即暂停了中试试验，将试验的两支反渗透膜元件取出，着重对反渗透内部污染物进行分析，以便找到解决的对策。

3.2 阻垢剂用量的变化

运行初始阻垢剂投加量为6.8 mg/L，6月14日阻垢剂调整5.6 mg/L，阻垢剂用量变化与膜压力的变化随时间变化曲线如图4所示。可以看出，随着加药量的降低，反渗透膜元件的压力上升迅速。说明反渗透膜元件耐污堵性能相对较差，如果采用多投加阻垢剂来维持压力稳定，水处理成本相对较高。下一步需要从节约运行成本以及耐污染方面加以考虑。

4 膜污染的分析及对策

4.1 污染物分析

首先对化学清洗前后的平膜进行SEM·EDX分析。（S063033B为一级第一支膜，S062937A为一级第二支膜）,详见图5、图6。

SEM·EDX分析结果得知：SEM观察，未清洗的膜表面有粘稠状和粒子状的污染物附着，EDX分析显示硅、铝含量较高。

图4 阻垢剂用量与膜压力随时间变化图

图5 S063033B膜×4000 SEM照片中↓部分的EDX分析

图6 S062937A膜×4000 SEM照片中↓部分的EDX分析

将膜元件的平膜中取样进行酸碱化学清洗，清洗后的膜表面观察结果显示，可以通过化学清洗去除污染物。但是不能完全地去除污染物，化学清洗后的膜面依然有少量粘稠状物质，经FT-IR分析显示可以检测出有微生物（如图7）。判断污染物是微生物和硅酸铝胶体为主体的膜污染[4]。

图7 S063033B膜面清洗后附着物FT-IR结果S062937A膜面清洗后附着物FT-IR结果

4.2 对策

根据分析的结果及结论，综合对比在废水除盐中的反渗透膜元件的性能的各自特点，将反渗透膜元件型号由PROC10更换为LFC3-LD膜元件，LFC3-LD属于低污染、电中性、宽通道膜元件，广泛用于废水回用项目中[5]。同时根据原水中的污染物成分在中试装置之前增加自制的纤维球过滤器。

8月8日在改造措施完成后再次启动中试设备，同时将系统回收率由50%调整为60%，产水量为1.40 m3/h。在未投加阻垢剂的情况下运行15天，压力增加缓慢，由0.8 MPa增加到1.0 MPa，电导率整体运行较平稳。LFC3-LD膜元件比PROC10膜元件在试验过程中的运行情况更稳定，能够满足工业系统实际运行要求,具体见图8。

图8 LFC3-LD反渗透膜压力随时间变化图

经对比分析可知，选择LFC3-LD膜元件用于反渗透浓水的二次脱盐项目更为合理。

5 结论与建议

5.1 由于水质的差异性，在进行中试之前有必要进行水质结垢的理论分析，通过分析该水质结垢指数均在可控范围之内，中试试验中通过对膜元件污染物的分析，膜元件并没有出现无机盐结垢现象，水质结垢的理论分析为中试提供了理论依据。

5.2 前期使用PROC10型号膜元件进行试验，试验过程中发现膜组件污堵严重，难以在实践中推行。通过对膜污染物的一系列分析，最终选择LFC3-LD型反渗透膜，并增加纤维球过滤器预处理单元。试验中LFC3-LD反渗透膜在相对严苛的条件下（提高系统回收率、不投加任何阻垢剂）能稳定运行，试验工况适当，说明选择LFC3-LD型号膜元件是合适的。

5.3 通过中试试验，为高盐水进行反渗透运行参数的确定提供了依据，中试后期反渗透回收率调整为60%，试验工况接近工业系统实际情况，对今后的设计有指导意义。

[1]陈继军.钢铁企业应科学合理实施废水“零排放”.中国钢铁业2008.01

[2]冯逸仙.反渗透水处理系统工程[M].北京：中国电力出版社，2005

[3]张葆宗.反渗透水处理应用技术[M].北京：中国电力出版社，2004

Pilot Research on Reverse Osmosis Desalination of Salt-rich Water

Song Xianrong;Lei Zhongcun;Duan Xiaobing;Zhang Zhixin;Yang Jing
(Qianan Iron and Steel Company of Shougang Corporation,Qianan,Hebei 064404,China)

Currently membrane water treatment technology has been increasingly used in the wastewater recovery of steel industry,but high-salt water produced by reverse osmosis did not have a good treatment method and internal consumption was still the mainstream.With ever stricter requirement on energy conservation and emission reduction of the steel industry and some steelmaking enterprises gradually moving toward the goal of“zero discharge”,it was more and more urgent to actively search for methods for high salty water treatment.In this paper,the feasibility of high-salt water from primary reverse osmosis to be desalinated still by membrane method is discussed.Concentrated water being desalinated by reverse osmosis was investigated through a pilot plant,to judge the pollution factor and determine the operating parameters of reverse osmosis.Problems arising during the pilot process were analyzed and solutions were put forward,to provide a basis for the upcoming design work.

high-salt water;reverse osmosis;pilot

TQ085

B

1006-6764（2015）03-0054-05

2014-11-13

宋显荣（1986-），女，2008年毕业于西安工程大学给水排水工程专业，给排水工程师，现从事钢铁企业水质专业技术工作。