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1 管網式反滲透膜技術

1.1 管網式反滲透膜的特點

管網式反滲透膜（spacer tube reverse osmosis, STRO）最早來自德國Rochem公司，目前主要由美國Nanostone公司生產。其膜元件採用單支膜元件獨立膜殼設計，常用25 m²的間隔管，膜元件直徑為8英寸（20.3 cm），長度為1 m。STRO擁有開放式的流道和、卷式的膜組件和無阻礙、無湍流式的進水系統。該設計克服了常見的反滲透污堵和結垢，且因其具有25 m²/支的較大膜面積，被用來替換處理垃圾滲濾液的碟管式反滲透膜。

STRO組件的膜片採用工業抗污染反滲透膜或納濾膜，格網通道採用了區別於一般卷式膜的平行格網結構，如圖1所示。卷式膜組件由膜片卷繞在中心透析管上，病通過格網形成間隔，傳統的格網為菱形結構，如圖2所示。廢水/料液通過該格網流動時並不暢通，特別是帶有一定懸浮固體（suspended solid,SS）的廢水，因此傳統的卷式膜組件需要嚴格的預處理，避免SS進入膜組件內部，發生物理堵塞現象。STRO組件的格網採用梯形結構，廢水/料液在格網形成的通道內流動，如同在管式膜內流動，阻力比菱形網格小很多；同時，內部橫向的加強筋可以增加料液流動時的紊流，降低膜的濃度極化作用，使得STRO組件的耐污染能力得到提高。

圖1 STRO組件格網

圖2 傳統卷膜格網

STRO膜組件主要技術特點包括：

（1）開放式流道，流道間距34 ~ 120 mil（約1.2 ~ 4 mm），可降低流動阻力，降低濃差極化，便於膜清洗；

（2）耐壓≥ 7.0 MPa——耐壓範圍高，可克服滲透壓，獲得高濃縮倍數。

1.2 管網式反滲透膜的回收率

STRO的反滲透系統設計一般採用大流量高壓循環的方式，因此，其回收率是一個由進水含鹽量、設計膜通量、運行壓力三個變量共同確定的值。STRO按耐受壓力分類，有7.5、9.0 MPa和12 MPa三種等級；在膜通量和膜的耐壓等級確定的前提下，金水中的總溶解固體（total dissolved solid, TDS）含量決定了STRO系統所能達到的回收率。

以7.5 MPa的膜為例，正常運行壓力以7.0 MPa計，濃水側TDS可被濃縮至80 ~ 90 g/L。若進水TDS為30 g/L，通過7.5 MPa的STRO系統濃縮，濃水可濃縮至90 g/L，濃縮倍率為3倍，即約66%的回收率。同樣的進水，若採用9.0 MPa的膜，濃水側TDS含量可被濃縮至100 ~120 g/L，濃縮倍率可提升至4倍，即約75%的回收率。同樣的進水，若使用12 MPa的膜可以達到更高的回收率，但高壓力使得系統內高壓泵、循環泵、閥門等設備的壓力等級提高，配備成本更高。目前國內還沒有12 MPa的STRO膜系統的使用案例。

1.3 網管式反滲透膜的耐COD_Cr性能

STRO最初是為處理垃圾滲濾液而設計的，因此具備開放式流道等抗污堵的性能。目前在運行或中中試中的STRO系統進出水的COD_Cr值如表1所示。某滲濾液經預處理後，水中的COD_Cr為 300 mg/L，TDS為16000 mg/L;連續經過STRO中試裝置運行14 d，產水通量維持在15 ~17 L/(m²·h)，通量無明顯衰竭。

表1 STRO系統進出水的COD_Cr

2 管網式反滲透膜的應用

2.1 管網式反滲透膜在垃圾滲濾液中的應用

與普通反滲透膜相比，STRO具有很強的抗污能力。邱端陽等採用兩級STRO工藝處理上海市老港垃圾填埋場滲濾液，其原液COD_Cr為16350 mg/L，電導率為33361 μS/cm，滲濾液經處理後TDS的取出來為92% ~ 95%，氨氮的取出來為99.2% ~ 99.5%，COD_Cr的去除率達到了99.5%以上，在出水中未檢測出SS，且反滲透膜未出現結垢和膜污染現象，試驗中一級STRO系統的回收率設定為65% ~ 75%。由此可見，STRO可被應用到零排放膜濃縮的末端，以填補普通反滲透膜及海淡膜難以耐受進水高COD_Cr的缺點。

