張玉榮，楊鴻鷹，張國輝，王麗莉

(1.陜西省工業(yè)水處理工程技術研究中心，陜西 西安 710054;2.陜西省石油化工研究設計院，陜西 西安 710054)

煤氣化廢水的主要處理工藝包括預處理、生化處理、多效蒸發(fā)以及分鹽結晶等，其中預處理主要包括沉淀、除油以及脫酚等。雖然有關技術已發(fā)展得較為成熟，不過應用較為廣泛的零排放處理工藝有著明顯的不足，穩(wěn)定性差與能耗高等[1-2]。煤氣化廢水中普遍存在難以生化降解的有機物，例如酚類、烷烴類、芳香烴類、雜環(huán)類、氨氮和氰、砒啶、烷基吡啶以及焦油、異喹啉、喹啉、咔唑、聯(lián)苯、三聯(lián)苯等物質[3]。因資源制約(有煤無水)、環(huán)境容量、產(chǎn)品需求等因素煤氣化行業(yè)普遍受到制約，推進“近/零排放”，提高水資源回用率迫在眉睫。

正滲透是近年來才出現(xiàn)的一種技術，主要優(yōu)勢是回收率高、污染小、能耗低等，具有更好的應用價值，不過現(xiàn)階段煤氣化廢水處理方面該技術的應用較為少見，有關研究也并不豐富[4-6]。本研究從TFC膜水通量與操作工藝的關系、汲取液的對比以及正滲透在煤氣化廢水零排放工藝中的技術優(yōu)勢等方面進行了探究，為煤氣化廢水處理領域正滲透技術的應用提供一定的借鑒與參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

植酸鈉(PA-Na)、NaCl、NH4HCO3、MgSO4均為分析純；煤氣化廢水，取自陜西某煤化有限公司廢水系統(tǒng)，水質指標見表1。

表1 廢水水質指標

膜組件材質PMMA,外觀尺寸250 mm×230 mm×60 mm，有效尺寸130 mm×120 mm，模式AL-FS/AL-DS；正滲透膜為聚酰胺復合薄膜(TFC膜)；BT-100無極變速蠕動泵；DHJ-CS分析天平;FE38-Standard電導率儀。

1.2 實驗方法

正滲透(FO)測試設備由項目組研發(fā)訂制，實驗水樣調(diào)節(jié)至適宜pH值，并選取適宜汲取液，使用測試設備進行相關實驗。電導率儀與計算機連接，通過監(jiān)測獲取料液質量數(shù)據(jù)，以此對水通量進行計算，對純水情況下原料液的電導率進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測所得數(shù)據(jù),對鹽反射滲透通量進行計算，范圍為10～40 ℃可調(diào)。實驗時，如未作明確說明,正滲透膜均采用AL-FS模式，也就是原料液與膜活性層接觸。

實驗水樣調(diào)節(jié)適宜pH值后加入，同時進入系統(tǒng)的還有濃汲取液，待處理水和汲取液分處膜兩側，水由低鹽一側自然地向高鹽一側滲透，內(nèi)部反復循環(huán)，汲取液被稀釋后連續(xù)排出，待處理水不斷被濃縮，直至達到目標回收率或實驗終點。

2 結果與討論

2.1 膜活性層朝向、膜面流速對FO膜性能影響

2.1.1 模式對水通量的影響 在10 cm/s膜面流速，25 ℃室溫與料液溫度兩模式下水通量見圖1。

圖1 不同模式下的水通量

由圖1可知，隨著時間的推移，水通量在兩模式下均有所降低，原因在于在時間推移的同時，原料液會不斷提高濃度，從而降低膜兩邊的滲透壓。AL-DS模式出現(xiàn)的主要是濃縮型內(nèi)與稀釋型外濃差極化；AL-FS模式出現(xiàn)的主要是稀釋型內(nèi)與濃縮型外濃差極化。膜兩邊料液主體在AL-DS與AL-FS模式下具有相同的濃度差，但前者水通量高于后者，可知后者濃差極化更為明顯，可以更好的降低滲透壓差。說明AL-FS模式為分離活性層朝向原料液，AL-DS模式為分離活性層朝向汲取液。

