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ZERO BRINE——循環經濟時代的工業水處理
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近幾年來,循環經濟(Circular Economy)這個概念越來越火,它的核心理念是要將各種資源物盡其用,沒有所謂的垃圾。這本來就是大自然的運轉法則。為了在工業廢水界實踐循環經濟理念,“歐盟地平線2020”計劃于2017年專門成立了一個為期4年的子項目ZERO BRINE。

加工行業會產生大量含鹽水,例如化工每年就生產1150萬噸鹽水,然后我們又要花費很高的成本去處理它們。其實工業鹽水含有各種鹽、礦物質、金屬,有機物等多種化學物質。ZERO BRINE的目標就是要想辦法回收這些含鹽廢水中的各種資源,一改過去消耗資源的處理方法,給產生廢水的污水廠或者周邊行業創造新的創收點和價值供應鏈,形成一個資源利用的閉環。

原來在歐洲,很多關鍵原材料也是100%依靠進口,例如鎂元素 (歐洲94%的鎂來自中國)。ZERO BRINE給了歐洲一個從污水回收這些原材料的希望。這是一石二鳥的愿景:和環境和諧相處的同時,提高歐洲工業的競爭力。

在歐盟100%進口依賴關鍵原材料(例如鎂)的時代,零鹵技術為從廢水中收獲第二代材料提供了許多好處。ZERO BRINE解決方案在與環境和諧相處的同時,還增強了歐洲工業的競爭力。

ZERO BRINE這個項目一共吸引了10個國家22個合作伙伴,荷蘭TU Delft大學是項目的牽頭和協調單位。

歐洲四國的中試項目,這些項目分布在荷蘭、西班牙、土耳其和波蘭四個國家。

荷蘭

從2019年1月開始,荷蘭的水務公司EVIDES在鹿特丹的Botlek開啟的名為去礦質水廠的大型示范工程,重點考察離子交換和膜技術的工業廢水處理技術,具體包括了溶氣氣浮 (DAF)、反滲透、混合床離子交換。

荷蘭有兩個場地,場地一用納濾-蒸發法來處理離子交換產生的廢再生液,回收里邊的鈣、鎂(目標回收率>90%)、鹽和水,場地二則是處理反滲透的濃縮液,將考察陰離子交換–納濾–蒸發–共晶凍結結晶(EFC)的可行性,目標回收物包括硫酸鹽(目標回收率>70%)、碳酸氫鈉、富含氯化鈉的再生溶液和水。

波蘭

波蘭的礦堆每年都會將約400萬噸的鹽傾倒入河,包括為60%的波蘭人提供淡水的Vistula河。當局計算顯示,這些含鹽廢水每年給工業和農業造成約1-2.5億美元的損失。反滲透-蒸氣壓縮系統是波蘭目前主流的脫鹽手段。

ZERO BRINE項目和Silesian理工大學合作,選擇在波蘭Laziska Górne的一個煤礦廠作為考察對象,希望能開發以納濾+反滲透+電滲析組合的新工藝,目標能耗僅為現行工藝的50%,目標回收物包括了去礦質水、氫氧化鎂、含鈣溶液,剩下的濃縮液可以用于鹽結晶。

這個項目從2019年7月開始運行,規模為400L/小時,處理廢水的鹽度約23g/L。結果顯示,納濾能有效分離氯化鈉和氫氧化鎂。單位能耗為12kWh/m3,鹽回收率為83%。

西班牙

西班牙IQE集團是一家專門生產無機原材料的公司,成立于1958年,總部位于西班牙的薩拉戈薩。非晶硅是他們的重要產品之一。非晶硅的合成非常耗水,1噸硅的生產需要40噸的水,同時需要用到硫酸和砂,因為會產生約35噸廢水,硫酸鈉的濃度高達20g/L。據統計,歐洲每年生產62萬噸硅,繼而有2170萬廢水需要處理。IQE希望通過這個項目將污水回收率提高到80%,減少淡水消耗。

在西班牙這個項目里,ZERO BRINE工藝分為三部分,首先硅廢水先通過懸浮固體濾池和超濾膜進行預處理,然后通過反滲透膜進行濃縮,得到清水和硫酸鈉的濃縮液,濃縮液進入第三部分的蒸發結晶,得到純凈水和無水硫酸鹽。

這套工藝預計能為IQE每年回收20000噸的硫酸鈉和100萬噸的回用水。這種通過反滲透預濃縮技術的成本估計是直接蒸發的30%。他們的成本分析顯示,改良后的工藝能為工廠每年節省46萬歐元的污水處理費用,而且還能從會回收硫酸鈉得到180萬歐的收入。

土耳其

紡織業是土耳其的支柱產業之一,占了全國GDP的10%,為75萬人提供就業。但紡織業也產生了大量的廢水,無論從環境還是經濟角度考慮,實施零排放的技術方案對土耳其都是有利的。

生物或物理化學的污水處理在紡織業也很常見,使用三級處理的廠還會用到納濾和反滲透。如果要實現零排放,需要對反滲透的濃水也進行處理。他們選了土耳其伊斯坦布爾西北邊的Luleburgaz的Zorlu紡織廠進行中試,通過臭氧氧化和納濾去除雜質(例如色度、硬度、有機質和硫酸鹽),然后用反滲透去除剩下的10-20%的鹽,回收凈水,最后用離子交換來回收鹽。另外會有活性炭吸附和紫外氧化單元去除多余的臭氧。

這個系統能每小時能處理300L的RO濃縮液,氯化鈉的回收率約70-80%,反滲透的清水回收率在50-60%之間。

關注含鹽廢水的研究中心

除了示范工程,ZERO BRINE項目也積極推動含鹽廢水的基礎研究。項目在荷蘭、意大利、西班牙、波蘭和希臘的大學和研究院設有實驗室的研究課題,對共晶冷凍結晶、納濾、離子交換、反滲透和鹽回收等工藝技術的細節進行考察。

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