浓盐水处理技术研究进展_蔡月圆

2013年4月ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT Apr．2013

文章编号：1674－6139（2013）04－0093－06

浓盐水处理技术研究进展

蔡月圆，费学宁，苑宏英，姜远光，苏润西

（天津城市建设学院，天津300384）

摘要：海水淡化技术是解决中国水资源危机的一种具有根本性的举措之一。然而随着海水淡化产业规模的

增大，其产生的浓盐水的排放成了本身面临解决的问题之一。本文阐述了浓盐水的特性及其对环境的各种危害性，并对浓盐水直接排放问题进行了详细分析。介绍了国内外近年来主要处理浓盐水的方法－真空膜蒸馏浓缩技术、正渗透技术、喷雾蒸发技术、冷冻法浓缩技术。对各种处理技术的原理和特点进行了详细综述，并对其研究进展进行了归纳总结。最后对各项处理技术的应用前景提出了展望。关键词：浓盐水; 海水淡化; 环境中图分类号：X55

文献标识码：A

Research Progress of Strong Brine Treatment Technologies

CaiYueyuan ，FeiXuening ，Yuan Hongying ，Jiang Yuanguang ，Su Runxi

（Tianjin Institute of Urban Construction ，Tianjin 300384，China ）

Abstract ：Desalination technology is a one of the fundamental measures to solve water crisis in China．However ，concentrated brine discharge has become one of the majorproblems．This paper describes the characteristics of brine and its harms to the envi-ronment ，and then analyzes the problems of discharging concentrated brine directly in detail．This paper introduces the recent main methods for concentrated brine processing at home and abroad ，including brine vacuum membrane distillation concentration technology ，osmosis ，spray evaporation and freezing enrichment technology．Principles and characteristics of various processing techniques are reviewed in detail ，and an induction summary on its research progress is also provided．Finally the prospects of va-rious processing techniques are put forward．

Key words ：concentrated brine ；seawater desalination ；environment

浓盐水是指海水经淡化技术提取淡水后海水被浓缩一倍左右的浓水部分，以及将海水作为工业冷却水（尤其是电厂）时海水循环冷却过程中随着水分逐渐挥发盐浓度达到增浓一倍左右后排放的那部分浓水

［1］

这就意味着2010年已有55. 78万t /d渗透法为例，

的浓盐水产生，到2020年将有约250万 300万t /d 的浓盐水产生。由于浓盐水含量的特殊性，将其排入水体会破坏水体的生态平衡。首先，浓盐水的高含盐量会使排入地区的盐度升高，特别在浅海、海湾和距离排放口4km 处会出现高盐度区，并在排水口附近形成高盐沙漠

［3］

。另外，炼化企业煤化工企业及钢铁工业

排放的浓缩后的含盐废水也是浓盐水的来源之一。

初步统计，截止2010年底，中国已建成投产的海水淡化装置总数为76套，总产水能力55. 78万t /d［2］。根据《海水利用专项规划》，中国2020年海水淡化产淡水能力达到250万 300万t /d。以反

收稿日期：2013－01－26

基金项目：天津市滨海新区科技计划项目（2011－BH14003）

作者简介：蔡月圆（1988－），女，硕士研究生，研究方向：喷雾蒸发技

术处理海水淡化浓盐水。

通讯联系人：蔡月圆

，而且半封闭海域海水更新

［4］

使盐度分布不均速度慢，，从而那些海中生物由

于盐度的变化其繁殖和生长受到了不同程度的破坏，影响了海洋的生态平衡。另外，浓盐水的高温度导致淡化工厂出水口附近的海域水温比周围海域环温度的升高提高了生物的活性导致某些浮游境高，

生物急剧繁殖和高度密集，会引起“赤潮”的产生。此外，浓盐水中的重金属和化学药剂进入到海洋生物体内，会破坏生物的生理技能甚至导致其死亡。

·93·

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蔡月圆等·浓盐水处理技术研究进展

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目前对浓盐水的处理方法主要有排放前简单预处理和浓盐水的浓缩技术。