2.1.2 膜面流速對水通量的影響 不同膜面錯流流速下FO膜的水通量隨時間的變化見表2。

由表2可知，在AL-FS和AL-DS兩模式中，提高流速后均可增加膜通量，原因在于流速提高后，會降低滲透膜邊界厚度，對傳質起到了促進作用，使外濃差差化降低，并提高了有效推動力。在不斷提高流速的過程中，料液會更有效的完成交換，導致不斷提高膜內(nèi)外濃差均值，從而最終提高水透過通量。

表2 不同膜面流速的水通量

由表2可知，AL-DS模式下有著更為明顯的濃差極化現(xiàn)象，同時水通量更高，且濃度變化更大。在流速提高后，兩模式相比而言，會受到更為明顯的影響，從5 cm/s的流速增至20 cm/s 流速的情形下，AL-DS與AL-FS分別平均提高了28.2%與29.1%的初始水通量，可見增加操作流速會明顯影響到水透過通量。

2.2 汲取液對水通量的影響

在選擇汲取液時，要綜合考慮可操作性、經(jīng)濟性、鹽反滲透量以及水通量等因素，僅一味強調(diào)高滲透壓和高鹽截留率是不可行的[7-9]。鹽反滲透在實踐中很難有效避免，會導致汲取液濃度有所降低，進而會使實際滲透壓差低于理論值。PA-Na、NH4HCO3、MgSO4與NaCl 4種汲取液實驗結果見圖2。

圖2 不同汲取液時的水通量

由圖2可知，4種汲取液的水通量差別不是太顯著。為保持穩(wěn)定的水通量，需要定時補充汲取液，基于經(jīng)濟性角度而言，4種滲透液中最具優(yōu)勢的是NaCl溶液；基于濃縮角度而言，在對NaCl與MgSO4進行濃縮時，反滲透技術的應用較為普遍，不過由于滲透壓過高,會提高MgSO4再濃縮時消耗的能量，所以MgSO4與NaCl比較來講并不具備優(yōu)勢；如果在有可利用低質熱源的情況下，NH4HCO3可利用熱源分解而實現(xiàn)再濃縮，NH4HCO3具有較大的優(yōu)勢；經(jīng)過FO過程后的PA-Na汲取液,經(jīng)過進一步稀釋,可直接用于食品或飼料工業(yè)，也可進行回收。

2.3 工藝路線推薦及技術優(yōu)勢

反滲透濃縮液可直接進入正滲透工藝濃縮，無需過度預處理，不產(chǎn)生污泥等二次污染因素，系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定運行。同時，大幅提升水資源回用效率及減少蒸發(fā)結晶系統(tǒng)的投資及運維成本，降低蒸汽的消耗量。煤氣化廢水推薦處理工藝路線見圖3。

圖3 煤氣化廢水推薦處理工藝路線

正滲透工藝優(yōu)勢及效益如下：(1)進水要求低，省去高密沉淀池、多介質過濾器及超濾等預處理系統(tǒng)，節(jié)省占地面積，減少污泥二次污染；(2)產(chǎn)水水質穩(wěn)定，符合回用水標準，提高水回用效率；(3)相比傳統(tǒng)高壓反滲透工藝，提高水資源回用率50%；(4)運維成本低且運維難度低，智能化程度高；(5)濃縮液進一步減量，降低蒸發(fā)結晶器總投資及運行成本。

3 結論

采用正滲透(FO)技術對反滲透濃縮液進行濃縮，以反滲透濃鹽水為原料，飽和鹽水為汲取液，研究發(fā)現(xiàn)不同膜面朝向、膜面流速均對水通量有較明顯的影響；提高進料膜面錯流流速，水通量增加，流速提高對水通量影響更明顯。將汲取液選為工藝液體飽和鹽溶液，可以有效解決回收問題，有利于降低正滲透的能耗，豐富了正滲透技術的推廣應用思路。