反渗透浓水减量化处理探究

宫杰，张白雪，韩方东，孔妍，张文辉，张楠

（1.滨州市特种设备检验研究院，山东 滨州 255600；2.山东省特种设备检验研究院有限公司，山东 济南 250000；3.山东省特种设备检验研究院济宁分院，山东 济宁 272000；4.淄博市特种设备检验研究院，山东 淄博 255000）

1 研究背景

近几年随着各国二氧化碳排放增加，温室气体猛增，两极冰川融化提速，海平面上升，气候变化带来了各种极端恶劣天气，对生命系统形成威胁。习近平主席于2021年9月22日第七十五届联合国大会上提出了“努力争取2060年前实现碳中和”的战略目标，为中国下一阶段的能源转型和绿色发展指明了方向，也展现了中国践行《巴黎协定》气候行动承诺的决心。

我国是水资源匮乏国家，国家经济迅猛发展的同时，水资源的不合理开发、浪费、以及水体污染的加剧都成为阻碍我国实现“碳中和”路上的绊脚石。电力系统，尤其是火力发电系统是目前用水最多的工业之一，大型火力发电厂日均耗水量甚至超过10万吨。目前我国绝大多数火力发电锅炉都采取了反渗透、离子交换除盐的措施处理锅炉补给水。其中反渗透处理具有系统简单、操作便捷、占地较小、脱盐率高、能耗较低等诸多优势。但是，由于反渗透膜本身的性能特点，目前反渗透技术水回收率在70%～75%，仍然存在约25%的浓缩废水。反渗透浓水中的含盐量非常高，据美国环保署研究表明，反渗透浓水中含有45种危及环境和人体健康的污染物，主要是农药残留、重金属等[1]。如果采取粗狂型的直接排放必然会严重破坏环境，而且产生大量的废碳排放，与我们碳中和的国策背道而驰。因此，本文探究一些解决反渗透浓水处理的思路方案，以求实现反渗透浓水减量化处理。

2 水质概况

火力发电厂用水以地表水为主。以北方为例，主要为黄河水，当然也有部分采用南水北调的长江水。黄河水含盐量较高，水体浑浊，含有大量泥沙。表1为黄河水山东段水质情况。

表1 黄河水（山东）水质 单位：mg/L

通过化验可以看出，黄河水中除了悬浮物、胶体、溶解性气体杂质外，溶解性离子主要为阳离子钙、镁、钠、钾等离子，阴离子主要为重碳酸根、氯离子、硫酸根等。黄河水经过混凝沉降、澄清和过滤等预处理后，进入反渗透系统。表2为对某电厂FJF4.0型反渗透浓水水质情况分析结垢结果。

表2 某电厂反渗透浓水水质

由此可知，反渗透浓水含盐量较高，有较高的硬度和甲基橙（M）碱度。

3 减量化处理工艺

针对反渗透浓水的成分采取针对性的措施处理。由于反渗透浓水水质含盐量并不是特别高，因此可以考虑将浓水再次进行反渗透净化浓缩利用，将一级反渗透改造为二段处理，一级反渗透的浓水再次进入反渗透浓缩。对山东某电厂某组FJ-F4.0型反渗透设备进行了改造实验，如图1所示，该组反渗透共6只反渗透膜，纵式排列，分为两段，一级第一段为

图1 山东某电厂某组FJ-F4.0型反渗透设备

下置4只膜，一级第二段为上置2只膜，第一段产出浓水作为二段进水进入第二段再处理，第一段与第二段的淡水同时进入下一级水处理设备深度除盐。对第二段产出的浓水进行分析检测，化验数据如表3所示。

表3 某电厂反渗透二段处理产出浓水水质 单位：mg/L，pH值除外

鉴于二段浓盐水高硬度、高碱度、高含盐量的特点，为实现浓盐水的减量化，需对其进行进一步浓缩减量处理，采取蒸发结晶可实现零排放。主要技术为石灰预处理→沉降→碱处理→二次沉降→膜蒸馏→DT-RO处理的工艺。

