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高硬度反渗透浓水处理技术

[导读]采用加药反应沉淀+磁水循环错流+微滤过滤等技术相结合的方式处理反渗透浓水,其产水硬度(以CaCO计)≤300 mg/L,浊度≤5 NTU,满足了GB/T 19923-2005(城市污水再生利用工业用水水质》的要求,减轻了后续回用处理单元的负担,提高了水的利用率。

1 问题的提出

目前国内对制备高品质水的需求越来越大,尤其是在锅炉用水或电子业用水领域,反渗透浓水处理技术得到了极大的发展。值得注意的是,在制取优质脱盐水的同时,进水中的杂质被高度浓缩,并以反渗透浓水的形式外排。如果反渗透浓水不经过处理而直接排放,必然会对周围的环境造成十分不利的影响。反渗透膜失效的机制是膜结垢造成污堵,而膜结垢又分为有机物污堵和无机盐结垢。有机物污堵可以通过加杀菌剂等方式解决,无机盐结垢主要是由于难溶盐如CaCO3,CaSO ,Mg(OH)2等在膜表面沉积而引起的,只有去除水中的杂质,反渗透膜结垢的风险才能大大降低。

国内反渗透浓水的处理基本有以下几种方式:(1)回收后用作工艺前段过滤反洗用水;(2)蒸发、蒸馏浓缩;(3)排人地表水或海水;(4)深井注入地下。这些方式要么不经济、要么受地域的限制、要么会产生二次污染。在水资源极度紧缺的当今社会,如何处理回收反渗透浓水将具有现实意义。

2 高硬度反渗透浓水处理系统

2.1 高硬度反渗透浓水处理的技术原理

高硬度反渗透浓水处理技术主要是针对高硬度(CaCO 质量浓度≤2 000 mg/L)反渗透浓水,采用“加药反应沉淀+磁水循环错流+微滤过滤”等技术相结合的方式,经过理论计算、试验研究和分析测试等步骤确定各个单元的最优工艺参数的过程。高硬度反渗透浓水处理技术主要通过3种途径来去除反渗透浓水中的钙、镁离子,同时尽量去除一些通过加药和磁水处理能产生沉淀的离子(如硅和重金属离子等)。

(1)加药(加入石灰和Na:CO,)处理。原理 J如下:

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2 2CaCO3+2H2O ,CaSO4+Na2CO3——_÷ CaCO3+Na2SO4,Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2 Mg(OH)2+2CaCO3+2H2O ,

MgSO4+Ca(OH)2一Mg(OH)2+CaSO4,CaSO4+Na2CO3——一÷ CaCO3+Na2SO4。从上述化学反应式可以看出,在盛有反渗透浓水的调节箱中加入石灰调节pH值(控制在7—9),消除暂时性硬度,镁离子质量浓度降至25 mg/L以下。然后在反应箱中加入Na:CO,以消除永久硬度。为了保证沉淀效果,可加入絮凝剂,搅拌均匀,使钙、镁离子形成Mg(OH) 和CaCO,沉淀,此时钙离子质量浓度降至40 mg/L以下,在沉淀箱中进行固液分离,从而使后续膜处理系统能更长时间、更有效地处理原水而不结垢,以达到去除硬度、增加回收率的目的。

(2)对原水进行磁水处理。强磁水处理器主要有防垢和杀菌、灭藻的功能。对于反渗透浓水而言,其溶液中离子含量很高,后续膜处理系统还是有结垢的风险,强磁水处理器能有效防垢,可减轻后续膜处理系统的压力。一般而言,在常温(0—50 oC)、常压(0~1.0MPa)下,原水瞬时通过磁水处理器内强磁场切割磁力线,受磁极作用而导致水分子偶极矩增大并发生偏转,使大分子团断裂成大量细碎的单个水分子,它们强烈吸引并包围了易在水中与酸根离子结成针状结晶硬垢的ca 和Mg¨ ,使其无法靠近受热的管壁或容器壁,转而以粒状结晶体随排污大流排出系统之外,从而达到陶瓷膜防垢的目的。在原水切割磁力线时,其内部能产生电流,导致其中部分水电解而产生单原子氧(H 0=H +0),单原子氧具有强烈的杀菌作用,从而达到杀菌的目的。而单原子氧是不稳定的,它破坏了藻类的生存环境,从而又达到了灭藻的目的。对于后续膜处理系统而言,防垢、杀菌、灭藻是理想的原水预处理方法。

(3)陶瓷微滤膜净化。在压力作用下,原水在膜管内或膜外侧流动,水分子(或产品水)透过膜后,水体中的污染物等杂质被截留,从而达到水质净化的目的。陶瓷膜是以无机陶瓷材料经特殊工艺制备而成的非对称膜,呈管状或多通道状,管壁密布微孔。微滤膜的分离范围为0.1—10.0 Ixm,用于最粗级别的分离,将菌丝体、颗粒物、胶体等较大颗粒的物质截留。经过加药沉淀和磁水处理的反渗透浓水再通过陶瓷微滤膜净化而达到出水水质指标:CaCO,质量浓度≤300 mg/L,浊度≤5 NTU,以满足GB/T 19923-2005(城市污水再生利用工业用水水质》的要求。

