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反滲透膜對市政污水的深度處理回用研究
來源:吳家珍    發布時間:2015-11-27

熱電行業一直是工業耗水大戶,對2×300MW熱電廠來說,冷卻水循環總量約6500m3/h,需要新鮮補充水1000~1500m3/h,循環冷卻排污水200~400m3/h。在城市沒有大量中水管網的情況下,對熱電、石化等行業進行有針對性的中水回用就顯得尤為重要。美國的水循環利用率在2001年已經超過了85%,我國2006年的工業水循環利用率僅約50%,因此具有很大的發展空間。


目前對回用水的處理技術主要有常規處理中的物理法、生化法,深度處理的活性炭吸附、離子交換、膜分離以及臭氧氧化等方法。其中尤以膜分離中的反滲透技術應用廣泛,但常以超濾作為預處理,增加了污水回用的成本。


大連某熱電廠以高效生物氧化塔-反滲透技術為主體工藝,新建了一套污水深度處理設施,降低了企業用水成本,并可緩解城市用水壓力.本文通過對反滲透膜進出水pH,NH3-N,TN,TOC等指標的監測分析,考察以生物氧化和兩級過濾代替超濾作為反滲透預處理后系統運行的穩定性,以及在同類電廠推廣的可行性。


1、反滲透污水回用系統工藝流程簡介


1.1試驗工藝流程

本試驗立足于工程現場,其工藝流程見圖1。

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1.2設備簡介

預處理系統:合適的預處理,對反滲透裝置長期安全運行十分重要。本工程采用高效生物氧化塔(組合填料接觸氧化法)、斜板沉淀池以及兩級過濾(纖維束過濾和石英砂過濾)去除原水中的有機物、懸浮顆粒等。

主要設備設計參數及功能見表1。

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反滲透系統:本工程采用的反滲透膜為某公司生產的聚酰胺復合膜。裝填膜面積為365ft2(33.9m2),膜孔徑小于2nm,組件外殼材料是玻璃鋼纏繞外殼;單根膜組件產水量為11.05m3/h(測試條件為25℃,1.55MPa,2000mg/L NaCl),現場條件下產水量為3.99m3/h;采用17:8一級兩段式膜組件排列,設計產水回收率75%。


1.3廢水來源與水質標準

本工藝所處理的原水為市政污水處理廠的二級出水,預處理部分主要控制原水中的有機物、氨氮、顆粒物等雜質。


試驗分析表明,高效生物氧化塔與斜板沉淀池對COD和氨氮分別有50%~65%和40%~70%的去除率,經過兩級過濾和保安過濾后的反滲透進水SDI在3.5~4.5之間,顯示了高效生物氧化塔與兩級過濾聯用作為反滲透預處理的可行性.原水及反滲透進水的主要水質指標見表2。

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2、研究內容及方法


2.1研究內容

本工程自2007年建成運行以來,已經連續運行近兩年,保持了較好的運行狀態.反滲透系統含有4組膜堆,共100支膜,本試驗針對四a號膜堆,主要在2008年3月至6月期間進行,目的在于監測工藝運行及產水水質的穩定性,從而對工程項目進行評估,為類似工藝在污水回用中的應用提供參考。


2.2研究方法

現場工藝每天24h連續運行,每天記錄一次數據,包括高壓泵壓力、產水口和濃水口壓力,產水流量等;并從原水儲罐、反滲透膜系統產水和濃水出口取出水樣,進行各項水質指標的分析。水質檢驗在大連理工大學環境與生命學院水污染控制實驗室完成。


3、試驗結果與討論

對反滲透系統進出水的pH值、電導率、氨氮、總氮和TOC等指標進行了近4個月的跟蹤監測,取每周所測平均值,得出以下試驗結果與結論。


3.1反滲透進出水pH值變化情況

經預處理后水的pH值在7.0左右,呈中性,經過反滲透處理后,產水pH值大都在5.5~6.0之間,呈弱酸性,濃水的pH值較進水偏堿性,因產水pH稍低于用水標準,必要時需進行調節.反滲透系統濃水是廢棄水,一般不對它的pH值進行限制,但其pH值直接影響著濃水中難溶鹽的飽和程度,進而影響反滲透膜的脫鹽率。因此,在對系統進行設計時要充分考慮濃水pH值的。這里的三個pH之間的對應關系顯示如下特征:給水pH在6.0~7.5范圍內,濃水pH高于給水pH,濃水更偏堿性,而產水pH值更偏酸性,這是工程中常見的現象。


3.2反滲透系統的脫鹽效果分析

反滲透系統作為目前較先進的脫鹽技術,其對各種鹽類物質的脫除效果可以用脫鹽率或截留率來表示。通常在工程應用中采用電導率作為含鹽量指標來計算反滲透裝置的脫鹽率。在連續運行過程中,反滲透進水電導率在700~1000μS/cm之間變化,產水電導率均在15~25μS/cm之間,濃水電導率在2000~2500μS/cm之間,電導率去除在97%以上。


