1.含鹽有機物的狀況污水處理

目前，許多生活用水工程的處理水源都是各種工業(yè)污水廢水，其中一些具有高含鹽量和高有機物含量的特點。面對如此高有機物含量的水源，反滲透工藝前必須設置各種預處理工藝。但是，由于水源中有機物濃度高且不斷變化，如果針對高有機污染物含量的工況，嚴格按照反滲透系統(tǒng)的進水水質要求來設計預處理工藝，那么預處理工藝的復雜性將很大，工程造價也很高，而實際預處理工藝的產(chǎn)水水質往往不能完全滿足反滲透系統(tǒng)的進水指標要求。因此，降低反滲透工藝的進水水質標準就出現(xiàn)了，處理有機物的任務由預處理工藝和反滲透工藝共同承擔，即反滲透系統(tǒng)的進水指標超過或遠遠超過一般苦咸水反滲透系統(tǒng)的進水標準。針對高鹽度、高有機物的污染水源，反滲透系統(tǒng)的主要工藝目標自然讓位于通過保證高脫鹽率來降低污染速度和清洗頻率，反滲透的工藝形式和膜堆結構也需要相應調整。為了表達方便，在本研究的以下部分，將含高鹽度和有機物的污染水源簡稱為“污水”，含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，但間接反映污染速度的指標有濃差極化度和通量平衡度。濃差極化是膜表面滯留物濃度與濃水通道滯留物濃度的比值，比值越高，越容易形成膜污染。通量平衡是指各膜元件沿系統(tǒng)流的產(chǎn)水通量的一致性，常以系統(tǒng)前后兩級平均通量之比(稱為段通量比)和系統(tǒng)流前后兩端元件通量之比(末端通量比)來表征。嚴重的通量不平衡會導致污染不平衡，進而導致清洗頻率的增加和膜性能的下降速率。

根據(jù)污水的進水條件，為降低系統(tǒng)的污染速度，除了采用抗污染膜品種、降低系統(tǒng)通量外，還應努力降低濃差極化、改善通量平衡，以及其他能有效降低污染速度的工藝措施。

作者采用模擬計算的方法對反滲透系統(tǒng)進行分析，模擬軟件采用海德能源公司的反滲透系統(tǒng)設計軟件IMSdesign。

2.組件種類和設計流量

對于含鹽污水源，系統(tǒng)使用的膜品種應采用工作壓力高、通道寬甚至電中性的抗污染膜品種(如LFC3-LD)。其中，高工作壓力指數(shù)有利于沿系統(tǒng)的通量平衡，0.8636mm厚水幕的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膜表面帶正或負電荷有機物的吸附污染。

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，系統(tǒng)進水中有機污染物的濃度越高，系統(tǒng)的設計通量(或平均通量)越低。根據(jù)反滲透系統(tǒng)的設計導則，經(jīng)超濾預處理的污水系統(tǒng)的設計通量應為12.6 ~ 22.3 l/(m2 & # 8226；h).

本次研究中，設計計算基于進水有機物含量高(如COD為50mg/L)，進水含鹽量為1500mg/L，進水溫度為25℃(一般工業(yè)廢水水溫較高)，系統(tǒng)回收率為75%，產(chǎn)水流量為20m3/h，平均通量為14.9 L/(m2 & # 8226；h)和36個8040膜元件等設計條件和設計指標，特別是上一節(jié)提到的濃水回流、級間增壓、流程縮短、垂直安裝等四項工藝措施進行了分析。

需要指出的是，由于通量指數(shù)較低，系統(tǒng)段的通量比會增大，而膜殼濃水的通量會減小。

3.濃水回流和級間增壓

根據(jù)“特定系統(tǒng)”含鹽量較高、溫度較高的情況，如果仍采用傳統(tǒng)的4-2/6結構和12m工藝長度，不同濃水回流下的濃差極化分布和膜元件通量沿系統(tǒng)分布如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，濃水回流工藝可以有效增加系統(tǒng)沿膜面的錯流，有效降低沿系統(tǒng)膜面的濃差極化，進而降低系統(tǒng)的污染速度。然而，由于進水和給水含鹽量高，沿系統(tǒng)的通量不平衡仍然嚴重。

在圖1中，前后段交界處濃差極化的急劇下降是由于:系統(tǒng)前段末端組分的濃差水流量小，濃差極化自然高；系統(tǒng)后段第一組分濃水流量較大，濃差極化程度自然較低。

控制沿系統(tǒng)流量平衡程度的有效方法之一是采用級間增壓過程。如果一般苦咸水淡化系統(tǒng)的級通量比指標控制在1.2左右的水平，則高污染系統(tǒng)的級通量比指標應放寬到1.25左右的水平，以降低有機污染物濃度較高的后級系統(tǒng)的產(chǎn)水通量，即降低后級系統(tǒng)的污染負荷和污染速度，使系統(tǒng)前后級的污染速度趨于平衡。

維持1.25的段通量比，不同濃水回流下沿系統(tǒng)的濃差極化分布和膜元件通量分布見圖3和圖4。

對比圖3和圖1可以看出，級間增壓工藝可以有效降低前段各膜元件的濃差極化，但后段各膜元件的濃差極化會有一定程度的增加。因此，為了降低整個系統(tǒng)的濃差極化，同時改善整個系統(tǒng)的通量平衡，需要同時采用濃水回流和級間增壓兩種工藝，以及它們合適的操作參數(shù)。