直接外排浓盐水影响还不大，环渤海水循环太速快，

慢，与外海交换时间是60年，如浓盐水排入海中则其浓度会不断增大。渤海近海海滩地势平缓，且水海水交换能力较差，也不具备向深海排放条深较浅，

件，如果把高盐水直接排入渤海湾，必将影响渤海海

8

域的生态环境。如果天津达到每年3ˑ 10t 和唐山88

的曹妃甸地区达到每年5ˑ 10t 6ˑ 10t 生产能

1浓盐水的排放前简单预处理

目前，国际上海水淡化厂的浓海水排放基本上

是直接排海或者是冲稀后排海；据调查，中国海水淡到2012年对化产业所产生浓海水排放量都还不高，

海水淡化浓盐水的处理方法主要还是排入大海。

临海的淡化厂主要将浓盐水排入海洋，但对于引入蒸发池、内陆地区大多将浓盐水排入地表水体、

排入污水处理系统和深井注射地下。排入地表水体是较为方便经济的方法，但浓盐水各项指标要符合该方法适用于排放量不是很大的淡化一定的要求，

厂，而且淡化厂还要定期检测和报告特定化学组分的浓度水平；将浓盐水排入市政污水体系，与城市污其优点是：建设与运行费用低、占地面水共同处理，

积小、易于管理，但排放前需进行无害化处理并考虑对设备及管道的腐蚀作用，这种处理方法适用于中小型淡化厂；用蒸发池来处理浓盐水可充分利用太但蒸发速度低或浓盐阳能而不需要消耗其它能量，

水处理量大时，需要占用大量的土地，这种处理方法蒸发速度快而土地费用特别适用于气候温暖干燥、

较低的国家和地区，一些干旱或半干旱地区已经较大规模地采用了这种方法来处理浓盐水；通过深井这一方法已实践多年，但对设计和施注射排入地下，

工方面的要求较高，还要检测排放井完整性和附近此方法处理浓盐水成本很高，在其它方水域的水质，

法都不可行的情况下才可考虑采用

［5］

力的规划目标，则受到危害的海域面积可能达到上百平方公里，这将导致一些物种的消亡。对于目前，在没有更好的处理浓盐水方法的情况下，是否将浓盐水直接排放还需对排放点进行考察。

2浓盐水的浓缩技术

由于海水淡化浓盐水含量的特殊性，浓盐水的

排放存在着危害环境的问题。因此，浓盐水的浓缩技术引起了广大的关注。

目前研究最多的是浓盐水的浓缩技术，其目的是为了对浓盐水进一步的浓缩甚至达到结晶，而其副产品供给盐化工，从而达到零排放（零排放就是将浓盐水进一步浓缩与结晶，使回收率达到80%以浓盐水尽量变为干或半干的固体，便于后续的再上，

利用与运输），避免对环境的污染并提高经济收入。

现有成熟商业化的浓盐水浓缩主要延续海水淡化工艺，普遍应用的有蒸馏淡化、反渗透脱盐。然浓盐水用热法处理存在沸点升高、结垢严重等问而，

题，而用反渗透处理由于渗透压极大，系统操作压力大，大大增加投资和运行成本。因而研究人员研究了其他的浓缩技术，如：真空膜蒸馏浓缩技术、正渗透技术、喷雾蒸发技术及冷冻法浓缩技术。2．1

真空膜蒸馏浓缩技术

膜蒸馏技术是膜法与蒸馏法相结合的膜分离技是一种近几年发展起来的新型膜分离技术，于术，

20世纪60年代中期由M．E．Findley ［8］提出。真空膜蒸馏过程由于操作温度相对其它膜蒸馏过程可以更低，渗透通量大，可以很方便地利用太阳能、地热及废热等廉价热源究。真空膜蒸馏的

［9］

。

然而，在排放前对周围受纳水体进行影响评估是一种有效的预防浓盐水污染的方法。如，孙健等人

［6］

对中国一个海水淡化厂（淡化厂位于一电厂循

环渠沿岸且该区域常年蒸发量大于降雨量）进行了通排放浓盐水在周围水体的变化情况及影响分析，过对浓盐水输移扩散数值模拟预测，得知浓盐水在从而水体里的盐度与蒸发量和取水站取水量有关，可以针对性地采取措施来减少盐度的升高；李易等人

