高效反渗透废水处理工艺研究

摘 要：为了研究废水零排放中高效反渗透废水处理工艺。本文通过采集工业废水水样，并采用正渗透-反渗透的组合工艺进行处理，测定废水中污染物的浓度变化。利用扫描电子显微镜观察了反渗透膜在处理过程中的形貌变化，并对膜表面污染物进行处理，以恢复膜通量。此外，本文还采用电脉冲辅助Fenton法处理反渗透进水，以稳定COD去除率，确保废水处理效果。研究结果表明，反渗透法能够有效去除废水中的COD、BOD5、TDS、SiO2、NH3-N以及K+等污染物，使处理后的废水达到水质二次利用的标准，从而实现零排放的目的。试验证明，本文的研究为工业废水的高效处理、二次利用及零排放提供了重要的理论依据和实践指导。

关键词：废水；零排放；高效；反渗透；废水处理工艺

中图分类号：X 703.1 " 文献标志码：A

“零排放”是指无限地减少污染物直至为零的活动，通过生态、清洁等产业技术对废水资源进行循环利用，从而避免对大气、水体以及土壤造成污染[1]。工业废水“零排放”是指工业废水不以液态排放或浓缩为固体进行处理，以二次利用、水回收的形式防止废水污染。废水处理工艺已经初步形成了一个思路，即预处理——酚氨回收——生物处理——深度处理——高盐水处理，废水最终会转化成混合结晶杂盐[2]。杂盐长期堆放可能造成结晶盐淋融，对土壤、地下水造成一定的污染。由此可见，以往的处理工艺仍具有一定的环境隐患，亟需对其进行进一步优化[3]。反渗透废水处理是一种重要方法，通过分离、提纯等形式，直接对废水中的盐、有机物进行处理，从而避免环境污染。因此，本文研究了废水零排放中高效反渗透废水处理工艺。

1 试验材料及准备

本次试验在某水务处理厂的一级沉淀池出水中获取水样，废水水样中的悬浮物、杂质对反渗透膜造成损伤危害较大。因此，本文在沉淀池静置处理后，得到的废水水样通过反渗透膜二次处理，以满足废水处理的需求。试验试剂与设备见表1。

由表1可知，本次试验采用反渗透膜与反渗透装置均来自一家公司，反渗透膜型号为RM01膜，操作温度为5℃～45℃，pH值在2～11变化[4]。反渗透装置为FlowMen-0021-HP设备，有效膜面积为210（70×3）cm2，过滤能力较强。通过低温冷却循环泵来控制反渗透进水温度，使其温度控制在25℃左右。

FlowMen-0021-HP反渗透装置在技术上展现出了其独特的优越性。膜片设计采用螺旋卷绕式，增加了膜的工作面积，降低了水流阻力，提升了过滤效率。为确保膜的长久稳定工作，进水预处理系统发挥至关重要的作用，它通过颗粒过滤器、活性炭过滤器等多重手段有效去除水中的大颗粒杂质和有机物，为反渗透膜提供了良好的工作环境。此外，该设备还配备了先进的自动控制系统，能够精准监测并实时调节进水温度、压力以及流量等关键参数，确保设备始终处于最佳工作状态。在维护方面，设备具备自动清洗功能，可定期清理膜表面的污垢，维持其过滤性能。同时，设备的维护操作简单便捷，仅需定期更换滤芯和进行常规清洗，即可保证其长期稳定运行。反渗透平板膜装置如图1所示。

由图1可知，反渗透平板膜装置由2个不锈钢板构成，中央膜池磁村为110mm×200mm。按照膜池尺寸裁剪成相应的膜片，与密封腔体形成反渗透装置。通过浓水阀、回流阀来控制废水进水率，从而确保试验的有效性。

2 试验方法

本文模拟了海水反渗透截留液，组成成分包括NaCl、MgCl2、Na2SO4、CaCl2、KCl、NaHCO3、KBr、H3BO3、SrCl2以及NaF。海水反渗透截留液相关参数见表2。

