高含盐量有机废水的反渗透处理工艺
1.含盐有机物的状况污水处理
目前，许多生活用水工程的处理水源都是各种工业污水废水，其中一些具有高含盐量和高有机物含量的特点。面对如此高有机物含量的水源，反渗透工艺前必须设置各种预处理工艺。但是，由于水源中有机物浓度高且不断变化，如果针对高有机污染物含量的工况，严格按照反渗透系统的进水水质要求来设计预处理工艺，那么预处理工艺的复杂性将很大，工程造价也很高，而实际预处理工艺的产水水质往往不能完全满足反渗透系统的进水指标要求。因此，降低反渗透工艺的进水水质标准就出现了，处理有机物的任务由预处理工艺和反渗透工艺共同承担，即反渗透系统的进水指标超过或远远超过一般苦咸水反渗透系统的进水标准。针对高盐度、高有机物的污染水源，反渗透系统的主要工艺目标自然让位于通过保证高脱盐率来降低污染速度和清洗频率，反渗透的工艺形式和膜堆结构也需要相应调整。为了表达方便，在本研究的以下部分，将含高盐度和有机物的污染水源简称为“污水”，含污水处理的反渗透系统简称为“污水系统”。
系统运行模拟软件中没有直接反映有机污染的相应指标，但间接反映污染速度的指标有浓差极化度和通量平衡度。浓差极化是膜表面滞留物浓度与浓水通道滞留物浓度的比值，比值越高，越容易形成膜污染。通量平衡是指各膜元件沿系统流的产水通量的一致性，常以系统前后两级平均通量之比(称为段通量比)和系统流前后两端元件通量之比(末端通量比)来表征。严重的通量不平衡会导致污染不平衡，进而导致清洗频率的增加和膜性能的下降速率。
根据污水的进水条件，为降低系统的污染速度，除了采用抗污染膜品种、降低系统通量外，还应努力降低浓差极化、改善通量平衡，以及其他能有效降低污染速度的工艺措施。
作者采用模拟计算的方法对反渗透系统进行分析，模拟软件采用海德能源公司的反渗透系统设计软件IMSdesign。
2.组件种类和设计流量
对于含盐污水源，系统使用的膜品种应采用工作压力高、通道宽甚至电中性的抗污染膜品种(如LFC3-LD)。其中，高工作压力指数有利于沿系统的通量平衡，0.8636mm厚水幕的通道宽度有利于提高膜元件的抗污染能力，膜表面的电中性可有效降低膜表面带正或负电荷有机物的吸附污染。
为了保证系统的稳定运行，系统进水中有机污染物的浓度越高，系统的设计通量(或平均通量)越低。根据反渗透系统的设计导则，经超滤预处理的污水系统的设计通量应为12.6 ~ 22.3 l/(m2 & # 8226；h).
本次研究中，设计计算基于进水有机物含量高(如COD为50mg/L)，进水含盐量为1500mg/L，进水温度为25℃(一般工业废水水温较高)，系统回收率为75%，产水流量为20m3/h，平均通量为14.9 L/(m2 & # 8226；h)和36个8040膜元件等设计条件和设计指标，特别是上一节提到的浓水回流、级间增压、流程缩短、垂直安装等四项工艺措施进行了分析。
需要指出的是，由于通量指数较低，系统段的通量比会增大，而膜壳浓水的通量会减小。
3.浓水回流和级间增压
根据“特定系统”含盐量较高、温度较高的情况，如果仍采用传统的4-2/6结构和12m工艺长度，不同浓水回流下的浓差极化分布和膜元件通量沿系统分布如图1和图2所示。
从图1和图2可以看出，浓水回流工艺可以有效增加系统沿膜面的错流，有效降低沿系统膜面的浓差极化，进而降低系统的污染速度。然而，由于进水和给水含盐量高，沿系统的通量不平衡仍然严重。
在图1中，前后段交界处浓差极化的急剧下降是由于:系统前段末端组分的浓差水流量小，浓差极化自然高；系统后段第一组分浓水流量较大，浓差极化程度自然较低。
控制沿系统流量平衡程度的有效方法之一是采用级间增压过程。如果一般苦咸水淡化系统的级通量比指标控制在1.2左右的水平，则高污染系统的级通量比指标应放宽到1.25左右的水平，以降低有机污染物浓度较高的后级系统的产水通量，即降低后级系统的污染负荷和污染速度，使系统前后级的污染速度趋于平衡。
维持1.25的段通量比，不同浓水回流下沿系统的浓差极化分布和膜元件通量分布见图3和图4。
对比图3和图1可以看出，级间增压工艺可以有效降低前段各膜元件的浓差极化，但后段各膜元件的浓差极化会有一定程度的增加。因此，为了降低整个系统的浓差极化，同时改善整个系统的通量平衡，需要同时采用浓水回流和级间增压两种工艺，以及它们合适的操作参数。