［7］

对某公司在葫芦岛市拟建的海水淡化厂排放

，近年来受到广大学者的研分离原理是被分离物质的热

的浓盐水对锦州湾海域的影响进行预测，最后得出，某公司所排的浓盐水对锦州湾海域环境影响甚微，由此判断该厂可将浓盐水排入海域。

此外，考察海域情况，判断是否能作为浓盐水的受纳水体。如：中国的东海以及中东的海域海水流·94·

［10］

溶液通过分离膜一侧，另一侧抽真空，从而在膜两侧形成传递蒸汽压差，在真空侧产生单一的气态物质，经过冷凝成液体，从而实现溶液的浓缩和分离，其流程示意图见图1：

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近年来，正渗透膜分离技术在国际上诸如美国、新加坡、欧洲等国家和地区已得到大量研究和应用。耶鲁大学Menachem Elimelech 教授课题组发明了一种新型的利用正渗透膜分离方法进行海水脱盐的技术，并且进行了中试研究前景；Martinetti 等

图1

真空膜蒸馏海水淡化浓盐水示意图

［11］

［17］

［16］

，结果表明正渗透脱盐

显示出了很好的应用低于目前脱盐技术的电能耗，

研究了如何利用正渗透技术对

反渗透过程产生的浓盐水进行再次浓缩；研究人员采用正渗透技术可将反渗透脱盐系统的水回收率提高到95%以上，接近了零液体排放，大大减轻了反渗透系统的压力

［18］

近几年，真空膜蒸馏技术用来处理好水淡化浓盐水的研究越来越多，唐娜等

对反渗透海水淡化

［12］

浓盐水的真空膜蒸馏过程进行了研究；匡琼芝等度、浓度、真空度对膜通量的影响；陈利等

［13］

。

考察了真空膜蒸馏过程淡化高浓度盐溶液过程中温

分别采

用聚乙烯、聚丙烯微孔膜对反渗透海水淡化浓盐水进行真空膜蒸馏的研究。经过研究得出：膜的最大因此真空膜蒸馏技术可有效截留率可达99. 999%，

实现反渗透海水淡化浓盐水的浓缩。

真空膜蒸馏技术以膜两侧的压力差为驱动力，具有热利用效率高，传质阻力小，分离效率高，膜通无透过物蒸发等优点。但这种工艺处理浓盐量大，

水时同样有结垢问题和膜污染问题，且VMD 过程机理还有待于深入研究。2．2

正渗透技术

正渗透水处理技术是以需处理的液体作为原料选取一种具有相对较高渗透压的溶液作为液（FS ），

在正向渗透压差驱动下，水分子透过汲取液（DS ），

正渗透膜进入到汲取液侧，浓缩的原料液被排出系统

［14］

正渗透膜分离技术相对于外加压力驱动的膜分离技术最显著的特点就是不需要外加压力或者在很低的外加压力下运行，而且膜污染情况相对较轻，能够持续长时间的运行而不需要清洗

［19］

；此外，其过

程具有较高的水回收率的特点，通过选择合适的驱动溶液，可进行浓盐水的再浓缩，甚至使盐析出，减少排放

［16］

。但正渗透过程中浓差极化现象较为严

［15］

重，在海水淡化过程中，实际通量与预期值相比还有一定的差距研究。2．3

喷雾蒸发技术

蒸发处理浓盐水与海水淡化的原理与设备上基不同之处在于海水淡化最终收集的是水蒸本一致，

气冷凝之后的淡水，而浓盐水的处理目的是浓盐水结晶。其原理是将浓盐水雾化，并在热空气中迅速所产生的水蒸气再被冷凝成淡水予以回蒸发，收

［20］

；正渗透膜和汲取液还需进一步的

。其在海水淡化过程中应用的基本原理为：浓

盐水和驱动液分布正渗透膜两侧，浓盐水中的淡水到低化学势侧，被在渗透压差下从高化学势侧“吸”

