摘要：結(jié)合當(dāng)前工業(yè)高鹽廢水的來源與組成，對其處理技術(shù)的現(xiàn)狀研究及工程應(yīng)用進(jìn)行了綜述，分析了實(shí)際運(yùn)用狀況，為今后高鹽廢水的進(jìn)一步資源化處理、實(shí)現(xiàn)真正的零排放提供一定的參考。
21世紀(jì)以來，水資源短缺是全世界面臨的一個(gè)重要難題。隨著經(jīng)濟(jì)不斷提升，工業(yè)生產(chǎn)高速發(fā)展的同時(shí)大量的高鹽廢水隨之產(chǎn)生。高鹽廢水的含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于1%，除了包括cl-、so42-、na+、ca2+等溶解性無機(jī)鹽離子，還含有難處理的有機(jī)污染物以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于3.5%的總?cè)芙庑怨腆w物（tds），直接排放不僅污染環(huán)境，造成惡劣的影響，而且會(huì)浪費(fèi)許多潛在資源。如今水資源嚴(yán)重匱乏，使得研究學(xué)者們開始高度關(guān)注高鹽廢水的回收零排放技術(shù)和資源化利用，這也是今后工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的重難點(diǎn)。
1 高鹽廢水的來源與組成
工業(yè)廢水主要含有機(jī)物和無機(jī)鹽2大類，組成成分復(fù)雜，包括k+、ca2+、na+、mg2+、co32-、no32-、cl-、so42-等離子，其中na+、cl-、so42-離子占總無機(jī)鹽離子的90%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他離子。高鹽廢水常見的來源途徑有：第一，用于日常生活的海水成為含鹽生活廢水；第二，用于濱海工業(yè)生產(chǎn)的海水作為廢水排出；第三，工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含鹽廢水，這也是主要來源。例如，石油、天然氣的采集或加工、火力發(fā)電、固體燃料的加工、印染、造紙、化工等工業(yè)領(lǐng)域都會(huì)產(chǎn)生大量的高鹽廢水，其溶解物多、含鹽濃度高，甚至含有懸浮油、乳化油和溶解油等油類物質(zhì)以及甘油、中低碳鏈等有機(jī)物質(zhì)。此外，還伴隨著重金屬、氰化物、芳香族及雜環(huán)化合物等有害物質(zhì)及放射性元素等多種污染物質(zhì)?？傮w來說，工業(yè)廢水有“三高”：高有機(jī)物、高含鹽量、高硬度。
2 處理技術(shù)現(xiàn)狀
廢水集中式處理在傳統(tǒng)治理中占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于高鹽廢水成分復(fù)雜、波動(dòng)性大、毒性大，集中收集、粗放式處理反而將這些特點(diǎn)疊加強(qiáng)化，使得處理難度進(jìn)一步增大，費(fèi)用增高。因此，為了滿足嚴(yán)格的環(huán)保要求，工業(yè)廢水處理技術(shù)也在不斷改進(jìn)，日趨成熟。目前，濃縮技術(shù)、結(jié)晶技術(shù)，以及2種技術(shù)耦合協(xié)同后的技術(shù)較多地用于實(shí)現(xiàn)高鹽廢水回收零排放。根據(jù)高鹽廢水的實(shí)際情況，有時(shí)還需要在濃縮技術(shù)之前增加預(yù)處理技術(shù)，例如化學(xué)沉淀法、多介質(zhì)過濾法、離子交換樹脂法和吸附法等，以便為后續(xù)工藝提供更好的處理?xiàng)l件。作為高鹽廢水資源化處理的核心工藝，濃縮技術(shù)根據(jù)不同的處理對象和適用范圍分為熱濃縮和膜濃縮。熱濃縮技術(shù)適于處理高tds和cod高達(dá)數(shù)百克每升的廢水，通過加熱使高鹽廢水中的離子高倍濃縮，主要包括多級閃蒸(msf)、多效蒸發(fā)(med)以及機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)(mvr)。