4.短流程和垂直结构
对比图4和图2可以看出，级间增压过程可以有效降低前后级之间的流量比，即可以有效降低前后级之间的流量不平衡，但不能控制系统中间级的流量不平衡。此外，膜壳的水平安装方式可以有效增加系统占用的空间，但必然会造成更多的污染物沉积在元件内部水体侧的膜表面，这种现象在有机物含量较高的污水废水源系统中必然会越来越严重。
借鉴超微过滤系统，垂直安装膜组件有效降低了污染物沉积的污染速度，垂直安装反渗透膜壳应该是降低膜污染速度的有力措施。届时，更多的有机污染物将随着浓缩水径流沿系统水体排出系统，滞留在膜表面的污染物也相应减少。
但如果6联装膜壳垂直安装，膜壳下端必须预留空间用于装卸膜组件，则要求相应的厂房高度在9m左右。这个高度要求对于原厂房来说未必可行，对于新厂房来说也会增加成本。因此，需要更短的膜壳长度和更短的系统处理长度。
图5和图6分别显示了沿4分支膜壳(即8m工艺系统)的浓差极化逐步和元件通量分布。
对比图5和图3可以看出，在相同的系统回收率和相同的截面通量比条件下，当膜壳和系统流程缩短时，沿系统的浓差极化相应增大。但对比图6和图4可以看出，12m流程(6包膜壳)和8m流程(4包膜壳)的末端通量比分别为23.2/12.1=1.92和22.1/13.4=1.65，即膜壳和系统流程的缩短会使系统通量趋于平衡。换句话说，短系统工艺可以在一定程度上以浓差极化指数恶化为代价获得通量平衡的明显效果。
5.污水系统运行参数
汇总图1~图6所示参数及相关系统运行指标如水盐产量、段壳浓水比、吨水能耗等，如表2所示。参数:1500mg/L，25℃，20m3/h，14.9 L/(m2 & # 8226；h)、LFC3-LD .
表1中的数据再次表明，无论采用何种系统结构和流程长度，只有同时采用浓水回流和级间增压的流程，才能降低系统的浓差极化和级间通量比指标，但代价可能是产水含盐量和产水能耗的相应增加。
相比之下，8m短流程即6-3/4结构系统更适合膜壳的垂直安装方式，可有效降低系统的污染速度，其产水产盐量、吨水能耗和通量不平衡也相应降低，但代价是浓差极化增加。
对于污水处理系统，节段壳内浓水比指标(即膜壳前后节段浓水流量之比)越小，膜壳后段浓水流速越大，越有利于高浓度有机污染物排出系统。表1中的数据表明，采用浓水回流工艺时，浓水回流比越大，段壳的浓水比越小，即提高浓水回流比也能在一定程度上降低段壳的浓水比，但级间增压工艺会在一定程度上提高段壳的浓水比指标。总之，浓差极化、段通量比、末端通量比、系统脱盐率、段壳浓水比、吨水能耗等系统运行指标是相互关联的，都与浓水回流、段间压力、流程变短等工艺密切相关。为了使各项操作指标保持在较好的水平，要求各相关工艺采用合理的参数。
6.膜壳的垂直布置方式
它是一个36分支的膜元件系统。图7中分别显示了4-2/6结构的卧式膜壳长流程系统的布置方式和6-3/4结构的立式膜壳系统的布置方式，以及浓水回流和级间增压的工艺流程。
在卧式膜壳中安装膜元件时，总是按照向浓水供水的方向依次将膜元件推入膜壳中，安装过程只需人工操作即可完成。不考虑膜元件集中水围裙的方向，即膜壳供水径流的方向，在立式膜壳中安装膜元件时，膜元件总是由下而上依次推入膜壳中。只有这样，每两个膜元件之间的淡水连接器才能容易地安装。因此，在安装立式膜壳时，需要有相应的构件顶推设备。
7.结论
(1)高盐度有机污染的污水处理反渗透系统应以降低污染速度为主要工艺目的。
(2)在污水系统设计中，首先应采用水道宽而集中、系统设计通量低的抗污染膜品种。
(3)系统的主要技术指标包括高级通量比、低浓差极化、低级通量比和低级壳浓水比。
(4)系统的主要工艺措施包括浓水回流、级间增压、短系统流程和膜壳立式安装方式。
(5)只有技术措施相互协调，相互关联的技术指标才能达到整体优化目标。
(6)只有当各项技术指标达到整体优化的目标时，系统才具有较强的抗污染能力。
(来源:中海油天津化工研究设计院有限公司、天津城建大学)
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