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              反滲透技術在鹽水濃縮中的應用

              • 發布日期:
              • 來源:GWI

              隨著各國環境標準的加嚴和排放成本的持續增長,脫鹽和零排放已經成為未來必然的發展趨勢。過去由于回收率等局限,傳統的反滲透(RO)技術在鹽水濃縮方面的應用并不廣泛。但這一形勢隨著新技術的誕生正在發生逆轉,特別是在進水濃度相當高的情況下,為了替代固定支出和運營成本雙高的傳統蒸發器,近兩年有許多創新的系統設計開始陸續投入市場。

              創新的RO配置系統在較高的操作壓力(如超過1,200 psi,約8MPa)或多級系統運行下,能夠將總溶解固體(TDS)濃度高于50,000 mg/L的進水進一步濃縮至TDS濃度超過100,000 mg/L的濃鹽水,同時防止通量的下降與膜表面結垢,以保證膜的過濾能力和清潔表面均不受影響。這一過程可以顯著減少下一步進入蒸發器或蒸發塘進行處理的濃鹽水體積,實現更高的回收率。

              下圖顯示了各鹽水濃縮技術所能達到的平均TDS濃度,其中,逆流反滲透(或稱逆反滲透,Counter flow RO)能將鹽水濃縮至與蒸發器相近的濃度,也賦予了RO技術在鹽水濃縮領域更大的發展潛力。

              鹽水濃縮技術所能達到的平均TDS濃度

              技術概覽

              除了RO外,有許多新興的膜鹽水濃縮技術在過去的十至十五年間相繼推出,其中包含取得不少成功市場化應用的垂直管降膜蒸發器(VTFF),以及在市場化應用基礎上尚需進一步優化的正滲透(FO)和膜蒸餾(MD)技術等。相較于這些前沿技術,RO的優勢在于它在海水淡化領域所積累的相當成熟的應用及運營經驗。

              在將RO技術用于鹽水濃縮方面,以色列反滲透技術公司Desalitech近兩年的表現非常出色。在Desalitech一些項目的實際操作中,可將RO處理后的濃水濃度達到80,000 mg/L TDS。目前,該公司在與傳統RO系統相競爭的同時,其研發團隊也在馬不停蹄地優化產品,希望可以實現在1,800 psi的壓力下運行,并使鹽水濃度進一步濃縮至100,000 mg/L TDS。

              另一個創新的RO技術來自以色列Rotec公司所開發的Flow Reversal技術。這一技術與Desalitech相類似,通過其高回收率解決方案來替換或改造傳統的RO系統。與此同時,也有許多針對RO濃水處理的初創技術在如火如荼地研發中,有些基于批處理式模式,另一些則使用高壓。這些解決方案可以是單個系統或是多級串聯系統,主要取決于進水的濃度以及終端客戶對排水水質的要求。

              下表中列舉了目前市場上部分將RO技術用于鹽水濃縮的主導公司及其產品:

              RO技術用于鹽水濃縮的主導公司及其產品

              資料來源:GWI

              這些技術所應用的系統配置通常包含:鹽水預處理技術、定制化的膜過濾系統、新型膜清洗方案、新型鹽水排放系統、高壓操作條件、循環泵及能量回收裝置等。一般而言,限制反滲透將鹽溶液濃縮到更高倍數的主要原因,是外加壓力達到滲透壓的極限,從而導致系統無法進一步對鹽水進行濃縮。

              針對這一挑戰,目前有兩個頗具前景的新興技術,可將鹽水濃縮至高于高壓反滲透的濃度水平:

              戈潤環保(Gradiant Corporation)的逆流反滲透(CFRO,Counterflow RO)鹽濃縮蒸發技術

              土耳其Hyrec公司所開發的多級滲透輔助反滲透(OARO, Osmotically Assisted RO)鹽濃縮蒸發器

              常見的標準RO、逆流RO和正滲透FO三者的滲透原理區別如下圖所示。而這兩項技術則是通過利用不同滲透壓(正滲透與反滲透)的原理,在反滲透膜出水端添加少量鹽溶液,以維持RO膜進料端和滲透端的鹽水濃度,從而有效降低膜兩側的壓力差。通過這一新興的鹽濃縮蒸發設備和多級串聯的處理,出水濃度可高達250,000 mg/L TDS。這樣一來,系統在進行濃縮的同時,其所消耗的外加壓力也相應降低,同時實現了節能的目的。

