正渗透—膜蒸馏联用工艺处理高盐废水的特性研究

高盐废水是当前水处理领域的难点与热点,由于该类废水含盐量高,且往往同时含有复杂的有机物和重金属等污染物,若直接用生物法或单一膜法常常难以达到处理要求,因此寻求一种简单有效的脱盐方法具有重要的理论和实践意义.正渗透(FO)对重金属和有机物等具有较高的截留率,且膜污染小,但是其存在汲取液被稀释的问题.膜蒸馏(MD)技术理论脱盐率可达100%,在处理和浓缩高盐废水时具有很大优势,但若直接用MD处理成分复杂的高盐废水时,存在膜污染加剧的风险,严重影响出水水质.所以本研究联合FO和MD工艺处理高盐废水,可同时解决FO汲取液被稀释和MD膜污染问题,并采用响应面法(RSM)确定FO的优化工艺参数,且研究了MD的热侧温度对渗透通量和截盐率的影响;在此基础上针对上海某危废填埋场的高盐垃圾渗滤液,南京某垃圾焚烧发电厂的RO高盐浓水和绍兴某纺织印染厂的高盐印染废水等实际高盐废水,对MD运行参数进行了针对性的调整,研究了FO-MD联用工艺处理不同高盐废水的特性,最后对FO-MD系统进行了能耗分析,论文结果可为高盐废水处理提供技术参考. 本文首先选用100g/L的氯化钠溶液作为原料液(FS)来模拟高盐废水,采用响应面法中的Box-Behnken设计法(BBD),设计并运行三因素三水平实验,三个因素分别为原料液(FS)流速,汲取液(DS)流速和汲取液浓度,响应值分别为水通量(J_W),盐返混通量(J_S)和Jw/Js.再根据实验结果计算得到RSM模型,并利用Design-Expert8.0.6软件在优化模型下进行模拟实验,得到较好的FO运行参数为(此时FO两侧温度为15±0.5℃):FS流速为0.87L/min,DS流速0.31L/min,DS浓度4.82M. 然后,以FO工艺的汲取液作为MD工艺的进水,组成FO-MD联用工艺形式,研究了MD的热侧温度对渗透通量和截盐率的影响.在此基础上,分别采用联用工艺对上海某危废填埋场的高盐垃圾渗滤液,南京某垃圾焚烧发电厂的RO高盐浓水和绍兴某纺织印染厂的高盐印染废水进行了处理.结果发现:当垃圾渗滤液中盐浓度分别为25g/L和100g/L时,适宜的MD的热侧温度分别为72.5±0.5℃和62.5±0.5℃,此时FO-MD的水通量分别为6.86LMH和4.76LMH,脱盐率可达96%以上,TOC和TN的去除率高于98%,NH_4~+-N,Hg,As和Sb被完全去除,出水可达到污水排入城镇下水道水质标准(DB31/445-2009).对于RO浓水而言,盐浓度从30g/L增加到100g/L时,FO-MD的水通量逐渐下降,盐浓度的变化对RO浓水脱盐率和COD去除率影响较小(脱盐率和COD的去除率分别达到98%和91%以上),色度的去除率均能达到96%以上,出水的COD值,色度和含盐量均可达到城市污水再生利用-工业用水水质标准(GB/T19923-2005).对高盐印染废水而言,当印染废水中盐浓度分别为13.5g/L和100g/L时,适宜的MD热侧温度分别为80±0.5℃和65.5±0.5℃,此时FO和MD两侧的水转移率基本保持一致,水通量分别为21.76LMH和8.48LMH,明显高于相同盐浓度下的前两组废水,其主要原因在于印染废水中所含盐成分为Na_2SO_4,而另两组废水中所含盐主要为Na Cl,在相同质量浓度下,Na_2SO_4的渗透压要低于Na Cl,从而增加了FO膜两侧的渗透压差,提高了水通量.此时,FO-MD联用系统的截盐率均可达到99%以上,使出水的电导率降到77μs/cm以下,对铁和锰的去除率均可达到97%及85%以上,同时该工艺对COD和色度的去除率均可达99%以上,并可完全去除SS,最终经FO-MD联用工艺处理的高盐印染废水可达到纺织染整工业回用水水质标准(FZT01107-2011).对三种废水的处理结果均表明,FO-MD联用工艺在本实验条件下,适用于处理不同来源的高盐废水. 本研究最后通过对FO-MD系统能耗分析,发现在试验温度范围内,本联用工艺最低单位产水能耗为0.098KWh/kg,其它热侧温度下的单位产水能耗相对较高,但是考虑到该系统处理的是高盐废水,成分复杂,且产出水水质高,对于目前的提标排放和零排放政策的实施仍具有参考意义.