摘要：燃煤发电脱硫废水硬度高，振动膜的宽进液通道和膜面大剪切力可防止表面结晶，节省了投加药剂去除硬度的单元，大幅减少蒸发废水量，降低蒸发器的投资成本，提高了脱硫废水“零排放”的经济可行性。
燃煤发电脱硫废水处置及要求
国家对已建和新建的燃煤发电站要求废水实行“零排放”。脱硫废水是燃煤发电站最恶劣的废水。该废水从处理到循环回用，通常分为三段:第一段絮凝沉淀、加药除硬;第二段过滤分离悬浮物;第三段是蒸发固化，通常采用多效蒸发或MVR加结晶器。图1为脱硫废水“零排放”主要工段示意。
烟气脱硫一般采用石灰石-石膏湿法，其效率高、可靠性高，被燃煤电厂普遍采用。脱硫废水pH一般为微酸性、悬浮物约30 000mg/L、含微量重金属、固含量约30 000~40 000 mg/L。蒸发结晶对进水硬度有严格要求，为保结晶顺利，硬度越低越好，通常要求低于200 mg/L。因此会加入碳酸钠把硬度沉淀，以溶解度高的Na+离子交换溶解度低的Ca2+离子，防止蒸发器结垢。
蒸发技术一般采用多效蒸发或机械式蒸汽再压缩技术(MVR)，对硬度指标要求同样高。MVR是现时效率最高的蒸发技术，但投资和营运的费用仍高。如何能在第三阶段提高浓缩比，减少蒸发量成为当务之急。
蒸发工段的投资和运行成本
蒸发回收是整个零排放工艺要求的最终环节。因氯离子含量高，一般钢材腐蚀严重，需使用钛金属或其它特殊合金，制造成本高昂。近期，业界多采用MVR。具规模的MVR建造成本约100万元/h/t。除了建造成本，运行成本也是重要考虑因素。MVR使用蒸汽再压缩技术，提高蒸汽使用率，极具效益的MVR进液蒸发成本约60~80元/t。
膜浓缩的困境
为降低蒸发量，有些厂家采用RO膜技术进行浓缩。脱硫废水硬度达到30 000mg/L，会对膜进口和膜表面产生严重堵塞。因此必需投加药剂来除去硬度。去除脱硫废水的硬度，药剂费用高达20~30元/t，还会产生大量的含重金属污泥，增加处置费用。
卷式RO膜不能再提高浓缩比主要有两个原因：第一是卷式RO膜的进入通道窄;第二是膜面剪切力不足，而且不是高渗透压。膜进口结垢堵塞状况照片见图2。
通道结构
卷式RO膜组的进口空隙是膜层间隔离层的厚度，距离只有约0.5 mm。有些RO膜组采用较大厚度的隔离层，但在高硬度的应用上效果不是很明显。不同盐的溶解度各有不同，单价盐，如钠、钾的氯盐溶解度很高，双价盐如钙、镁盐的溶解度却非常低。当钙、镁盐进入RO膜，加上胶状COD，很容易累积在进口，产生堵塞。解决方法较简单——把膜与膜之间的空隙扩大。市面上采用平板膜设计的一般都可解决通道结构问题。
膜面结晶
膜面结晶是RO膜应用的重要议题。结晶理论通常把结晶状态分为粒状结晶和膜面结晶。当溶液达到溶解度极限范围，分子相互碰撞便会产生晶体。晶体是不溶解的粒状固体。晶体随水流方向压到膜面上。粒状晶体堆在膜面比较松散，或随着水流冲到浓液出口，因此粒状结晶不会对膜通量带来太大影响。图3为粒状结晶。
膜面结晶是盐水在通过膜面时进行脱盐。水被压过膜产生清液，膜面瞬时在高盐浓度下结晶。因高盐分平均分布在膜面，晶体从膜面向外生长，成为一层很坚固的晶体，覆盖在膜面，而且与膜面相结合。通常，结晶先从低溶解性的盐分开始，如钙、镁离子。钙、镁盐溶解度非常低，虽然含量相对较低，但几乎无法在不破坏膜的前提下能清洗掉恢复通量。
振动膜工作原理及特点
振动膜的原理是针对这两个成因来设计的。振动膜主要有两个主要部分，膜组和使膜组产生往复运动的振动机械。膜组里是圆形的平板膜，膜片可按需求选用不同精度的膜材。膜片与膜片间隙比较大，有3 mm，进口通道比较宽，不容易在进口位置产生结垢。进液收到压力从进口流到浓液口。在进料泵压力下，清液通过膜片，盐分被截留。膜组剖面示意见图5。
整个膜组坐在一组振动机械上。振动机械采用马达和偏心轴承结构，产生约50 Hz的频率传到整个膜组。膜面往复振动，在膜面产生强大剪切力，盐分难以停留在膜面，防止膜面产生表面结晶。在高盐浓度下，结晶和未结晶的盐分被推到浓液口外排。振动机械示于图6。
这两项设计使脱硫废水可以在不除硬前提下进行浓缩。按现时的经验，振动膜浓液TDS可达90000µg/g，甚至出现物理性结晶。浓缩比可以达到60%~65%，即可减少蒸发量达60% ~65%。产水氯离子量为1500~3000 mg/L。
产水效果与浓缩比
产水效果与选膜有关，选NF膜可把90%双价盐去除，单价盐去除率较低，只有10%。选RO膜可把99% 双价盐去除，95%单价盐去除。在脱盐率上，振动膜与一般的卷式膜无多大区别，只是在高通量、高浓缩比和防结垢及污堵上，振动膜比较有优势。
固废量
化工项目的固废弃置受严密监控，处置费用高昂。因此，污水处理混凝沉淀工艺需要大量采用化学品作为前处理除硬，一定要考虑固废弃置成本。振动膜采用高频振动提高膜面剪切力，对硬度没有要求，不外加药剂，减少固废量。
能耗
能耗是整个提浓工序最关键的经济指标。膜的浓缩成本比蒸发成本经济效益显著，振动膜是膜分离技术，不产生相变，进水平均能耗约为4 kW∙h/m3。
快速模拟
正昌资源及科技有限公司为浓盐水分离做了大量实验，收集数据，制成模拟软件(见图7)。通过实际操作，证实该软件模拟结果非常接近实际情况。如能提供水质报告，便可在短时间内模拟出浓缩情况，让设计人员、业主调整策略，大量缩短设计周期。
检测数据
某燃煤发电厂对没有除硬的脱硫废水进行二级振动膜纳滤浓缩，纳滤清液再进行振动膜反渗透膜脱盐，脱硫废水震动膜脱盐流程示意见图8。
随着国家对环保越发重视，燃煤发电站需重视脱硫废水回用。既要减低蒸发能耗，更要考虑减少污泥外排，减少化学品使用量。振动膜在防止薄膜结垢上，经过理论和实践，为企业提供经济可行的废水提浓处理技术，达到国家的“零排放”目标。
原标题：脱硫废水零排放—无软化直接振动膜浓缩工艺