              標準RO、逆流RO和正滲透FO三者的滲透原理

              圖片來源:Bouma / Lienhard

              澳大利亞公司Osmoflo是最早推出反滲透膜濃縮解決方案的公司之一,其鹽水濃縮濃度高于100,000 mg/L TDS。Osmoflo于2014年推出其濃鹽水處理設備OBS(Osmoflo Brine Squeezer),使用了可熱降解的涂層專用膜及新型的膜清潔技術。

              市場上也有許多技術公司采用定制化的預處理方案來應對膜結垢和污染的問題。加拿大濃水處理專家Saltworks公司CEO Ben Sparrow先生告訴GWI:“通過將我們的高壓Xtreme RO解決方案與公司的BrineRefine系統(不使用混凝劑的化學軟化)相結合,可以成功將水質調節至更加‘反滲透友好’的水平?!?/p>

              技術動態

              目前,高壓反滲透的相關技術已經取得了不少成功的市場化案例,如美國頗爾(Pall)公司的DTRO(碟管式反滲透膜技術),通過將碟片式的膜片堆疊在垂直的專有容器中,可以實現大于傳統卷式反滲透膜三倍甚至更高的回收率。這一技術目前多用于垃圾滲濾液等難處理污水的處理。

              除了碟管式的RO技術之外,杜邦水處理公司(由杜邦與陶氏合并成立)及美國海德能(Hydranautics)等膜制造商也推出了在高達1,800 psi的壓力下進行操作的新型卷式反滲透膜,以實現更高的脫鹽率。

              即使在較高的操作壓力下,與傳統的鹽濃縮器相比,這些高壓RO系統依然具有顯著的運營成本優勢,特別當應用于工業中常見的小規模項目中時,這一優勢將更加突出。據相關高壓RO系統供應商稱,與傳統的熱蒸發器相比,這些新的高壓RO系統僅需消耗約50%的能源,顯著緩解了以昂貴著稱的零排放或脫鹽系統的成本壓力。

              從短期來看,這一RO技術可以幫助進一步縮小下游所需蒸發器的容量及尺寸大小,如Saltworks公司巧妙地將RO鹽水濃縮器與其現有的蒸發-結晶技術相結合,對整套系統進行優化。Sparrow表示:“如果客戶打電話給我們說想要蒸發器,我們通常發現在我們RO鹽濃縮器的輔助下,客戶對蒸發器的需求可以由4臺降至1臺?!?/p>

              在某些情形下,使用RO鹽濃縮器甚至可以不安裝小容積蒸發器,直接將RO濃水導入結晶器進行處理。在沙特海水淡化公司(SWCC)一處理能力為100 m3/d的SWRO中試項目中,通過采用Hyrec公司的RO濃縮設備,每天可產水70立方米,剩下的濃鹽水則直接進入結晶器。

              然而,在現場有熱源可供利用的條件下,由于蒸發器所需的能耗大幅降低,RO-結晶器的系統與蒸發-結晶器的系統相比優勢并不大。但盡管如此,在工業小規模項目中,傳統蒸發器的能耗一般在35kWh/m3左右或更高。此時,能耗僅15kWh/m3的鹽濃縮器便非常具有優勢。

              本文節選并翻譯自GWI最新6月刊技術板塊(Chief Technology Officer )中的特色全球技術概覽文章(Market Map)。原文同時深度剖析了杜邦、海德能、Osmoflo、Saltmaker、Gradiant、Hyrec、Aquatech等公司在反滲透膜濃縮技術上的進展情況、在全球不同工業行業市場中的應用,以及未來技術優化的趨勢展望。

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