膜蒸馏工艺处理脱硫废水
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1 研究背景
火电厂作为用水、排水大户，用水占工业总量的 20%，实现火电厂废水“零排放”或“近零排放”意义重大，尤其在严重缺水的地区。废水零排放可以提高火电厂用水的复用率，节约发电用水，降低环境污染，是“保护生态环境就是保护生产力，改善生态环境就是发展生产力”的有力执行。2015 年国务院印发的《水污染防治行动计划》也明确对电厂废水提出零排放的要求，电厂传统废水可通过传统成熟的工艺轻易实施各种层次的梯级应用，但是脱硫废水由于盐浓度高、成分复杂、腐蚀性强，如何对其实施有效的资源化处理成为制约火电厂废水零排放的关键环节。随着电力企业实现脱硫废水零排放的需求越来越迫切，各种零排工艺技术也孕育而生。
目前市场上零排的主流工艺还是以长流程的“预处理模块+浓缩模块+结晶模块”为主，同时也有短流程的“预处理+烟道蒸发或旁路旋转喷雾蒸发”工艺。“预处理+烟道蒸发或旁路旋转喷雾蒸发”工艺虽然流程短，但会不同程度地影响发电机组的效率和增加后续烟气处理的负担。比如烟道蒸发受锅炉负荷影响明显，容易蒸发不彻底，造成烟道结垢、堵塞影响机组安全，存在烟道腐蚀和积灰等现象;旋转喷雾蒸发要求发电锅炉机组负荷在 60%以上，造成烟气的水分增加，影响电袋除尘器、飞灰成分，降低锅炉效率，使供电煤耗增加;短流程零排工艺需要对烟道进行改造。“预处理模块+浓缩模块+结晶模块”工艺虽然流程长，在浓缩模块和结晶模块需要预防结垢问题，但基本不会对发电机组造成影响及进行烟道改造，是独立于发电机组的处理工艺，不会影响发电效率和烟气处理等工艺。采用哪种零排工艺，不能一概而论，需要根据不同电厂自身的特点和脱硫废水的水质进行可行性验证来选择合适的脱硫废水零排工艺。但是不论采用哪种工艺，在蒸发固化之前都可以对脱硫废水进行浓缩减量，从而通过减少结晶和雾化量来降低蒸发设备的投资和运行成本。
目前市场上出现的浓缩减量工艺有反渗透、高压反渗透(碟盘式和卷式)、电渗析、多效蒸发、正渗透、机械蒸汽再压缩蒸发等，不同浓缩工艺都有各自的浓缩极限和优缺点，具体见表1。表1中TDS(Total Dissolved Solids)表示总溶解固体。
还有一种浓缩工艺就是膜蒸馏，在大多数文章中报道了膜蒸馏技术独特的优点，比如由于膜是超疏水材料，所以不易被污染;操作压力低、预处理简单;脱盐率高，产水品质高，可直接回用;浓缩极限浓度可至饱和态等。同时也指出膜蒸馏存在的问题，比如能量利用率低、膜通量小和膜污染与膜润湿等问题，对膜蒸馏工程化应用的报道也极少。本文将对已经工程化的膜蒸馏技术的优点和在脱硫废水零排工艺中的合理性应用做详细的技术经济分析。
2 膜蒸馏技术
膜蒸馏技术是 20 世纪 60 年代出现的分离技术，采用疏水微孔膜把液态和气态两相隔离开，以膜两侧由温度引起的饱和蒸汽压力差作为传质驱动力，只要膜两侧有温度差，此分离过程就可持续进行。膜蒸馏技术具有其独特的优势(见表 2)，所以一直受到广泛关注。常见的膜蒸馏过程有直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、减压膜蒸馏、气扫式膜蒸馏等，膜组件类型有板式、中空纤维式、管式及卷式。但目前市场上已经通过大量中试并已成功工业化应用的膜蒸馏技术是板式真空多效膜蒸馏技术。
3 膜蒸馏技术的工程化
目前市场上出现的膜蒸馏工艺中使用的膜组件有中空纤维式、卷式和板式，加拿大 KMX 的中空纤维式膜蒸馏工艺和德国 Solarspring 的卷式膜蒸馏工艺在国外有少量应用报道，但都处于中试阶段;板式膜蒸馏工艺近期在国内实现了工业化应用，应用领域包括工业废酸、氯化铵废液、酸洗废水资源化、含盐废水零排等，取得了显著效果。板式膜蒸馏模块以多片聚丙烯框架为主体，内嵌聚四氟乙烯(PTFE)微孔疏水膜和聚丙烯(PP)冷凝片形成单个模块，单个模块通过并联提高处理量;通过串联实现多效模式来提高回收率和热循环效率，如图 1 所示，第 1 效浓盐水在被外部热源加热到 80 ℃左右之后在 PTFE 膜片表面蒸发，蒸发的蒸汽透过疏水膜进入产水通道，在 PP 冷凝片表面被来自第 1 效因蒸发而降温的浓盐水冷凝形成蒸馏水;吸收蒸汽潜热的浓盐水同时在第 2效膜表面继续蒸发，以此类推，最后 1 效蒸发的蒸汽被外部冷却水冷凝，蒸馏水通过内流道汇集流出。模块不论并联还是串联都是通过无管道连接实现，因而降低了热损失。板式真空膜蒸馏流程如图1所示。
板式真空膜蒸馏主要有以下几点优势：
(1)负压操作，安全性更高，无泄漏风险;
(2)多效，热循环，模块化，内流道设计，模块之间无管道连接提高热利用效率，造水比最高可达6~8;
(3)液体过流部件全部采用耐腐蚀的非金属材质(PP，PTFE)，耐酸、耐碱、耐盐腐蚀、耐氧化;
(4)润湿液回流设计降低因膜润湿引起的膜清洗恢复频率;
(5)在线清洁和干燥(CIP