3.3反滲透系統對氮的去除效果

污水中含氮化合物有4種:有機氮、氨氮、亞硝酸氮與硝酸氮,4種含氮化合物的總量稱為總氮(TN).氨氮在污水中存在形式有游離氮(NH3)與離子狀態銨鹽(NH4+)兩種,并且在有氧條件下易分解為亞硝酸氮與硝酸氮.經過高效生物氧化塔處理后,可降低氨氮含量,但對總氮并沒有很好的去除效果。


氮磷含量高的再生水回用于工業冷卻水可能導致輸水管道、用水設備繁殖生物垢,從而造成堵塞或影響效率,因此該再生水應嚴格控制含氮量。


在本工藝中,氨氮的去除主要在高效生物氧化塔中進行,原水氨氮約為20~30mg/L,經生物氧化塔氧化處理后,可使氨氮降至10mg/L以下.經反滲透膜深度處理后,產水的氨氮能夠降到0.4mg/L以下,且出水水質穩定,反滲透系統對氨氮的去除效果,見圖4。


反滲透進水的總氮含量在35~40mg/L之間,經過反滲透膜處理后,總氮含量降到2.5mg/L以下,去除率在90%以上,并且產水水質比較穩定。


3.4反滲透系統對TOC的去除效果

總有機碳(TOC),是以碳的含量表示水體中有機污染物質總量的綜合指標,常被用來評價水體中有機物污染的程度.總有機碳相對于化學需氧量(COD)能夠更全面地反映水體中有機物的污染程度,而且TOC測定儀操作簡單,數據準確.因此,實驗過程中主要檢測TOC代替COD對水體中有機物污染進行評估。



在所取水樣中,利用島津TOC-VCPH測定儀對水中TOC含量進行檢測,產水的TOC始終未能測出(見圖6),即表明產水中TOC的含量已經非常少,顯示出反滲透膜對TOC良好的去除效果.

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4、反滲透系統運行參數分析


4.1 膜產水量的變化分析

為全面分析本工程項目的實際應用價值,除了其產水水質符合要求外,還必須保證整個系統能夠長期穩定運行.本工程自2007年1月建成運行以來,一直正常運行,并持續記錄運行參數數據,圖7顯示的是2007年1月至2008年7月反滲透膜產水量及回收率的變化情況,每月取兩個平均值.

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反滲透系統初始階段產水量在60~70m3/h之間波動,回收率在50%左右,這與系統設計的產水量(100m3/h)和回收率(75%)相差很多,這是由于系統初始運行階段反滲透進水水溫太低(12~15℃),壓力不足(約0.7MPa);在溫度提高到20~25℃時,壓力提高到0.85MPa之后,反滲透膜堆的產水量逐步提高到90m3/h以上,回收率也基本達到設計要求。


系統運行一年后,反滲透系統的回收率下降到63.8%,主要是因為長時間運行的反滲透膜被污染,造成膜透過量降低,因此在2008年1月份進行一次膜清洗,清洗后的膜基本恢復到標準產水量。


4.2 進水溫度與回收率的變化關系

反滲透膜的回收率與進水溫度、壓力關系非常密切,本工藝運行過程中,除初始階段外,進水壓力基本保持不變(壓力基本穩定在0.9~1.05MPa之間),在此只考查進水溫度與回收率的變化關系.具體變化見圖8.

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膜廠商提供的數據表明,反滲透膜進水溫度低于標準溫度(25℃)1℃,反滲透膜的產水量與膜的標準產水量相比將下降3%左右.在實際工程中,進水溫度與產水量的變化關系并不能簡單地以此數據為依據,因為在長期運行過程中,還會受到膜污染、系統運行壓力等因素的影響.圖8中也可看出,回收率隨溫度升降而不同,圖中顯示的關系應為溫度降低1℃,反滲透膜回收率下降1%~2%,因此將進水溫度控制在20~25℃之間是比較理想的選擇.如果要準確表述所使用的反滲透膜回收率與溫度的函數關系,應在實驗室不改變壓力的情況下短期內改變溫度進行監測。


5、經濟效益分析

本工藝的處理費用明細見表3.

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另外,加上人工費0.18元/t,購買中水費0148元/t,得出再生水處理費用為2.70元/t.本工程設計產水量為400m3/h,年運行8000h計,便可再生320萬t水,具有很強的經濟效益和環境效益。


6、結論

1)對于市政污水處理廠二級出水,利用高效生物氧化塔和兩級過濾作為反滲透系統的預處理,完全能夠達到反滲透進水水質要求,替換了目前常用的超濾-反滲透處理模式.

2)反滲透系統對各項污染指標有良好的去除效果,對鹽類、氨氮和總氮等化合物去除率分別為97.5%,95.7%和94.4%,尤其對TOC的去除接近100%.

3)反滲透系統出水水質完全滿足熱電廠循環冷卻水的用水要求,持續運行20個月以來,一直保持穩定優質的出水.

4)經核算,本工程產水成本為2.70元/t,代替自來水用于熱電廠循環冷卻水后,年節約320萬t自來水,減輕了城市供水壓力,并可為熱電廠節約近450萬元購買自來水的費用.