ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОСОЛЕВЫХ СТОЧНЫХ ВОД: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

АННОТАЦИЯ

Высокосолевые сточные воды химической промышленности имеют сложный состав и высокую загрязняющую способность. Их эффективная обработка и рециклинг являются ключевым звеном устойчивого зеленого развития химической отрасли. В статье систематически обобщено современное состояние технологий обработки высокосолевых сточных вод химической промышленности. Проанализированы основные технологические маршруты и особенности трех ключевых этапов: предварительная обработка, концентрирование и окончательная утилизация с рециклингом ресурсов. На основе современных технологических тенденций представлен прогресс развития технологий в направлениях инновационности, ресурсоэффективности и интеллектуализации. Результаты могут служить ориентиром для технологической модернизации отрасли.

Ключевые слова: высокосолевые сточные воды; химическая промышленность; мембранная сепарация; рециклинг ресурсов.

1 Современное состояние технологий обработки высокосолевых сточных вод

С ужесточением экологической политики и реализацией целей «двойного углерода» технологии обработки высокосолевых сточных вод постоянно совершенствуются. Сформирована основная технологическая цепь «предварительная обработка – концентрирование – окончательная утилизация с рециклингом ресурсов». Все блоки взаимодействуют для очистки сточных вод и извлечения ресурсов.

1.1 Технологии предварительной обработки

Предварительная обработка является предпосылкой стабильной работы последующих блоков. Основная цель – удаление взвешенных веществ, жесткости, кремния и части трудноразлагаемых органических веществ. Предотвращается образование накипи и загрязнение мембран. Основные технологии:

- Коагуляционное осаждение: введение коагулянтов и флокулянтов для удаления коллоидов и мелких взвешенных частиц;

- Химическое умягчение: использование метода известь-сода или введение гидроксида натрия, карбоната натрия. Ионы кальция и магния осаждаются в виде карбонатов и гидроксидов. Это ключевой этап контроля жесткости воды;

- Технологии продвинутого окисления: метод Фентона, каталитическое окисление озоном и др. Разлагаются трудноразлагаемые органические вещества. Снижается загрязнение последующих мембран. Повышается биоразлагаемость сточных вод.

1.2 Технологии концентрирования

Этот этап является основным для значительного сокращения объема воды и градиентного концентрирования солей. Абсолютное доминирование принадлежит мембранным технологиям. Разные мембранные технологии адаптируются к разным диапазонам концентраций в соответствии с их характеристиками:

- Обратный осмос (RO): наиболее распространенная технология концентрирования. Обычный RO концентрирует общую растворимую твердую фазу (TDS) до 50 000–80 000 мг/л. Для более высоких концентраций используются дисковые трубчатые обратные осмосы (DTRO) или мембраны для опреснения морской воды с повышенной устойчивостью к загрязнению. Технология имеет высокое рабочее давление, высокий энергопотребление и риск загрязнения мембран;

- Электроприводные мембранные технологии: электродиализ (ED) и селективный электродиализ (S-ED). Широкий диапазон адаптации к входной TDS. Предел концентрирования достигает 150 000–200 000 мг/л. Мало подвержены загрязнению органическими веществами. Новая технология S-ED обеспечивает предварительное разделение одновалентных и двухвалентных солей. Создает основу для последующей фракционной кристаллизации;

- Прямой осмос: движущая сила – разность осмотических давлений между исходным раствором и абсорбирующим раствором. Имеет потенциал низкого энергопотребления и низкого загрязнения мембран. Проблема низкозатратной и эффективной регенерации высокопроизводительных абсорбирующих растворов не решена. Технология не получила широкого промышленного применения.

1.3 Технологии окончательной утилизации и рециклинга ресурсов

Концентрированный рассол после мембранных систем (TDS > 100 000 мг/л) подвергается кристаллизации солей термическими методами:

- Технология испарения с механической рекомпрессией пара (MVR): основная современная термическая технология концентрирования. Компрессор повышает температуру вторичного пара, образующегося при испарении. Пар возвращается в испаритель в качестве источника тепла. [1] Для привода компрессора требуется небольшое количество электроэнергии. Эффективность использования тепловой энергии значительно выше, чем у традиционной многоэффектной испарения. Подходит для глубокого концентрирования высокосолевых сточных вод. Эффективность технологии сильно зависит от состава сточных вод;

- Технология испарительной кристаллизации: дальнейшее испарение концентрированного рассола от MVR до состояния пересыщения. Происходит выделение кристаллов. Дизайн кристаллизатора и параметры эксплуатации (введение затравочных кристаллов, контроль пересыщения, разделение твердой и жидкой фаз) определяют кристаллическую форму, чистоту и эффективность извлечения соли.

2 Перспективы развития технологий обработки высокосолевых сточных вод

Технологии обработки высокосолевых сточных вод быстро развиваются в направлениях инновационности, ресурсоэффективности и интеллектуализации. Основная цель – снижение энергопотребления и максимальное извлечение ресурсов.