msf是將高鹽廢水加熱至一定溫度后依次引入壓力逐漸降低的容器中實(shí)現(xiàn)閃蒸氣化，冷凝后得到淡水。med是將多個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)組成多效蒸發(fā)，重復(fù)利用蒸汽從而提高效率，降低運(yùn)行成本。mvr以電能驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮并循環(huán)利用，最大程度地回收蒸汽潛能使得能耗大幅度降低。將上述3種熱濃縮技術(shù)的各項(xiàng)特征進(jìn)行對比，如表1所示。
膜濃縮技術(shù)是將壓力差、濃度差及電位差作為驅(qū)動(dòng)力，通過物質(zhì)組分與膜之間的尺寸差異、電荷排斥和物化作用實(shí)現(xiàn)廢水的分離、提純和濃縮。由于膜濃縮技術(shù)具有操作簡便、產(chǎn)水穩(wěn)定、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，近年來在廢水脫鹽中的應(yīng)用比熱濃縮技術(shù)更為廣泛，主要包括微濾(mf)、超濾(uf)、納濾(nf)、反滲透(ro)、電滲析(ed)和膜蒸餾(md)。通過膜兩側(cè)的壓力差mf能夠截留0.1~1 nm的懸浮物、細(xì)菌等物質(zhì)，uf能截留大于0.01 pm的微生物、蛋白質(zhì)等物質(zhì)。nf的孔徑和截留能力介于uf和ro之間，基于篩分效應(yīng)和道南效應(yīng)對2價(jià)陰陽離子有很高的截留率，在工業(yè)高鹽廢水的分鹽處理中具有良好的效果。ro利用膜對物質(zhì)不同的選擇透過性，達(dá)到過濾分離的作用，常用于高鹽廢水零排放中比較典型的有高效反滲透(hero)、碟管式膜技術(shù)(dtro)和振動(dòng)剪切強(qiáng)化反滲透(vsepro)。ed是將電化學(xué)與滲析擴(kuò)散結(jié)合，通過電位差對離子交換膜的作用選擇性地去除離子，得到的產(chǎn)水水質(zhì)良好，從而達(dá)到分離純化的目的。目前在化工、造紙、輕工、冶金、制藥和醫(yī)藥等高鹽廢水的處理過程中具有廣泛的使用。md是蒸餾與膜分離技術(shù)的結(jié)合，在蒸氣壓差作用下蒸氣式組分透過疏水微孔膜，冷凝后實(shí)現(xiàn)水與非揮發(fā)性物質(zhì)的分離。截至目前，已經(jīng)用于脫鹽、廢水處理等多種分離過程。將上述6種膜濃縮技術(shù)進(jìn)行對比，如表2所示。
結(jié)晶技術(shù)是工業(yè)高鹽廢水處理的最后一道工序，也是廢水零排放的關(guān)鍵技術(shù)。通常，高鹽廢水在熱濃縮或膜濃縮技術(shù)處理之后通過結(jié)晶工藝進(jìn)行固化處理，實(shí)現(xiàn)最終的固液分離。近年來，分質(zhì)結(jié)晶技術(shù)被廣泛應(yīng)用，相比蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)，不僅提高了水的回用率，而且使得混合結(jié)晶雜鹽分離，得到具有資源化利用的工業(yè)級鹽產(chǎn)品。在實(shí)際應(yīng)用過程中，需結(jié)合高鹽廢水的水質(zhì)特點(diǎn)、脫鹽工程的規(guī)模技術(shù)、投資管理的安全性以及工廠的氣候地理?xiàng)l件等，在蒸發(fā)結(jié)晶工藝的眾多組合形式中，分析優(yōu)劣點(diǎn)，確定最合適的處理方案。
3 工程應(yīng)用進(jìn)展
目前，濃縮與結(jié)晶技術(shù)已廣泛用于處理工業(yè)廢水的實(shí)際工程中，并取得了可觀的效果。vuong發(fā)明的兩級nf-nf在淡化含鹽廢水方面比傳統(tǒng)的單級反滲透系統(tǒng)節(jié)約20%～30%的成本，并在美國長灘某工廠成功地投入到實(shí)際運(yùn)用中，日產(chǎn)水量達(dá)到1 135 m3。ettouney等利用熱濃縮技術(shù)mvr法處理含鹽量3.5%的工業(yè)廢水，系統(tǒng)脫鹽率高達(dá)99.66%，tds最高不超過130 mg/l，出水水質(zhì)滿足《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》。