3.1 预处理

结合浓盐水的水质特点，可采取沉淀软化、过滤、超滤的工艺进行处理，以除去浓盐水中的绝大部分硬度、碱度、悬浮物、胶体等杂质。

以石灰石为沉淀剂进行软化处理，主要作用机理为：

（1）处理浓盐水中游离的二氧化碳。

（2）处理浓盐水中碳酸盐硬度，大幅度降低浓盐水的碱度。

（3）促使硬度转换，使非碳酸盐硬度中的镁硬度转换为钙硬度，可配合纯碱或氯化钙进一步处理非碳酸盐硬度。

（4）处理浓盐水中部分铁和硅。

在第一级沉降池采用石灰石预处理后，进行固液分离，沉降池的上层清液进入下一级沉降池，大部分硬度、碱度、悬浮物、胶体等杂质已经在第一级沉降池处理掉，第二级沉降池加入锅炉汽包连续排污水，并配合加入NaOH，调节pH值在11左右，处理掉剩余硬度，生成Mg(OH)2和Ca(OH)2沉淀，同时可以携带二氧化硅共沉淀。由于汽包连续排污水的引入提高了沉降池水温，以提高膜蒸馏的效率和成本，同时也可以降低排污水的处理成本。

3.2 膜蒸馏

膜蒸馏（membrane distillation，简称 MD），是一种利用水蒸汽分压作为物质传递的推动力，使水汽从分压较高的一侧通过特定材质的膜传递到水汽分压较低的一侧，实现水汽的富集，从而实现物质的浓缩或提纯。相比于传统的蒸馏，膜蒸馏的操作压力和温度都比较低，设备占地面积较小，分离程度高，同时在分离过程中具有良好的化学稳定性。因此是一种非常适宜反渗透浓水处理的一类方法。

膜蒸馏主要分为直接接触式膜蒸馏（图2）和气隙式膜蒸馏（图3）。

图2 直接接触式膜蒸馏

图3 气隙式膜蒸馏

冷热测溶液能够通过膜完成直接传质。因此需要将预处理后的反渗透浓水进行升温，以产生足够的温差，推动传质的完成。为进一步提高二级沉降池出水的水温，考虑将热力除氧器排出的蒸汽通过管线引至二级沉降池出口，通过换热器换热，进一步提高浓水温度。同时可以收集除氧器蒸汽冷凝水回用。每年一台200 t蒸发量的锅炉热力除氧的蒸汽损耗就会超过300万，通过对膜蒸馏的换热，既可以节省除氧器排汽的损失，也提高了浓水进入膜蒸馏设备的温度。实现了电厂内部能量的充分利用，降低了企业成本。

3.3 DT-RO处理

经过前面几级处理后，反渗透浓水回收了40%左右，同时浓水的含盐量又得到大幅度提升，针对此阶段浓水含盐量高、COD含量高的特点，采取DT-RO的处理方式，可使浓水得到进一步提纯回用，同时继续加浓浓水部分。

DT-RO（碟管式超高压反渗透）是反渗透技术的深化，主要通过对膜元件本身的改造，改变膜元件构造，来提高膜元件的抗压和抗污染的能力。DT-RO技术适用于对含盐量、COD含量非常高的废水的处理。DT-RO处理浓盐水的主要机理是把碟管式反渗透膜片与水力导流盘叠放在一起，用中心拉杆和端板进行固定，然后置入耐压套管中，就形成一个碟管式膜柱。系统运行时待处理的浓盐水从膜组件的入口流入，并经由膜组件内部空隙，由上至下，由内而外，依次经过各渗透膜，并最终从膜组件上端流出，形成浓缩液和纯水，DT-RO膜组件基本结构如图4所示。

图4 DT-RO膜组件基本结构

经DT-RO处理后超浓水部分含盐量预计会达到50 000 mg/L以上。超浓水继续进入蒸发结晶池，基本可以实现零排放处理。常见的蒸发结晶技术有机械蒸汽再压缩技术（MVR）和多效蒸发（MED），本文重点讨论反渗透浓水的减量化处理，因此对蒸发结晶技术不做赘述。

4 结语

随着我国对环保重视程度的加深，“碳中和、碳达峰”已成为我国非常重要的一项政策目标，目前全国电力系统主要水处理还是以反渗透为主，反渗透浓水的减量化处理是特种设备行业需要特别重视的一项工作。当然还是鼓励有条件的企业，可以尽可能完善零排放设备。

本文探索采取反渗透改造一级二段处理、二段反渗透浓水石灰预处理、沉降、碱处理、二次沉降、膜蒸馏、DT-RO处理的处理工艺以实现反渗透浓水减量化，中间采用对汽包连续排污水的再利用以及对热力除氧排汽的利用，同时也大幅度提高了节能效果。当然不同地区，不同水质，不同条件的企业应当根据实际情况采取不同的浓水处理方式，但是随着基础研究领域的不断升级，相信不久的将来一定会有更加节能、高效、低成本的处理方式走进大家的视线。