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    • 純水技術(shù)之《超濾-反滲透-電滲析組合工藝》

    • 來(lái)源：公司官網(wǎng) 發(fā)布日期：2014-09-10 14:39:27 瀏覽次數：2392
    • 一、前言
          我所于七十年代起開(kāi)展用“四臺電滲析器”和“電滲析器-填充床電滲析器”兩個(gè)流程來(lái)處理放射性廢水，獲得了成功。但也發(fā)現在處理本所放化實(shí)驗室排除的放射性廢水時(shí)，效果不理想。主要是該廢水中，組分復雜，特別是含有的有機大分子、絡(luò )合物等，很難用電滲析工藝去除，影響了凈化效果[2]。
          近年來(lái)，我們研制了YM型磺化聚砜超濾膜，并做了超濾膜處理放射性廢水的探索試驗[3]。對反滲透處理放射性廢水的方法也作了研究[4]。在此基礎上，綜合各種處理手段的優(yōu)點(diǎn)，提出了用超濾（UF）－反滲透（RO）－電滲析（ED）組合工藝（簡(jiǎn)稱(chēng)URE流程）處理低水平放射性廢水的新工藝。
      二、流程與設備
          處理低放廢水URE流程見(jiàn)圖1。采用本所研制YM型內壓管式超濾器（磺化聚砜超濾膜，截留分子量為2萬(wàn)），膜面積1.5m2，純水通量250L/h，（壓力0.25Mpa）。反滲透器為海洋二所研制的HRC型中空纖維組件，膜面積40m2，純水通量270L/h（壓力1.3Mpa）。電滲析器為400mm×800mm，一級一段，膜對40對，由本所組裝。
          放化實(shí)驗室排出的低放廢水進(jìn)入沉降槽，靜止澄清24h后，上清液放入超濾原水槽，經(jīng)超濾處理后，滲透液進(jìn)入中間槽。同時(shí)啟動(dòng)反滲透器和電滲析器，反滲透器進(jìn)一步脫鹽和去污，滲透液可直接排放或流入混床進(jìn)一步處理。電滲析起濃縮作用。超濾和電滲析處理的最終濃縮液留待固化處理。三個(gè)單元均采用循環(huán)式操作。
      三、全流程冷試驗運行
      冷試驗累計運行147.5h，共處理模擬廢水14m3。模擬廢水按實(shí)際放射性廢水組份配制，
      具體配方為：NaHCO3 60mg/L，NaNO3 146mg/L，NaCl 128mg/L，CaCl2 88mg/L，MgCl2 71mg/L，
      Na2SO4 7mg/L，30%TBP-煤油50mg/L，機油50mg/L，洗滌劑50mg/L。冷試驗運行情況分述如下：
      圖1  URE流程圖
      1． 超濾單元
          在URE流程中，UF作為預處理除去大部分有機物和大分子物質(zhì)，以保證RO的進(jìn)水要求，提高ED的濃縮效果。
      ⑴脫鹽效果
          與普通超濾膜不同，由于磺化聚砜超濾膜是荷電的，因而具有一定的脫鹽能力。但脫鹽率隨原水中含鹽量的增加和pH值的下降而降低（表1）。
      表1  原水含鹽量、pH對脫鹽率的影響
      原水含鹽量（mg/L）
      原水pH值
      滲透液含鹽量（mg/L）
      脫鹽率（%）
      980
      6
      899
      8.3
      1010
      5
      938
      7.1
      1050
      4
      1000
      4.8
      ⑵影響通量的因素
          原水的組成、濃度和溫度都影響UF的通量。當原水不含有機物（指沒(méi)有加入機油、洗滌劑等）和含有機物時(shí)的通量分別為73.87L/m2h和58.30L/m2h。此外隨著(zhù)料液濃度的提高，通量逐漸下降。而隨著(zhù)料液溫度的提高，通量逐漸增加。
      ⑶濁度和化學(xué)耗氧量的變化
          經(jīng)超濾后，廢水的濁度大大下降，確保了反滲透的進(jìn)水要求。廢水COD值下降表明，大部分有機物已被去除，使下游工藝處理更易進(jìn)行（表2）。
      表2  濁度COD值的變化
      原水濁度（mg/L）
      滲透液濁度（mg/L）
      平均去濁率
      （%）
      原水COD
      （mg/L）
      滲透液COD
      （mg/L）
      COD平均下降率
      （%）
      66～1575
      0～1
      99.9
      248～1428
      65～87
      80.2
      ⑷膜的清洗方法試驗
          隨著(zhù)運行時(shí)間的延長(cháng)，超濾通量逐漸下降，試驗用化學(xué)清洗法、海面球機械清洗法及其結合的方法來(lái)清洗，以恢復通量（圖2）
          采用化學(xué)清洗法可較好地恢復通量，但再次運行時(shí)通量衰減較快，且有兩次廢液產(chǎn)生。而海面球機械清洗時(shí)，只要將球洗閥門(mén)旋轉180度，使存放于閥門(mén)內的海面球隨料液進(jìn)入管膜內，海面球擦洗膜面后又回歸入球閥內待用。清洗后的起始通量雖不如化學(xué)清洗法高，但通量可在較長(cháng)時(shí)間內保持穩定。該方法簡(jiǎn)單，不影響生產(chǎn)，不產(chǎn)生兩次廢液，適合于放射性廢水處理時(shí)采用。
      圖2  清洗試驗效果比較
      1.化學(xué)清洗后通量；2.化學(xué)清洗后再球洗的通量；3.球洗后通量
      2． 反滲透單元
          在URE流程中，RO用作深度凈化。試驗中對RO在流程中的位置及其他影響因素作了探索。
      ⑴反滲透在URE流程中的位置
          在起初的設想中，URE流程為：UF-RO-ED，廢水經(jīng)超濾處理后，進(jìn)入反滲透，由反滲透脫鹽并濃縮2倍后，再由電滲析作進(jìn)一步濃縮。但試驗發(fā)現，當反滲透的進(jìn)料液含鹽量由于濃縮而增加時(shí)，其脫鹽率下降，滲透液的含鹽量也提高，加重了尾端處理的負擔。為更好地發(fā)揮反滲透的作用，將其位置改為：UF-ED-RO，即經(jīng)超濾處理后的料液先由電滲析脫鹽，使料液含鹽量降至500mg/L時(shí)，再由反滲透作進(jìn)一步脫鹽，經(jīng)試驗改動(dòng)后，反滲透的脫鹽率可穩定在85%。
      ⑵通量變化
          在起始的40h運行中，RO的通量從141L/h降至112L/h（1.3Mpa），但在以后的100多小時(shí)運行中通量基本保持穩定，不再下降?？梢哉J為由于采用UF作為預處理手段，RO膜受污染的程度大大降低。初始階段的通量下降是由于膜的壓密效應引起的。
      3． 電滲析和離子交換單元
          電滲析和離子交換在URE流程中主要分別作為濃縮和后級深度凈化（表3，4）。
      表3  電滲析和離子交換單元冷試驗結果
      工藝單元
      進(jìn)料液含鹽量mg/L
      滲出液含鹽量mg/L
      脫鹽率
      %
      最濃水含鹽量mg/L
      濃縮倍數
      電流效率
      %
      電滲析
      1510
      1342
      11.1
      7.5×104
      49.7
      45.2
      離子交換
      280
      1
      99.6
       
