1、含鹽有機(jī)污水處理現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)不少水工程的處理水源為各類工業(yè)污廢水，有些廢水呈現(xiàn)出高含鹽、高有機(jī)物含量的特征。面對(duì)如此高有機(jī)物含量水源，反滲透工藝之前必須設(shè)置相應(yīng)的各類預(yù)處理工藝。但是，由于水源的有機(jī)物濃度較高且不斷變化，如果嚴(yán)格按照反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)要求，對(duì)最高有機(jī)污染物含量工況設(shè)計(jì)預(yù)處理工藝，則預(yù)處理工藝的復(fù)雜程度將會(huì)很大且工程成本將會(huì)很高，而實(shí)際的預(yù)處理工藝的產(chǎn)水水質(zhì)往往不可能完全達(dá)到反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水指標(biāo)的要求。因此，出現(xiàn)了降低反滲透工藝進(jìn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，由預(yù)處理工藝與反滲透工藝分擔(dān)處理有機(jī)物的任務(wù)，即反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水指標(biāo)超出或遠(yuǎn)超出一般苦咸水反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)含鹽高有機(jī)物污染水源，反滲透系統(tǒng)主要工藝目標(biāo)自然由保證高脫鹽率讓位于降低污染速度與降低清洗頻率，且反滲透的工藝形式與膜堆結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。為了表述方便，本研究以下部分將含鹽高有機(jī)物污染水源簡(jiǎn)稱為“污水”，進(jìn)行污水處理的反滲透系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為“污水系統(tǒng)”。
系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件中沒(méi)有直接反映有機(jī)污染的相應(yīng)指標(biāo)，間接反映污染速度的指標(biāo)有濃差極化度與通量均衡度。濃差極化度是膜表面截留物濃度與給濃水流道中截留物濃度的比值，該比值越高越容易形成膜污染;通量均衡度是指沿系統(tǒng)流程各膜元件產(chǎn)水通量的一致程度，常以系統(tǒng)前后兩段平均通量的比值(稱為段通量比)及系統(tǒng)流程前后兩端元件通量的比值(端通量比)加以表征，嚴(yán)重的通量失衡將產(chǎn)生污染失衡，進(jìn)而導(dǎo)致清洗頻率增加及膜性能衰減速度增加。
針對(duì)污水進(jìn)水條件，為降低系統(tǒng)污染速度，除了采用抗污染膜品種與降低系統(tǒng)通量之外，還應(yīng)努力降低濃差極化度與提高通量均衡度這兩項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，以及其他能夠有效降低污染速度的工藝措施。
筆者采用模擬計(jì)算方法對(duì)反滲透系統(tǒng)加以分析，模擬軟件采用海德能公司的反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件IMSdesign。
2、元件品種與設(shè)計(jì)通量
針對(duì)含鹽污水水源，系統(tǒng)所用膜品種應(yīng)該采用高工作壓力、寬通道甚至電中性的抗污染膜品種(例如LFC3-LD)。其中，高工作壓力指標(biāo)有利于系統(tǒng)沿程的通量均衡，0.8636mm的濃水隔網(wǎng)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帶有正電荷或負(fù)電荷性質(zhì)的有機(jī)物在膜表面的吸附性污染。
為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)水的有機(jī)污染物濃度越高，則系統(tǒng)設(shè)計(jì)通量(或稱平均通量)越低。根據(jù)反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則，以超微濾工藝為預(yù)處理的污水系統(tǒng)設(shè)計(jì)通量應(yīng)為12.6~22.3L/(m2•h)。
