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膜集成技术在煤化工高盐废水资源化中的应用

摘要：简要介绍了纳滤膜、正渗透、电驱动膜等膜工艺，采用杭州水处理技术研究开发中心研发的膜组合集成工艺技术，对煤化工高盐废水进行分盐、浓缩、结晶制盐和制酸碱等。应用结果表明：膜集成工艺可以大幅减少蒸发量，降低蒸发器投资与结晶分盐的难度，双极膜电渗析装置可以替代蒸发结晶单元，使液体盐转化为酸碱，回收利用，实现了煤化工高盐废水的资源化，使“零液排放”达到经济可行。
关键词：煤化工高盐废水，膜集成，膜浓缩，纳滤，电驱动膜，双极膜
煤化工产业具有高污染、高耗水的特点，而水资源的严重匮乏，已经成为制约煤化工行业发展的重要因素，废水的深度回用技术及“零排放”技术对促进煤化工可持续发展具有重要意义。实现煤化工废水的资源化利用，其关键是高含盐废水的有效处理，膜技术是一种高效、低能、易操作的液体分离技术，同传统的水处理方法相比，具有处理效果好、可实现废水的循环利用及回收有用成分等优点，是废水资源化的有效技术[1]。杭州水处理技术研究开发中心有限公司（以下简称杭水）利用自身技术优势和多年积累的膜法水处理工程经验，针对煤化工高盐废水的水质特性，开发了适用于煤化工高盐废水资源化处理的高效膜组合工艺，并已成功应用于实际工程项目中。
1膜浓缩分离技术
膜技术是利用薄膜以外界能量或者化学位差作为推动力分离液体中某些物质的技术。膜技术按推动力的不同，可以分为扩散渗析膜、压力驱动膜、电位差驱动膜等。目前主要用于浓缩分离的膜技术有纳滤膜技术、反渗透（RO）技术、碟管式反渗透技术、正渗透技术、膜蒸馏技术、电驱动膜技术等。
1.1纳滤膜分离技术
纳滤膜是在反渗透膜基础上发展起来的，其孔径范围在纳米级，截留效率介于反渗透膜和超滤膜之间，截留分子量为200~1000，通常纳滤膜表面荷负电，对不同电荷和不同价离子具有不同的Donnan电位[2]。在高盐废水处理领域，可以利用纳滤的选择性，实现一二价盐的分离及高价盐溶液的浓缩。
1.2膜蒸馏技术
膜蒸馏是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种非等温的物理分离技术，采用疏水微孔膜、以膜两侧蒸汽压差为传质驱动力的膜分离过程。热侧蒸汽分子穿过膜孔后，在冷侧冷凝富集，是有相变的膜过程，同时发生热量和质量的传递。相对于其他分离过程，膜蒸馏的优点主要有：（1）对液体中的离子、大分子、胶体等非挥发性溶质，能达到100%的截留；（2）操作温度比传统的蒸（精）馏温度低，操作压力远低于反渗透过程的压力；（3）与传统的蒸馏设备相比，无蒸发器腐蚀问题，设备体积小。膜蒸馏可处理极高浓度的水溶液，在浓缩方面具有很大潜力，此外膜蒸馏是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产品的膜过程[3-4]，但膜蒸馏技术目前还处于研发阶段，工程应用案例很少，在煤化工高盐废水零排放领域尚无工程应用案例。
1.3正渗透技术
正渗透是一种自然界广泛存在的物理现象，以两种溶液的化学位差或者渗透压差本身为驱动力，实现水样由化学位高的区域（低渗透压侧）自发地传递到化学位低的区域（高渗透压侧）。利用正渗透技术中水的自发传递特点，结合易于循环使用的驱动溶液，该技术可应用于海水淡化和浓盐水的再浓缩。由于正渗透膜材料的亲水性，运行过程中无需高压驱动，因此可有效降低膜污染，适合应用于反渗透技术难以实现的废水处理中[5]，同时也可节省膜清洗的费用及化学清洗剂对环境的污染。目前正渗透技术还在研究和优化过程中，正渗透技术在废水资源化零排放中的应用案例较少。
1.4碟管式反渗透技术
碟管式反渗透是一种特种分离膜，具有较强的抗污染能力和较高的操作压力，其反渗透膜片和水力导流盘叠放在一起，与传统的反渗透相比，具有通道宽、流程短和湍流的特点。碟管式反渗透适用于高含盐量、高有机物的废水处理，如垃圾渗滤液，目前广泛应用于垃圾渗滤液处理，得到的浓缩液质量分数一般为5%~8%，通常不超过10%。
1.5电驱动膜技术
电驱动膜技术是指通过电迁移离子，将盐分离子从溶液中分离浓缩的膜技术。电驱动膜装置的核心部分是阴阳离子交换膜，该膜对溶液中的离子具有选择透过性。离子交换膜按其结构不同，又可分为异相膜和均相膜两种。
除上述普通电驱动膜技术外，还有杭水开发的选择性电驱动膜装置和双极膜装置。选择性电驱动膜装置可以实现一二价离子的分离和浓缩；双极膜装置可以将液体盐转化为酸碱，直接回收利用。
2煤化工高盐废水资源化处理工艺
煤化工高盐废水的水质特性与其生产工艺、原料等因素有关，因此，不同企业的高盐废水水质差异较大。针对不同类型的煤化工高盐废水，应采取不同的工艺路线，在技术经济可行的条件下，实现产水回用和盐分结晶的零液排放。
煤化工高盐废水中水质成分复杂，多种盐分同时大量存在，利用膜技术进行盐分分离，在处理过程中