2.2 管網式反滲透膜在零排放中的應用

2.2.1 項目介紹

陽泉煤業集團平定化工有限責任公司乙二醇項目一期工程，需對全廠 400 t/h的廢水進行回用及零排放處理。265 t/h的清凈廢水和150 t/h的廢水經過預處理後，一次經過廢水反滲透、濃水反滲透、超濃縮反滲透，各級反滲透產水收集回用作為循環水補充水，濃水經三級膜濃縮後，進入蒸髮結晶系統進行固體鹽、水分離，從而實現水的零排放。本項目為國內首個使用STRO實現高濃度鹽水提濃的項目。

2.2.2 工藝流程

該零排放項目的濃水工藝路線如圖3所示。

圖3 濃水工藝流程簡圖

2.2.3 設計參數

該工藝中設置了三種不同類型的反滲透，即一級反滲透、濃水反滲透和超濃縮反滲透。

一級反滲透進水TDS約為3500 mg/L，水量為400 t/h，設兩套壓力等級為1.8 MPa的反滲透系統，每套進水水量為200 t/h，產水水量為150 t/h，按6芯膜殼、一級兩段、23:11排列。產出濃水TDS約為14000 mg/L，進入後續濃水反滲透處理。

濃水反滲透進水水量為100 t/h，設置一套壓力等級為2.5 MPa的反滲透系統，按6芯膜殼、一級兩段、11:6排列。產出濃水TDS約為30000mg/L，經預處理後，進入後續超濃縮反滲透處理。

超濃縮反滲透進水水量為40 t/h，產出濃水TDS約為80 g/L，水量約為16 t/h，進入後續蒸髮結晶裝置。

在該項目中，濃水反滲透濃縮後的濃水經過藥劑軟化劑管式微濾膜過濾處理，其水質情況如表2所示。

表2 預處理後的濃水水質

上述預處理後的濃水，用高壓泵送入STRO濃縮裝置進行處理。選用7.5 MPa的STRO膜，分為兩套，每套進水為20 t/h，每套選用55隻膜，按回收率555 ~ 60%計，計算得到平均通量為8 ~ 9 L/(m²·h)；需要的進膜壓力約為6.0 ~6.5 MPa。經STRO裝置濃縮後，濃水的TDS達到70 ~ 80 g/L。濃縮後16 t/h的濃水進入多效蒸髮結晶系統。

2.2.4 管網式反滲透膜在零排放中的主要作用

STRO裝置在本項目中的主要作用是進一步濃縮提濃濃鹽水，以減少進入蒸髮結晶裝置的濃鹽水量。STRO裝置和蒸髮結晶裝置的主要能耗對比如表3所示。

表3 STRO和蒸髮結晶裝置主要能耗對比

由表3可知，在該項目中，STRO裝置的噸水運行電耗要比四效蒸髮結晶裝置少0.72 kW；STRO裝置除了電耗外，沒有其他耗能，而對蒸髮結晶裝置而言，電耗只是所有能耗中的一部分，主要能耗是蒸汽耗量和循環冷卻水耗量。因此，STRO裝置的運行費用要比四效蒸髮結晶裝置小很多。

3 結論

（1）STRO的開放式流道和單支膜獨立膜殼設計，使得STRO膜的抗污染性能比傳統反滲透膜理想許多。因此，STRO適合用於零排放膜濃縮的末端，解決零排放末端水因COD_Cr高而難以用普通膜濃縮的問題。

（2）從費用角度考慮，用STRO濃縮的方法，可以減少進入蒸髮結晶裝置的濃鹽水量，從而減少蒸發量，減小蒸發裝置規模。因此，應用STRO可以節約零排放項目的運行費用

來源：吳愛華