本研究中的設(shè)計(jì)計(jì)算以較高進(jìn)水有機(jī)物含量(如COD為50mg/L)、進(jìn)水含鹽量1500mg/L、進(jìn)水溫度25℃(一般工業(yè)污廢水的水溫較高)、系統(tǒng)回收率75%、產(chǎn)水流量20m3/h、平均通量14.9L/(m2•h)及36支8040膜元件等設(shè)計(jì)條件與設(shè)計(jì)指標(biāo)的“特定系統(tǒng)”為例展開(kāi)討論，特別是對(duì)上節(jié)所述降低污染速度的濃水回流、段間加壓、縮短流程及立式安裝等4項(xiàng)工藝措施進(jìn)行分析。
需要指出的是，由于采用低通量指標(biāo)，將使系統(tǒng)段通量比增高，而膜殼濃水流量降低。
3、濃水回流與段間加壓
針對(duì)“特定系統(tǒng)”的較高含鹽量與較高溫度，如仍然采用傳統(tǒng)的4-2/6結(jié)構(gòu)及12m流程長(zhǎng)度，則不同濃水回流量下，系統(tǒng)沿程的濃差極化度分布與膜元件通量分布見(jiàn)圖1與圖2。
由圖1、圖2可以看出，濃水回流工藝可有效提高系統(tǒng)沿程膜表面的錯(cuò)流量，有效降低系統(tǒng)沿程膜表面的濃差極化度，進(jìn)而降低系統(tǒng)污染速度。但是，因?yàn)檫M(jìn)水與給水含鹽量較高，系統(tǒng)沿程的通量失衡現(xiàn)象依然嚴(yán)重。
圖1中前后段交界處濃差極化度驟降的現(xiàn)象是因?yàn)椋合到y(tǒng)前段末元件的給濃水流量較小，濃差極化度自然較高;系統(tǒng)后段首元件的給濃水流量較大，濃差極化度自然較低。
調(diào)控系統(tǒng)沿程通量均衡程度的有效方法之一是采用段間加壓工藝。如果對(duì)于一般苦咸水淡化系統(tǒng)的段通量比指標(biāo)控制在約1.2水平，對(duì)于高污染系統(tǒng)的段通量比指標(biāo)應(yīng)放寬至約1.25水平，以降低具有更高有機(jī)污染物濃度的后段系統(tǒng)產(chǎn)水通量，即降低后段系統(tǒng)的污染負(fù)荷與污染速度，致使系統(tǒng)前后段的污染速度趨于平衡。
保持段通量比為1.25，不同濃水回流量條件下系統(tǒng)沿程的濃差極化度分布與膜元件通量分布見(jiàn)圖3、圖4。
比較圖3與圖1可知，采用段間加壓工藝可有效降低前段各膜元件的濃差極化度，但會(huì)在一定程度上抬高后段各膜元件的濃差極化度。因此，欲同時(shí)降低全系統(tǒng)的濃差極化度與提高全系統(tǒng)的通量平衡程度，需要同時(shí)采用濃水回流與段間加壓兩項(xiàng)工藝，以及各自適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)。
4、較短流程與立式結(jié)構(gòu)
比較圖4與圖2可知，段間加壓工藝可以有效降低前后兩段通量之比，即有效降低前后兩段之間的通量失衡程度，但無(wú)法控制系統(tǒng)中段內(nèi)的通量失衡。此外，膜殼的臥式安裝模式，雖然可以有效提高系統(tǒng)的占用空間，但必然會(huì)造成元件內(nèi)部承托水體一側(cè)的膜表面沉積更多的污染物，而在高有機(jī)物含量的污廢水源系統(tǒng)中，該現(xiàn)象必然越發(fā)嚴(yán)重。
借鑒超微濾系統(tǒng)中，膜組件的立式安裝有效降低了污染物沉積的污染速度，將反滲透膜殼立式安裝應(yīng)是降低膜污染速度的有力措施。屆時(shí)，系統(tǒng)沿程水體中將會(huì)有更多的有機(jī)污染物隨濃水徑流排出系統(tǒng)，而使滯留在膜表面的污染物相應(yīng)減少。
但是，如果將6支裝膜殼立式安裝，加之膜殼下端為裝卸膜元件所必須保留的空間，將要求相應(yīng)的廠房要有約9m高度。這一高度要求，對(duì)于原有廠房可能并非可行，對(duì)于新建廠房也將增加造價(jià)。因此，出現(xiàn)了較短膜殼長(zhǎng)度與較短系統(tǒng)流程長(zhǎng)度的需要。
圖5與圖6分別示出4支裝膜殼即8m流程系統(tǒng)沿程的濃差極化分步與元件通量分布。
