利用电渗析和反渗透耦合处理高盐废水的研究
Treatment of high salinity wastewater by electrodialysis coupled with reverse osmosis
通讯作者:
收稿日期: 2020-08-6
基金资助: |
|
Received: 2020-08-6
作者简介 About authors
郝亚超(1982-),博士电话:13652163436,E-mail:
The high salinity wastewater discharged from a chemical enterprise was treated by electrodialysis and reverse osmosis coupling technology. The effects of electrodialysis voltage, make-up water flow and reverse osmosis recovery rate on the treatment results of high salt wastewater were investigated. The results showed that concentrated brine with TDS of 185.32 g/L and fresh water with TDS of 10 mg/L without TOC could be obtained from the treated high salinity wastewater, which could be reused in chlor alkali industry and reclaimed water system respectively.
Keywords:
本文引用格式
郝亚超, 张成凯, 李亮, 刘祺, 郝润秋, 付春明, 肖彩英, 李亚宁, 周立山.
Hao Yachao.
笔者在辽宁葫芦岛某化工厂原有生化处理工艺的基础上,采用以高效电渗析装置为核心的ED-RO工艺,开发适用于化工行业高盐水的资源化回收利用新技术,以期为实现化工行业“清洁生产”提供参考。
1 实验部分
实验所用原水为氯醇法环氧丙烷装置工艺出水,pH为6.5,含盐量约为51.2 g/L,盐型为氯化钠,钙离子、镁离子、悬浮物含量分别为46.49、6.62、225.4 mg/L。
本研究预处理系统采用管式微滤膜(TMF)与树脂吸附技术。TMF选用美国POREX公司生产的MME3005601VP管式微滤膜膜装置,膜元件数量为24支,总膜面积3.36 m2,过滤孔径0.05 μm;树脂采用天津允开001×7型弱酸性阳离子交换树脂,装置尺寸D 300 mm×1 650 mm,树脂填充量60 L。电渗析装置为两级,选用钛涂钌电极,隔板厚度1 mm,日本astom单价离子膜,每级膜面积均为30 m2,极室与浓缩室均配有在线pH仪,控制加酸计量泵,维持其正常pH范围;反渗透装置选用陶氏反渗透膜SW30HRLE-4040,6芯一级串联排列,采用南方泵业轻型立式多级离心泵CDLF1-36为反渗透进水泵。
1.1 实验流程
实验流程如图 1所示。
图1
原水依次泵入TMF、树脂装置后,分别去除悬浮物及钙、镁等杂质离子后作为一级ED原水,一级ED产生的脱盐水和浓缩液分别作为RO进水和二级ED进水。二级ED产生的浓缩液进入氯碱工序,二级ED产生的脱盐水进入臭氧氧化装置,最终返回原水箱。RO浓缩液经臭氧氧化后返回原水桶,RO产生的淡水可工厂回用等。ED-RO系统启动时,极水是质量分数为3%的硫酸钠溶液,浓缩室、脱盐室和电极室经离心泵独立循环流动。为得到纯度更高的NaCl,ED系统膜片采用单价离子膜。
1.2 分析方法
钙、镁采用EDTA自动点位滴定法,TOC采用德国Elementar vario TOC总有机碳分析仪测定,TDS按照《工业用化学品具有高溶解性的固体和液体水溶性测定》(GB/T 27841—2011)中规定的方法进行测定。
2 结果与讨论
2.1 预处理流程
原水中的Ca2+、Mg2+、悬浮物经预处理后分别由46.49、6.62、225.4 mg/L降至0.02、0.001 4、0.23 mg/L,达到后续进膜水质要求,减少膜结垢的风险,延长膜运行周期,并大大节约了系统运行成本。
2.2 电渗析浓缩过程
2.2.1 电压对电渗析浓缩过程的影响
考察了电压对电渗析浓缩的影响,电压设定为35、40、45、50、55 V,两级电渗析补水流量均设为500 L/h,各室循环流量2 500 L/h,运行参数稳定后,开始取样,结果见图 2。
图2
与二级电渗析相比,一级电渗析处理难度较低,因此重点分析二级电渗析出水水质。由图 2可知,随着电压的升高,二级电渗析浓缩液含盐量和硬度逐渐增高,脱盐水含盐量逐渐降低。这主要是因为随着电压升高,电场力增加,离子迁移速率提高,浓缩液含盐量逐渐上升,但随着电压升高,浓缩液含盐量的增幅逐渐减低,原因主要有三:一是随着电压的升高,稳定电流逐渐升高,各室的产热反应上升;二是随着浓缩液和脱盐水含盐量差逐渐加大,ED膜的渗透压逐渐升高,电场力需要克服的阻力提高,电迁移效果减弱;三是随着ED膜两侧的渗透压差增大,存在部分水迁移至浓室现象。单价离子膜对于二价离子无法实现完全截留,导致二级浓缩液中钙镁含量也相应提高。综合考虑,当电压达到50 V时,为最佳实验操作条件,二级电渗析浓室盐质量浓度达到185.32 g/L,钙、镁质量浓度分别为74.87、4.2 μg/L,悬浮物质量浓度为0.73 mg/L,通过补加氯化钠,达到企业一级精制盐水标准,可用于氯碱工业;一级电渗析淡水盐质量浓度为24.8 g/L。