2.1 Инновационность

- Разработка высокопроизводительных мембранных материалов: приоритет – мембраны из графена, керамические мембраны, новые композитные нанофильтрационные мембраны с повышенной устойчивостью к загрязнению, накипи и высокой селективностью. Повышается эффективность разделения, снижается энергопотребление, продлевается срок службы мембран;

- Оптимизация низкоэнергетических технологий испарения: совершенствование конструкции систем MVR, разработка высокоэффективных пленочных испарителей. Исследуется сопряжение систем испарения с возобновляемыми источниками энергии (солнечная, геотермальная). Снижается углеродный след систем;

- Исследование новых технологий опреснения: прямой осмос, мембранная дистилляция, емкостная деионизация, обратный электродиализ и др. Технологии не являются зрелыми. Их преимущества – низкое энергопотребление и низкое рабочее давление. Они являются горячими точками исследований. В будущем возможна их промышленная реализация в отдельных сегментах.

2.2 Ресурсоэффективность

Основной переход – от «конечной очистки загрязнений» к «комплексному использованию ресурсов на всех этапах»:

- Углубление технологий фракционного разделения солей: сопряжение технологий «нанофильтрация + S-ED + прецизионно управляемая кристаллизация» обеспечивает высокочистое разделение и извлечение отдельных компонентов, таких как хлорид натрия и сульфат натрия. Решается проблема смешанных солей; [2]

- Извлечение высокоценных компонентов: для сточных вод отдельных отраслей извлекаются ценные металлы, кислоты, щелочи и другие вещества. Повышается общая экономичность систем обработки;

- Расширение областей применения кристаллических солей: исследуются безопасные и масштабные пути применения кристаллических солей в производстве строительных материалов, дорожных антиобледенителей и других областях.

2.3 Интеллектуализация

- Интеллектуальная оптимизация технологических процессов: моделирование и симуляция всего технологического цикла с использованием больших данных и искусственного интеллекта. Динамическая корректировка технологических параметров и дозировки реагентов в соответствии с реальными данными о качестве воды. [3] Обеспечивается оптимальная энергоэффективность и минимальные эксплуатационные расходы систем;

- Интеллектуальное управление эксплуатацией: построение систем интеллектуального мониторинга и предупреждения на основе технологий Интернета вещей. Осуществляется прогностическое обслуживание проблем, таких как загрязнение мембран и образование накипи на оборудовании. Гарантируется долгосрочная стабильная работа систем. [4]

Заключение

Обработка высокосолевых сточных вод химической промышленности является сложной системной задачей. В настоящее время технологическая цепь «предварительная обработка + мембранное концентрирование + испарительная кристаллизация» является относительно зрелой. [5] Она обеспечивает надежную техническую поддержку для очистки сточных вод в отрасли. В будущем обработка высокосолевых сточных вод выйдет за рамки простой очистки загрязнений. Основными темами останутся снижение энергопотребления и извлечение ресурсов. Разработка высокопроизводительных разделительных материалов, оптимизация системной интеграции, сопряжение с возобновляемыми источниками энергии и внедрение интеллектуального управления позволят создать эффективную, низкоуглеродную и циклическую модель обработки сточных вод и рециклинга ресурсов. Это требует совместных усилий правительства, предприятий и научных организаций для совместного продвижения зеленого и устойчивого развития химической промышленности.

Список литературы:

1. Бинь Гао, Хуан Ши-лян, Е Мин-цян и др. Обзор технологий нулевого сброса сточных вод с высокой концентрацией и высоким содержанием солей, трудноразлагаемых органических веществ [J]. Гуанчжоуская химическая промышленность, 2025, 53(13): 4–7, 11.
2. Тань Чэн-мин, Ван Кун. Примеры инженерного применения технологии нулевого сброса в обработке сточных вод углехимической промышленности [J]. Углехимическая промышленность, 2025, 53(1): 45–50.
3. Гу Вэнь-лин, Ли Бинь-фан. Исследование оптимизации высокоэффективной технологии предварительной обработки высокосолевых сточных вод [C] // Китайское общество земельной экономики, Университет Хэбэй. Труды III Всероссийской научной конференции «Оптимизация пространственного размещения производственных цепей и инновации в территориальном планировании». Т. 1. Пекин: Китайское общество земельной экономики, 2025: 29–32.
4. Ли Чань-цян, Шань И. Применение сопряженной технологии VPSA-O₂ и каталитического окисления озоном в обработке высокосолевых сточных вод химической промышленности [J]. Шаньдунская химическая промышленность, 2025, 54(6): 269–271.
5. Ван И-вэнь, Цянь Цин-лян, Ли Цзянь-синь и др. Прогресс исследований интегрированных технологий электродиализа в обработке высокосолевых сточных вод [J]. Технология водоподготовки, 2023, 49(12): 22–28.