其内部的溶质被释放稀释的驱动液通过适度加热，

出来重新利用，剩下的稀盐水通过蒸馏的方法得到纯水，见图2

［15］

。见图3

：

：

图3浓盐水喷雾简易示意图

喷雾蒸发技术是继海水淡化产业发展起来的产物，由于海水淡化成本很高，喷雾技术在海水淡化领

图2

正渗透海水脱盐系统

域的研究越来越多。目前喷雾技术能耗较高，但基

·95·

于其浓缩倍数很高，近年对其的研究趋势是将喷雾技术与其他技术耦合起来，共同处理浓盐水。

Aquasonics 公司［21］将喷雾蒸发技术应用于浓缩反渗透排放浓盐水，成本核算表明，喷雾蒸发淡化技术的应用使50%以上的建设投资和运营费用得以节省；并在2004年该公司

［22］

设备简单、紧法海水淡化技术的最大优点是能耗低、

凑；工质在水或盐水中溶解度低；无毒，价廉易得，无

3

生产1m 淡水仅需2. 64KW 爆炸危险。根据计算，

·h 的电能［30］。

另外，雾化冷冻脱盐技术也有人在研究。雾化冷冻脱盐技术是在环境温度低于海水冰点温度的情况下，通过离心泵将海水输送到高处的雾化喷嘴，海水经雾化喷嘴被雾化成颗粒很小的海水滴，海水滴在空中下落过程中与周围的冷空气发生热交换

［31］

将海水喷入蒸发室

雾化，然后利用被工厂废热预热过的空气去气化海水滴直至盐类结晶析出，该公司对1套日产百吨级淡水的中试设备进行的成本核算表明该技术比常规的蒸馏淡化法成本低。在国外，喷雾蒸发技术的反如：喷雾角度对蒸发过程应过程机理也在进行研究，

喷头直径和喷雾压力对蒸发过程的影响、喷的影响、

头形状对液滴特性的影响及雾化效果对水蒸气和浓盐水滴（或盐颗粒）分离效率的影响高从堦等国，

［27］

［23－26］

。

但利用雾化冷冻技术进行海水脱盐的研究较少，前在1985年苏联的Sosnovsk ⅡA V 和Khodakov V G ，

的时候申请了关于雾化冷冻脱盐的专利；近两年，李凭力等

［32］

利用冬季的自然冷能对雾化冷冻脱盐技

。在中术进行了研究，结果表明利用该技术海水的脱盐率能达到88. 63%，并且利用冬天自然界的冷能进行喷雾分离盐水使冷冻法处理浓盐水技术成为节能环保的技术。

张宁等

［10］

将喷雾蒸发和多效蒸馏技术耦合起

来，并以多效蒸馏过程产生的浓海水作为喷雾蒸发过程的进料水，实现了能源和资源的综合利用。侯经纬等

［28］

在喷雾蒸发－低温蒸馏集成海水淡化设备针对海水淡化浓盐水作为一种可回

研究中对盐水浓度为10000mg /L的进料条件下进行研究结果证明了浓盐水喷雾蒸发工艺与海喷雾蒸发，

水蒸馏淡化工艺集成用于海水深度淡化的可行性。

然而，喷雾蒸发淡化处理浓盐水技术尚处于研究阶段。其在海水淡化中可处理热法和膜法产生的提高海水淡化的产水量。但喷雾蒸发淡化浓盐水，

技术具有分散灵活、维护简单的特点，且投资和操作人们在费用较低。随着喷雾蒸发技术不断地发展，其基础上提出了高温常压太阳能热能来蒸发喷雾高浓度盐水使之浓缩的技术，其消耗能量有望是常规技术的40%或更低，并且溶液浓度越高越能体现其蒸发过程不存在固免结垢考虑和实现液体零排放，

定实体传热面，完全不怕钙、镁离子等形成的无机难溶盐。因而在特定的淡化环境中高温常压太阳能蒸发喷雾高浓度盐水技术将大有用武之地，具有显著的发展趋势。2．4

冷冻法浓缩技术

冷冻法浓缩浓盐水原理是基于海水结冰过程中能够产生盐、水分离的现象，冷冻过程中大量的盐分从而降低海水中的盐分。被排除在冰晶之外，

近年来，李栋梁等人

［29］

收再利用资源越来越受到重视问题，提出了冷冻法通过离处理浓盐水的方法并进行了一系列的研究，心转速对冰冻浓海水脱盐效率做的研究表明：冰的且与原浓海水微量元素水盐度脱除率达到99. 0%，