由表2可知，本文将海水反渗透截留液作为正渗透驱动液，根据标准海水组成配方的50%反渗透水回收率计算得到，能够满足本次试验需求。整个数据由OLI Stream Analyzer 3.1 software分析软件得到，准确性较高。海水中的NaCl的成分较高，NaF的成分较少[5]。因此，在废水处理的过程中，可以保留较多的Na+，去除F-。NaHCO3、KBr、H3BO3以及SrCl2均处于较低的水平，CO32-、K+、Sr2+以及Cl-均需要得到有效处理。在处理过程中，为确保离子得到有效去除或降低，采用先进的离子交换、吸附和膜分离技术。同时，对处理工艺参数（例如pH值、温度和压力）进行优化，不仅提高了处理效率，而且还降低了能耗。此外，将处理前后的废水进行对比，涵盖了离子种类、浓度和水质指标的变化，能够准确评估废水处理效果，并为后续的优化和改进工作提供重要依据。正渗透实际水通量计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：Jw为正渗透实际水通量；mt为t时刻截留液的质量；m0为截留液的初始质量；t为时间间隔；Am为有效膜面积；ρ为水的密度。

反向渗透量计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：Js为反向渗透量；CF为渗透终止后废水中的盐浓度；C0为废水初始盐浓度；VF为渗透终止之后废水体积；V0为废水初始体积。

利用分光光度法测定氨氮、总氮、总磷、化学需氧量以及电导率。分光光度法基于物质对特定波长光的吸收特性，通过测量吸光度来间接确定物质的浓度。在此过程中，选择合适的波长、精确控制样品与标准品的制备以及使用高精度的分光光度计都是确保测量结果准确可靠的关键，pH值采用pH计直接测出。电导率能够反映水中离子的浓度，对废水通过反渗透膜前后的电导率进行测定，能够分析反渗透膜脱盐率的大小。脱盐率计算过程如公式（3）所示。

（3）

式中：R为反渗透膜脱盐率；Cp为废水通过反渗透膜的出水电导率；Cf为废水电导率。

在单位时间内，通过单位反渗透膜的体积表示膜比通量，计算过程如公式（4）所示。

（4）

式中：P为膜比通量；Jt为经过t时间运行之后的膜通量；J0为反渗透膜初始通量。

将废水水样置于水桶中，打开O3检测仪，增加H2O2调节水中的pH值。在O3氧化阶段，通过控制O3的投加量和氧化时间，确保废水中的有机物得到充分氧化。在此过程中，需要定期观察水样颜色和气味的变化，以判断氧化效果。经过O3氧化一段时间后，在废水水样中放置活性炭柱。1h之后，测定废水水样的COD，将同样量的废水水样放在生化桶中，加入反渗透膜片，在曝气管曝光6d，去除残余臭氧，再次测定废水水样的COD。反渗透单元对COD的去除效果如图2所示。

由图2可知，反渗透进水就是废水水样的COD原始值；反渗透出水就是经过O3、反渗透膜处理后的COD值。O3氧化是通过投加适量的臭氧来完成的，利用其强氧化性对废水中的有机物进行降解。随后，反渗透膜作为高效的分离技术，能够进一步去除废水中的溶解性有机物和离子。活性炭催化臭氧氧化，时间延长之后，吸附效果变差。可能是由于活性炭表面的活性位点被逐渐占据，导致其对有机物的吸附能力下降。为了克服这一问题，在处理过程中加入了反渗透膜技术。反渗透膜能够通过物理分离的方式有效去除废水中的有机物和离子，从而弥补了活性炭吸附效果下降的不足。通过对比反渗透进水和出水的COD值可以发现，在加入反渗透膜后，COD去除率明显提升。反渗透膜表面微观形态变化如图3所示。