比較圖5與圖3可知，膜殼及系統(tǒng)流程縮短之時(shí)，相同系統(tǒng)回收率與相同段通量比條件下，系統(tǒng)沿程的濃差極化度相應(yīng)上升。但是比較圖6與圖4可知，相同濃水回流量與相同段通量比條件下，12m流程(6支裝膜殼)與8m流程(4支裝膜殼)系統(tǒng)的端通量比分別為23.2/12.1=1.92與22.1/13.4=1.65，即膜殼及系統(tǒng)流程的縮短將使系統(tǒng)通量趨于均衡。換言之，短系統(tǒng)流程是以濃差極化度指標(biāo)的一定程度惡化為代價(jià)，可以得到通量均衡度的明顯效果。
5、污水系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)
將圖1~圖6中所示參數(shù)以及相關(guān)的產(chǎn)水鹽量、段殼濃水比及噸水能耗等系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行匯總，見(jiàn)表2。條件參數(shù)：1500mg/L、25℃、20m3/h、14.9L/(m2•h)、LFC3-LD。
表1數(shù)據(jù)再次表明，無(wú)論采用何種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與流程長(zhǎng)度，只有同時(shí)采用濃水回流與段間加壓工藝，才能夠降低系統(tǒng)濃差極化度與段通量比指標(biāo)，但其代價(jià)可能是產(chǎn)水鹽量與產(chǎn)水能耗的相應(yīng)增加。
相比之下，8m短流程即6-3/4結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更適合膜殼的立式安裝模式，可以有效降低系統(tǒng)污染速度，其產(chǎn)水鹽量、噸水能耗與通量失衡程度均相應(yīng)降低，但其代價(jià)是濃差極化度將會(huì)有所上升。
對(duì)于污水處理系統(tǒng)而言，段殼濃水比(即前后段膜殼濃水流量比)指標(biāo)越小，后段膜殼中的濃水流速越大，越有利于高濃度有機(jī)污染物從系統(tǒng)中排出。表1數(shù)據(jù)表明，采用濃水回流工藝時(shí)，濃水回流量越大，段殼濃水比越小，即加大濃水回流量也可在一定程度上降低段殼濃水比，但是段間加壓工藝會(huì)使段殼濃水比指標(biāo)一定程度增大?？傊瑵獠顦O化度、段通量比、端通量比、系統(tǒng)脫鹽率、段殼濃水比及噸水能耗等系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)相互聯(lián)系，又均與濃水回流、段間加壓、較短流程等工藝密切相關(guān)，欲使各運(yùn)行指標(biāo)均保持在較好水平，則要求各相關(guān)工藝取用較合理參數(shù)。
6、膜殼的立式排列模式
同為36支的膜元件系統(tǒng)，圖7中分別示出4-2/6結(jié)構(gòu)的臥式膜殼長(zhǎng)流程系統(tǒng)排列模式與6-3/4結(jié)構(gòu)的立式膜殼系統(tǒng)短流程排列模式，以及濃水回流與段間加壓的工藝流程。
臥式膜殼安裝膜元件時(shí)，總是按照給水至濃水的方向依次將膜元件推入膜殼，僅由人工操作即可完成安裝過(guò)程。不論膜元件的濃水膠圈方向即膜殼的給水徑流方向如何，立式膜殼安裝膜元件時(shí)，總是從膜殼底部向頂部方向依次將膜元件推入膜殼，只有這樣才能便于安裝兩兩膜元件之間的淡水連接器。因此，立式膜殼安裝時(shí)還需要擁有相應(yīng)的元件頂推設(shè)備。
7、結(jié)論
(1)含鹽高有機(jī)污染進(jìn)水的污水處理反滲透系統(tǒng)，應(yīng)以降低污染速度為主要工藝目的。
(2)污水系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要采用寬濃水流道的抗污染膜品種，以及較低的系統(tǒng)設(shè)計(jì)通量。
(3)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)包括高段通量比、低濃差極化度、低端通量比及低段殼濃水比。
(4)系統(tǒng)主要工藝措施包括濃水回流、段間加壓、短系統(tǒng)流程與膜殼立式安裝模式。
(5)各工藝措施的最佳相互配合，才能使相互聯(lián)系的各技術(shù)指標(biāo)達(dá)到總體優(yōu)化目標(biāo)。
(6)只有當(dāng)各技術(shù)指標(biāo)達(dá)到總體優(yōu)化的目標(biāo)，才能使系統(tǒng)具有最強(qiáng)的抗污染能力。
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