2.2 高硬度反渗透浓水处理系统的设计

对于高硬度反渗透浓水处理技术,其关键点是加药量的控制、磁水错流技术和微滤过滤技术。作者设计了高硬度反渗透浓水处理系统流程,如图1所示。

图1所示的高硬度反渗透浓水处理技术系统流程是直接处理反渗透、浓水的技术,原浓水经过调节池、反应箱、沉淀箱进行加药(如石灰和苏打)反应沉淀后,由循环泵从磁水处理器(防垢、杀菌和灭藻)提升到微滤膜组件错流过滤,其产水可以直接回用或再经反渗透处理进一步浓缩回用,该系统微滤膜的错流浓水则回到沉淀池再浓缩,部分浓缩液残渣进入污泥浓缩系统以污泥的形式排出。在该系统中,其基本计算公式 如下。

(1)预处理石灰投加量计算。P(CaO)=(28/to1)×(C(CO2)+A0+日M +OL), (1)式中:JD(CaO)为石灰投加的质量浓度,mg/L; 。为石灰的质量分数,% ;C(CO。)为CO:的浓度,mmoL/L;A0为原水总碱度,mmol/L;HM 为原水镁硬度,mmol/L;O/为石灰过剩量,一般为O.2~0.4mmoL/L。

(2)预处理苏打投加量计算。

P(Na2CO3)=(53/to2)×( + ), (2)式中:p(Na:CO )为苏打投加的质量浓度,ms/L;∞为工业苏打的质量分数,% ;H 为原水非碳酸盐硬度,mmol/L; 为苏打过剩量,一般为1.0—1.4mmoL/L。

(3)微滤膜单元产水量计算。

q =Sq0凡, (3)式中:g 为产水量,m /h;S为单支膜面积,m ;q。为膜通量,m /(In ·h); 为膜数量。

3 高硬度反渗透浓水处理技术试验

为了验证高硬度反渗透浓水处理技术的准确性,需要检验高硬度反渗透浓水处理技术中主要单元降低原水中硬度的效果。依据图1所示的流程,需要设计高硬度反渗透浓水处理装置,高硬度反渗透浓水处理装置如图2所示。

3.1 试验1

配备溶液。MgC1 和CaO混合溶液,硬度为32.5mmol/L,循环流量为660L/h,加自来水配置。时间周期为1个月,每周记录1次,分别观察其膜组件浓水、产水流量和压力情况,高硬度反渗透浓水处理试验曲线如图3所示。检测后的高硬度反渗透浓水处理装置进出水水质结果见表1。

3.2 试验2

水样检测。华能淮阴电厂锅炉补给水系统一级反渗透浓水经过图2所示的装置处理后,检测结果见表2。

4 高硬度反渗透浓水处理试验数据分析试验1数据分析。从图3可以看出:3周后系统中膜组件的浓水侧压力开始增加,浓水侧流量增加,到3周后产水侧流量下降趋势比较明显,可见在3周以内,系统在磁水处理器的作用下,有效抑制了膜组件浓水侧的结垢;到了第4周,膜组件浓水侧开始无机盐结垢。从表1的数据可以看出,所配置的高硬度废水经过高硬度反渗透浓水处理装置的处理,出水水质能够满足设计要求。

试验2数据分析。从表2数据可以看出:从工程现场取出的水样,经高硬度反渗透浓水处理装置处理后,出水水质同样能够满足设计要求。可见高硬度反渗透浓水处理技术是有效的,其出水硬度和浊度完全能满足GB/T 19923-20054城市污水再生利用工业用水水质》的要求。

图3 高硬度反渗透浓水处理试验曲线表1 高硬度反渗透浓水处理装置进出水水质

3.2 试验2

水样检测。华能淮阴电厂锅炉补给水系统一级反渗透浓水经过图2所示的装置处理后,检测结果见表2。

表2 高硬度反渗透浓水处理装置进出水水质4 高硬度反渗透浓水处理试验数据分析试验1数据分析。从图3可以看出:3周后系统中膜组件的浓水侧压力开始增加,浓水侧流量增加,到3周后产水侧流量下降趋势比较明显,可见在3周以内,系统在磁水处理器的作用下,有效抑制了膜组件浓水侧的结垢;到了第4周,膜组件浓水侧开始无机盐结垢。从表1的数据可以看出,所配置的高硬度废水经过高硬度反渗透浓水处理装置的处理,出水水质能够满足设计要求。

高硬度反渗透浓水经过高硬度反渗透浓水处理装置处理后,硬度和浊度均大幅降低,达到GB/T19923-2005《城市污水再生利用工业用水水质》的要求。对于工程现场取出的反渗透浓水含有阻垢剂的问题,经过高硬度反渗透浓水处理装置处理后,其产水水质能满足设计要求,可见原水中是否含有阻垢剂对高硬度反渗透浓水处理装置基本没影响。

综上所述,高硬度反渗透浓水处理技术对于反渗透浓水中的硬度和浊度能够起到明显的处理效果,其对反渗透浓水的回用有重要意义。由于高硬度反渗透浓水处理技术减轻了后续水回用单元的负担,提高了水的利用率,其对废水零排放也具有重大意义。

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