由表观形态可见，EDTA清洗之后，反渗透膜更加干净。对EDTA清洗后的膜比通量进行计算，其恢复了50%；NaClO清洗之后的膜比通量恢复了80%。由此可见，NaClO清洗之后，表面残留有小杂质，但是内部杂质得到有效清除，能够二次利用。

3 试验结果

本次试验获取到的废水水样pH值为8.5，温度为19.0℃。在原始条件下，采用电脉冲辅助Fenton法处理反渗透进水。脉冲频率为7Hz，脉冲电压为2000V，曝气量达到0.8m3/h，处理时间设定为5min。反渗透进水处理情况见表3。

由表3可知，脉冲电磁场法处理反渗透进水后，并未经过曝气的步骤，COD去除率始终在22%左右变化。电脉冲辅助Fenton法处理反渗透进水后，pH值在7.4～8.5的范围内变化，曝气量式中为0.8m3/h，COD去除率≥36%，能够在反渗透进水的最佳时间对废水进行初步处理。废水出水水质变化情况见表4。

由表4可知，在废水处理的过程中，经过了循环水站、脱盐水站以及反渗透膜等流程，提升废水出水质量。在循环水站完成处理的水质中，pH值、COD、BOD5、TDS、SiO2、NH3-N、K+、Ca2+、Fe2+、Cl-以及NO3-等物质得到了一定去除，但是仍然不满足出水标准。在脱盐水站完成处理的水质中，COD、BOD5、TDS、SiO2、Cl-以及NO3-等物质不满足出水标准，其他物质的含量可以满足出水标准。在完成反渗透膜处理后，各个物质的含量均在出水标准的范围内。同时，污染物的浓度相对较小，能够控制废水废弃物排放，并将其减少到0。从产业生产的角度来看，能量、能源以及资源转化需要遵循自然规律，任何能量均无法实现100%的转化。因此，本文利用反渗透法处理的废水，在满足出水标准的基础上，达到了废弃物尽量少的目标，能够满足废水零排放处理的需求。

4 结果

反渗透技术具有分离性能，能够有效地去除废水中的溶解性盐溶液、有机物以及重金属等污染物，使废水出水水质更高。在反渗透废水处理工艺中，经过多次处理，达到废水零排放的目的。通过臭氧氧化、芬顿氧化等方式，将有机污染物氧化成低毒性的物质，减少有机污染物的排放量。由此可见，废水零排放中高效反渗透废水处理工艺具有较好的废水处理效果，并且能够回收利用废水，具有重要的环保意义。

5 结语

工业化的进程加快，城市废水产生量较大，对环境、人类健康造成了一定的影响。众多的废水处理技术都存在处理效率较低、能源消耗较大以及排放污染较大的问题，无法满足废水零排放处理的需求。因此，本文研究了废水零排放中高效反渗透废水处理工艺。通过反渗透技术改变废水水质状态，去除有机物、无机物以及重金属等污染物，使水质更健康，满足二次利用的需求，真正意义上实现了废水零排放的处理目标。

参考文献

[1]刘海洋，杨晓波，米延文.煤油气资源综合利用项目污水零排放装置的技术改进[J].化工生产与技术，2023，29（6）：42-45，10.

[2]沈延达，李恩如，陈洋，等.“深床滤池+膜分离+臭氧”在工业园区污水处理及中水回用的应用研究[J].化纤与纺织技术，2023，52（12）：56-59，183.

[3]王尔东.基于中和反渗透方法对云式除尘系统中主要杂质为硝酸根，硫酸根的酸性废水处理方法[J].科学技术创新，2022，（28）：167-170.

[4]郎鑫焱.机械蒸汽压缩晶种法立式降膜蒸发减量一体化水处理技术在火电厂脱硫废水零排放工程中的应用[J].电器工业，2022（4）：50-54.

[5]季宏飞，秦佩，吴晓伟.三元正极材料清洗废水资源化回收零排放处理工艺[J].当代化工，2023，52（10）：2487-2491，2496.