       
       
      表4  URE流程冷試驗結果匯總
      工藝單元
      平均處理量（L/h）
      平均脫鹽率
      （%）
      COD平均下降率
      （%）
      濃縮倍數
      體積*
      濃縮比
      超濾
      70
      6.9
      80
       
      56
      反滲透
      90
      85.7
      82.5
       
       
      電滲析
      75
      11.1
       
      49.7
       
      離子交換
      90
      99.6
       
       
       
      總計
       
      99.9
      93.6
      49.7
      46.7
      *體積濃縮比=進(jìn)料液體積/濃縮排污液體積
      四、放射性廢水處理試驗
          在全流程冷試驗運行的基礎上，進(jìn)行了低放廢水的處理試驗。低放廢水來(lái)自本所放化實(shí)驗室實(shí)際污水，廢水比放為7.4kBq/L，核素主要90Sr-90Y和137Cs，廢水含鹽量為800mg/L，為進(jìn)一步驗證膜對有機物的去除能力，仍向廢水中加入與冷試驗時(shí)相同的有機組份。熱試驗總計運行了104.5h，處理放射性廢水7.5m3。試驗中對反滲透單元的進(jìn)水濃度對脫鹽、去污的影響作了進(jìn)一步測定，對高價(jià)離子的去除情況也作了分析。
      1． 原水含鹽量對反滲透單元去污率的影響
          同冷試驗結果相同，當原水含鹽量較高時(shí)，RO脫鹽率下降，去污率也下降。通過(guò)先啟動(dòng)ED，使RO的進(jìn)料液含鹽量保持在500mg/L左右時(shí)，RO脫鹽率可達90%以上，去污率也提高到95%以上（表5）。
      表5  原水含鹽量對反滲透單元去污率的影響
      原水含鹽量（mg/L）
      滲透液含鹽量（mg/L）
      脫鹽率
      （%）
      原水放射性計數（cpm）
      滲透液放射性計數（cpm）
      去污率
      （%）
      1650
      860
      47.9
      6.54
      0.50
      92.4
      445.4
      48.2
      89.2
      7.16
      0.20
      97.2
      2.對高價(jià)離子的去除效果
          熱試驗中測定了UF和RO對廢水中Ca2+、Fe3+離子的去除率（表6）。
          結果表明：UF和RO對二價(jià)離子的去除率都高于對混合離子的去除效果。對價(jià)態(tài)較復雜、價(jià)態(tài)較高的鐵離子的去除率接近100%，表明了膜分離方法去除高價(jià)的復雜離子是極為有效的。
      表6  超濾、反滲透對Ca2+、Fe3+的去除效果
      工藝
      單元
      原水混合離子含量
      （mg/L）
      滲透液混合離子含量
      (mg/L）
      混合離子去除率
      （%）
      原水Ca2＋
      含量
      (mg/L）
      滲透液Ca2+含量
      (mg/L）
      Ca2＋去除率
      （%）
      原水
      Fe3＋
      含量
      (mg/L）
      滲透液Fe3＋
      含量
      (mg/L）
      Fe3＋去除率
      （%）
      超濾
      740
      660
      10.8
      57.8
      46.4
      19.7
      0.13
      0
      ～100
      反滲透
      445.2
      48.2
      89.2
      22.9
      1.14
      95.0
      0.23
      0
      ～100
      3.全流程去污效果
          全流程熱試運行中，用β-弱放射性測量裝置測定總β，HP-Ge探頭S-85多道分析器系統測總γ，每2小時(shí)取樣測量一次，URE流程的去污效果及用熱釋光方法測定3H的情況見(jiàn)表7。
          URE流程熱試驗的結果表明：放射性的去除主要依靠反滲透（總β和總γ的去污率分別為95.0%和93.7%）。該流程對3H無(wú)去除效果。表中最高劑量積累是在超濾和反滲透裝置的一固定區域內，定時(shí)用β-γ輻射儀檢測其放射性強度，發(fā)現熱試期間最高劑量始終沒(méi)有超過(guò)7.74×10-6c/kg，表明超濾器和反滲透器不會(huì )引起劑量積累。