4.短流程和垂直結構

對比圖4和圖2可以看出，級間增壓過程可以有效降低前后級之間的流量比，即可以有效降低前后級之間的流量不平衡，但不能控制系統(tǒng)中間級的流量不平衡。此外，膜殼的水平安裝方式可以有效增加系統(tǒng)占用的空間，但必然會造成更多的污染物沉積在元件內(nèi)部水體側的膜表面，這種現(xiàn)象在有機物含量較高的污水廢水源系統(tǒng)中必然會越來越嚴重。

借鑒超微過濾系統(tǒng)，垂直安裝膜組件有效降低了污染物沉積的污染速度，垂直安裝反滲透膜殼應該是降低膜污染速度的有力措施。屆時，更多的有機污染物將隨著濃縮水徑流沿系統(tǒng)水體排出系統(tǒng)，滯留在膜表面的污染物也相應減少。

但如果6聯(lián)裝膜殼垂直安裝，膜殼下端必須預留空間用于裝卸膜組件，則要求相應的廠房高度在9m左右。這個高度要求對于原廠房來說未必可行，對于新廠房來說也會增加成本。因此，需要更短的膜殼長度和更短的系統(tǒng)處理長度。

圖5和圖6分別顯示了沿4分支膜殼(即8m工藝系統(tǒng))的濃差極化逐步和元件通量分布。

對比圖5和圖3可以看出，在相同的系統(tǒng)回收率和相同的截面通量比條件下，當膜殼和系統(tǒng)流程縮短時，沿系統(tǒng)的濃差極化相應增大。但對比圖6和圖4可以看出，12m流程(6包膜殼)和8m流程(4包膜殼)的末端通量比分別為23.2/12.1=1.92和22.1/13.4=1.65，即膜殼和系統(tǒng)流程的縮短會使系統(tǒng)通量趨于平衡。換句話說，短系統(tǒng)工藝可以在一定程度上以濃差極化指數(shù)惡化為代價獲得通量平衡的明顯效果。

5.污水系統(tǒng)運行參數(shù)

匯總圖1~圖6所示參數(shù)及相關系統(tǒng)運行指標如水鹽產(chǎn)量、段殼濃水比、噸水能耗等，如表2所示。參數(shù):1500mg/L，25℃，20m3/h，14.9 L/(m2 & # 8226；h)、LFC3-LD .

表1中的數(shù)據(jù)再次表明，無論采用何種系統(tǒng)結構和流程長度，只有同時采用濃水回流和級間增壓的流程，才能降低系統(tǒng)的濃差極化和級間通量比指標，但代價可能是產(chǎn)水含鹽量和產(chǎn)水能耗的相應增加。

相比之下，8m短流程即6-3/4結構系統(tǒng)更適合膜殼的垂直安裝方式，可有效降低系統(tǒng)的污染速度，其產(chǎn)水產(chǎn)鹽量、噸水能耗和通量不平衡也相應降低，但代價是濃差極化增加。

對于污水處理系統(tǒng)，節(jié)段殼內(nèi)濃水比指標(即膜殼前后節(jié)段濃水流量之比)越小，膜殼后段濃水流速越大，越有利于高濃度有機污染物排出系統(tǒng)。表1中的數(shù)據(jù)表明，采用濃水回流工藝時，濃水回流比越大，段殼的濃水比越小，即提高濃水回流比也能在一定程度上降低段殼的濃水比，但級間增壓工藝會在一定程度上提高段殼的濃水比指標?？傊瑵獠顦O化、段通量比、末端通量比、系統(tǒng)脫鹽率、段殼濃水比、噸水能耗等系統(tǒng)運行指標是相互關聯(lián)的，都與濃水回流、段間壓力、流程變短等工藝密切相關。為了使各項操作指標保持在較好的水平，要求各相關工藝采用合理的參數(shù)。

6.膜殼的垂直布置方式

它是一個36分支的膜元件系統(tǒng)。圖7中分別顯示了4-2/6結構的臥式膜殼長流程系統(tǒng)的布置方式和6-3/4結構的立式膜殼系統(tǒng)的布置方式，以及濃水回流和級間增壓的工藝流程。

在臥式膜殼中安裝膜元件時，總是按照向濃水供水的方向依次將膜元件推入膜殼中，安裝過程只需人工操作即可完成。不考慮膜元件集中水圍裙的方向，即膜殼供水徑流的方向，在立式膜殼中安裝膜元件時，膜元件總是由下而上依次推入膜殼中。只有這樣，每兩個膜元件之間的淡水連接器才能容易地安裝。因此，在安裝立式膜殼時，需要有相應的構件頂推設備。

7.結論

(1)高鹽度有機污染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)在污水系統(tǒng)設計中，首先應采用水道寬而集中、系統(tǒng)設計通量低的抗污染膜品種。

(3)系統(tǒng)的主要技術指標包括高級通量比、低濃差極化、低級通量比和低級殼濃水比。

(4)系統(tǒng)的主要工藝措施包括濃水回流、級間增壓、短系統(tǒng)流程和膜殼立式安裝方式。

(5)只有技術措施相互協(xié)調，相互關聯(lián)的技術指標才能達到整體優(yōu)化目標。

(6)只有當各項技術指標達到整體優(yōu)化的目標時，系統(tǒng)才具有較強的抗污染能力。

(來源:中海油天津化工研究設計院有限公司、天津城建大學)

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