2.2.2 补水流量对电渗析浓缩的影响
考察了补水流量对电渗析浓缩的影响,补水流量设定为300、400、500、600、700 L/h,两级电渗析电压均设为50 V,各室循环流量2 500 L/h,运行参数稳定后,开始取样,结果见图 3。
图3
由图 3可知,电压设定为50 V,随着补水流量的增加,系统稳定后二级电渗析浓缩液含盐量和钙镁浓度基本保持不变,但有微弱提升,一级电渗析脱盐水钙、镁及含盐量均逐渐上升。这主要是因为电压不变,单位时间离子迁移数量保持不变,浓缩液的含盐量保持不变,脱盐水的含盐量上升。但随着脱盐水含盐量上升,淡室电阻减小,膜两侧渗透压差降低,电迁移速率微弱增加,浓缩液的含盐量随即上升。综合考虑,最佳补水流量为500 L/h,得到钙、镁质量浓度分别为3.4、0.4 μg/L,悬浮物质量浓度为0.73 mg/L,盐质量浓度为25 g/L的一级淡水,将其作为原水,进入反渗透单元中。
2.3 反渗透浓缩过程
2.3.1 回收率对反渗透浓缩的影响
保持进水pH为6.5,进水流量为500 L/h,投加3 mg/L的THY-142型有机膦阻垢剂,考察了回收率对RO浓缩液TDS的影响,回收率设定为40%、45%、50%、55%、60%,运行参数稳定后,开始取样,结果见图 4。
图4
由图 4可知,进水流量一定,随着回收率的升高,RO浓水TDS也随之增加,但运行压强也会相应增加,导致系统能耗上升,当回收率为50%,压强达到3.8 MPa,RO浓水含盐量达到51.3 g/L,钙、镁质量浓度分别为1.2、0.1 μg/L,悬浮物质量浓度为0.04 mg/L,反渗透膜可有效截流钙、镁及悬浮物杂质,浓水含盐量与原水水质含盐量相似,可回至原水箱内。
2.3.2 进水流量对反渗透浓缩液TDS的影响
保持进水pH为6.5,投加3 mg/L的THY-142型阻垢剂,回收率50%,考察了进水流量对RO浓缩液TDS的影响,设定进水流量为300、400、500、600、700 L/h,回收率设为50%,运行参数稳定后,开始取样,结果见图 5。
图5
由图 5所示,回收率一定,随着进水流量的升高,RO浓水TDS含量随之增加。原因可能为,随着进水流量的升高,进膜压强上升,反渗透膜产生压密效应,导致浓水TDS与进水流量呈正相关。进水流量为500 L/h时,反渗透运行压强达到3.8 MPa,RO浓水TDS达到51.2 g/L,淡水TDS为10 mg/L,TOC为0,达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920—2002),可回用于工厂中水系统。
2.4 长周期运行实验
长周期运行实验结果见图 6。
图6
由图 6可知,通过长周期运行实验,进水pH保持为6.5,电渗析操作电压为50 V,补水流量500 L/h,各室循环流量2 500 L/h,当运行时间达到70 d左右时,交换膜的表面或内部被堵塞,引起膜电阻增大,使隔室水流阻力升高,浓水含盐量降低,采用质量分数为2.0%的柠檬酸和0.1%的氢氧化钠进行化学清洗,膜性能可恢复至正常值的98.5%。反渗透运行压强保持为3.8 MPa,压降为0.24 MPa,投加3 mg/L的THY-142型阻垢剂,当运行时间达到60 d左右时,反渗透系统压差明显升高,产量降低,采用pH=12的氢氧化钠和质量分数为0.2%的过氧化氢/过乙酸进行化学清洗,膜性能可恢复至正常值的97%,由于反渗透进水为高盐废水,回收率达到50%,对膜寿命会造成一定的影响。
3 结论
原水经TMF及树脂吸附预处理后,在电压50 V,补水流量500 L/h,各室循环流量2 500 L/h操作条件下,经电渗析浓缩,得到二级浓缩液含盐量达到185.32 g/L,钙、镁质量浓度分别为74.87、4.2 μg/L,悬浮物质量浓度为0.73 mg/L,通过补加氯化钠,达到企业一级精制盐水标准,可用于氯碱工业;得到盐质量浓度25 g/L,钙、镁质量浓度分别为3.4、0.4 μg/L,悬浮物质量浓度为0.73 mg/L的脱盐水,经回收率为50%的反渗透处理,得到TDS为10 mg/L、不含TOC的淡水,达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920—2002)要求,可回用于工厂中水系统,反渗透浓缩液与二级电渗析脱盐水各组分与原水相似,可返回原水箱。本研究实现高盐废水的资源化利用,并为实际工程的设计提供技术参考。
参考文献
Bench-scale testing of nanofiltration for seawater desalination
[J]. ,DOI:10.1061/(ASCE)0733-9372(2007)133:11(1004) [本文引用: 1]
Alternative design to dual stage NF seawater desalination using high rejection brackish water membranes
[J]. ,
Start-up and microbial communities of a simultaneous nitrogen removal system for high salinity and high nitrogen organic wastewater via heterotrophic nitrification
[J]. ,DOI:10.1016/j.biortech.2016.05.064 [本文引用: 1]
/
〈 | 〉 |