质进行比较，冷冻脱盐技术对各种微量离子的脱除率同样较高。在冷冻离心处理之后产生的高度富集有利于无机元素的提取，节约能耗；而离子的溶液，

离心之后生成的海冰，盐度、钙镁含量等各方面指标已经很低可作为低盐度工农业用水使用。可见，冷冻法处理浓盐水是可行的，并有很好的浓缩效果。

冷冻法处理浓盐水对设备的材质要求低、对设备的腐蚀和结垢问题相对缓和、能实现液体零排放，若利用自然界的冷能作为能源，则可大大节省技术成本保护环境。另外，其产生的高浓度海水可替代以卤水作为原料成为新的资源；但此技术主要在海在处理浓盐水方面研究较少水淡化方面研究较多，且冰水分离困难问题急需解决。

3工业生产过程中产生的浓盐水处理现状

在工业生产中，用水较多的工业有炼化企业、煤

对水合冷冻法海水淡化化企业、钢铁企业和电力企业。工业产生的浓盐水现在已经成为制约各企业“零排放”的主要因素。国际上处理工业浓盐水的技术工艺主要采用了膜法与热法蒸馏。

水合物法海水淡化利用较易生成技术进行了研究，

水合物的小分子物质与海水中的水生成水合物晶固液分离后，分解水合物即可得到淡水，水合物体，·96·

在炼化企业中，反渗透膜技术、蒸馏－结晶技膜蒸馏－结晶技术；在煤化工企业中，自然蒸发术、

蒸发结晶法、纳米结构高核电电解质法；在钢池法、

铁工业中，蒸发池法、太阳能池法、机械蒸发固化法。综合看来在各企业中，通常也是用热法和膜法来处理浓盐水。与浓盐水处理方法一样，这些方法同样出现膜污染严重、维护难度大、工艺运行成本高；热法能耗高，浓缩率低，蒸发器结垢，设备腐蚀较厉害，投资和运行费用都比较高等问题。

随着海水淡化浓盐水浓缩技术的发展，工业浓盐水可与海水淡化浓盐水使用同样的方法。比较浓盐水各个处理技术，本文建议用喷雾蒸发技术和冷冻法处理工业浓盐水，使其进一步浓缩甚至达到结晶。这两项技术在处理工业浓盐水时，能克服其现有处理技术的缺点。并以其免结垢、在空中运行而利用自然能节约资源等优点，会成不腐蚀污染设备、

为选择处理工业浓盐水的最佳方法。

太阳能、空气冷能分离浓盐水技术在滨海城市经济乃至全国多数北方缺水型城市具有操作性强、稳定可靠等优势。太阳能及冷能处理浓盐水高效、

不仅有望解决浓盐水制约膜法处理再生水规模化的问题，还可以实现浓盐水的资源化利用，做到最大程带来较大的环境、社会、经度地减少环境污染问题，济效益。

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4结论

如今，浓盐水的浓缩技术已有很多人研究，但各

个技术又都不太成熟，针对现有技术的研究发展得出以下结论：

经过多人研究，真空膜蒸馏技术凭借其低能耗，高通量的优势及国内外对膜材料及膜结构的研究，VMD 技术有望成为低能耗、低污染的浓盐水水处理技术。

正渗透较压力驱动的膜分离技术，以其特殊的优势已成为世界膜分离领域研究的热点之一。若深提高其工作效率，就能真入研究正渗透膜和汲取液，

正体现该技术理论上能耗低的显著优点。

若将喷雾蒸发技术与太阳能利用联合起来处理浓盐水，集各个优点于一体，此方法将会是处理浓盐水的较好方法之选。其将会表现出无污染、低能耗、运行安全稳定可靠、适应性好、投资相对较少及安全性好等优点。此外，此处理工艺受浓盐水含盐量影响不大，这是其他方法无法比拟的。

利用自然冷能喷雾处理浓盐水，不仅可以降低对能源和设备的要求，而且其浓盐水中的化学元素能得到高浓度的浓缩，若将冰水分离技术能得到较好的解决，此技术将有广大的应用前景。

·97·

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