chan等利用膜蒸餾技術(shù)和結(jié)晶技術(shù)處理ro濃縮液，清水回收率達(dá)到95%。相比熱濃縮技術(shù)和膜濃縮技術(shù)各自單獨(dú)作用，將2種技術(shù)耦合處理廢水可達(dá)到優(yōu)化的效果。工業(yè)上在med之前先經(jīng)過nf預(yù)處理，首效溫度能提高60℃（65~125℃），且沒有結(jié)垢危險(xiǎn)。turek等通過nf-ro-med-cr（結(jié)晶器）系統(tǒng)，使得鹽水淡化的回收率達(dá)到78.2%，成本降低至0.5美元/m3。hamed等提出的nf-ro-msf系統(tǒng)通過利用nf膜將海水中的結(jié)垢離子去除，使msf系統(tǒng)得到更高的首效溫度，從而提高淡水產(chǎn)水率，延長msf的使用壽命。以此為基礎(chǔ)，mabrouk等發(fā)展了nf-msf-dbm裝置，如圖1所示，中試結(jié)果表明，該曝氣與鹽水混合裝置的首效溫度能夠提升到100~130℃，造水比達(dá)到原有msf系統(tǒng)的2倍，產(chǎn)水率增加19%，同時(shí)成本降低了14%。
另外，濃縮耦合技術(shù)在回收高鹽廢水中的有效資源方面也發(fā)揮了積極作用。liu等研究用新型nf-ed集成膜技術(shù)分離鹽水中的1價(jià)、2價(jià)離子，其中ca2+、mg2+的截留率分別為40%、87%，nacl的回收率約為70%。ali等采用ro+md技術(shù)對濃鹽水進(jìn)行處理，相對于傳統(tǒng)技術(shù)而言，該工藝組合的穩(wěn)定性及出鹽品質(zhì)更好，水的回收率可達(dá)到90%以上，以達(dá)到水資源與結(jié)晶鹽回收的目的。此外，中國石油化工采用“管式微濾-多級反滲透-多級電驅(qū)動(dòng)離子膜-硝蒸發(fā)結(jié)晶-鹽蒸發(fā)結(jié)晶”的工藝路線處理粉煤氣化高鹽廢水，通過中試項(xiàng)目，得到的na2so4質(zhì)量分?jǐn)?shù)在96%以上，nacl質(zhì)量分?jǐn)?shù)在98%以上，混鹽僅占總鹽量的5%以下，成功實(shí)現(xiàn)無機(jī)鹽分質(zhì)結(jié)晶資源化。某石化工業(yè)高鹽廢水采用膜分鹽及膜濃縮高效組合集成工藝進(jìn)行分質(zhì)結(jié)晶，工藝流程如圖2所示，nacl和na2so4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到97.5%和98.6%，雜鹽產(chǎn)率小于10%，實(shí)現(xiàn)了高鹽廢水零排放與資源化利用，從而提高水資源的利用率，對經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益具有極其顯著的影響。
圍繞工業(yè)高鹽廢水零排放與資源化的目標(biāo)，工程化的處理技術(shù)需考慮工藝的選擇應(yīng)用、現(xiàn)場的設(shè)計(jì)運(yùn)行等方面，包括對預(yù)處理、濃縮技術(shù)以及分質(zhì)結(jié)晶各類工藝的分析對比，組合應(yīng)用，不斷地優(yōu)化完善，最后在中試及示范工程階段進(jìn)行長期穩(wěn)定運(yùn)行，取得具有說服力的支撐數(shù)據(jù)。
4 結(jié)語
工業(yè)高鹽廢水所含成分復(fù)雜，對處理技術(shù)的要求較高，傳統(tǒng)的技術(shù)方法很難達(dá)到“零排放”目標(biāo)。目前，通過預(yù)處理、濃縮和結(jié)晶技術(shù)的耦合與集成可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)高鹽廢水中有機(jī)污染物等雜質(zhì)的分離，以及以nacl和na2so4為主的無機(jī)鹽的分質(zhì)，得到純化結(jié)晶鹽，從而解決高鹽廢水零排放與資源化利用的難題，具有良好的應(yīng)用前景，是未來水處理技術(shù)的發(fā)展方向。
來源:《現(xiàn)代化工》