      4．     全流程評價(jià)
          根據全流程的冷、熱試驗結果，對URE流程作出如下評價(jià)：
      ⑴超濾工藝取代了原流程中的凝聚沉降，減少了固體廢物的處置設備，廢水體積減縮比高，運行穩定，操作方便。超濾對廢水中有機物去除效果明顯，出水濁度低，滿(mǎn)足了反滲透的進(jìn)水要求，改善了下游工藝的凈化效果。采用海棉球機械清洗的方法，可適當恢復其通量，清洗時(shí)不影響生產(chǎn)，不產(chǎn)生兩次廢液。
      表7  URE流程去污效果
      工藝單元
      脫鹽率
      （%）
      總β比放（Bq/L）×103
      進(jìn)液      出液
      總β
      去污率（%） 去污因子
      總γ（Bq/L）
      進(jìn)液   出液
      超濾
      9
      8.88
      5.74
      35.4
      1.5
      190
      170
      反滲透
      84.9
      2.28
      0.114
      95.0
      20.0
      58.50
      3.70
      電滲析
      18.8
      2.30
      1.35
      41.3
      1.7
      58.50
      44.40
      離子交換
      98.4
      0.144
      0.00276
      98.1
      52.2
      3.70
      0.81
      URE流程
      99.83
       
       
      99.97
      3200
       
       
       
      工藝單元
      總γ
      去污率（%）  去污因子
      濃縮
      倍數
      最高劑量
      率積累
      （c/kg）×10-6
      各單元滲出液
      3H比放
      （Bq/L）×106
      超濾
      10.5
      1.1
      11.8
      7.74
      4.81
      反滲透
      93.7
      15.8
       
      7.74
      4.66
      電滲析
      24.1
      1.3
      45.8
       
      4.88
      離子交換
      78.1
      4.6
       
       
      4.66
      URE流程
      99.57
      234.6
      45.8
       
       
      *原水的3H比放為4.77×106，最濃水的3H比放為4.55×106。
      ⑵反滲透代替電滲析和填充床電滲析淡化效果顯著(zhù)（表8）。在實(shí)際使用中反滲透的安裝和運行要比電滲析或填充床電滲析簡(jiǎn)便得多。反滲透既可除去離子，也可除去復雜的大分子等物質(zhì)，使凈化效果提高。本試驗中采用的反滲透器為低壓型，在含鹽量升高時(shí)其脫鹽率和去污率下降，如在今后的試驗中選用高壓或中壓型反滲透器，可望克服這一弱點(diǎn)，并可進(jìn)一步提高脫鹽、去污能力，以省去后級的離子交換單元，使流程更簡(jiǎn)化。
      表8  電滲析與反滲透去污效果比較
      設備名稱(chēng)
      脫鹽率（%）
      出液比放（Bq/L）
      去污因子
      淡化電滲析器（兩臺串聯(lián)）
      98.4
      140.6
      39.0
      淡化電滲析器（第三臺）
      97.0
      66.6
      2.1
      填充床電滲析器
      99.6
      62.9
      16.3
      反滲透器
      84.9
      113.9
      20.0
      ⑶將四臺電滲析器流程、電滲析-填充床電滲析器流程及URE流程在處理本所放化實(shí)驗室廢水的情況作一比較。顯然URE流程具有較高的去污能力（表9）。
      表9  三種流程處理低放廢水去污效果比較
      流程名稱(chēng)
      廢水比放（Bq/L）
      去污因子
      濃縮倍數
      四臺電滲析器
      4.59×103
      72
      ＞100
      電滲析-填充床電滲析器
      1.75×104
      280
      ＞100
      URE
      8.88×103
      3200
      45．8

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