煤化工废水反渗透浓缩液的正渗透处理膜污染及其控制

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hrbhou
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煤化工废水的组成十分复杂,有毒有害、难降解物质的含量很高。针对煤化工废水的处理,工艺末端通常采用反渗透对其进行回用处理,而反渗透工艺不可避免地产生了一定体积的浓缩液。煤化工废水反渗透浓缩液的盐度高、色度高,且含有大量难降解有机物,需采取适当方法对其进行处理,以减轻对环境造成的不利影响,并进一步回收水资源。传统的热法浓缩面临投资大、能耗高等问题,而高效反渗透、膜蒸馏、电渗析等手段同样存在能耗高、膜污染严重等问题。正渗透工艺利用渗透压差作为水分子迁移的驱动力,具有能耗低、污染轻等特点,被广泛应用于水和废水的处理上。另外,在正渗透应用过程中,膜污染问题是限制正渗透性能的一个重要因素。然而,大多数正渗透膜污染的研究都是基于模拟废水和模拟污染物,由于组成简单,无法全面、充分地反映实际废水的膜污染过程与机理。针对以上问题,本文围绕实际煤化工废水反渗透浓缩液的正渗透处理,分析了运行参数的影响及膜污染特性,研究了膜清洗过程与机理,并采用石灰-纯碱软化和电化学氧化分别对正渗透运行过程中的无机污染和有机污染进行控制。为了对实际煤化工废水反渗透浓缩液的正渗透处理进行探究,首先考察了运行参数对正渗透性能的影响。膜朝向为AL-FS模式(活性层朝向原料液)时,水通量显著高于AL-DS模式(活性层朝向汲取液),表明膜的多孔支撑层与废水接触会造成严重的浓差极化现象和膜污染问题。对于AL-FS模式,同时发现,水回收率超过60%时,水通量会出现快速的下降,与无机污染为主导的污染模式吻合。汲取液溶质的反向扩散会改变原料液中各组分的浓度,进而影响膜污染程度,实验中考察的几种汲取液造成的无机污染严重程度为Ca Cl2>Mg Cl2>Na Cl>Na Cl+EDTA。汲取液浓度越高,水通量越高,但水通量随浓度增加的速度减缓,并且高浓度的汲取液由于膜表水分子迁移速度更快,无机污染拐点对应的回收率更低。通过与其他浓缩技术对比,发现正渗透工艺的浓缩能力与热法浓缩器接近,并远高于反渗透工艺和机械蒸汽压缩,且能耗远低于其他技术。通过扫描电镜、能谱、红外光谱、Visual MINTEQ软件等手段进一步确定了正渗透处理煤化工废水反渗透浓缩液时的膜污染以无机污染为主体。在对膜污染进行清洗的研究中,发现水力冲洗、渗透反冲洗及络合剂清洗可以有效恢复膜性能(清洗效率约为100%),而HCl清洗没有明显效果。针对正渗透处理实际煤化工废水反渗透浓缩液时无机污染严重的问题,研究了诱导结晶及石灰-纯碱软化两种控制方法。Ca SO4晶种的尺寸越小、投加量越高,则结晶过程越迅速。但正渗透工艺过程中,如果晶种尺寸过小、投加量过大,会有过多的晶种悬浮在系统中,进而对正渗透性能造成不利影响,实验中,诱导结晶仅使累积产水(水通量下降15%时)由245 m L提高到308 m L。对煤化工废水反渗透浓缩液进行石灰-纯碱软化后,Ca2+和Ba2+的去除率超过98.5%,Mg2+、Si和Sr2+的去除率超过80%。由于无机污染程度明显下降,正渗透过程的回收率由54%提高到86%,累积产水(水通量下降15%时)提高到4490m L。同时,软化污泥产量为5.6 kg/m~3废水,其中Ca CO3纯度约为92.2%,有较高的回收价值。在石灰-纯碱软化的基础上,正渗透过程的无机污染明显减轻,膜污染转变为以有机污染为主。为进一步去除废水中的有机污染物,减轻膜的有机污染,考察了电化学氧化的效果。在直接氧化和·OH及活性氯的间接氧化作用下,COD去除率在90%左右,并且有效减缓了正渗透过程中有机污染造成的水通量下降。三维荧光光谱和凝胶渗透色谱结果表明,各类荧光物质的去除率都超过95%,大分子(>5000 Da)和中分子(1000-5000 Da)有机物分别去除62.6%和52.2%,而小分子(<1000 Da)去除率较低,仅有13.0%。通过经济评价对比EO-FO(电化学-正渗透)和FO-EO(正渗透-电化学)两种工艺顺序,发现后者总投资更高,主要由于FO-EO工艺顺序中废水未经电化学预处理,正渗透过程的膜污染严重,膜清洗的投资比重过高。本文围绕实际煤化工废水反渗透浓缩液的正渗透处理,阐释了膜污染过程与膜污染机理,提出了有效的膜清洗方法,并通过石灰-纯碱软化和电化学氧化分别对正渗透运行过程中的无机污染和有机污染进行了有效的控制,推动了正渗透在煤化工废水反渗透浓缩液处理领域的应用。
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