高效反滲透技術(shù)在市政污水回用中的應(yīng)用
摘要：采用石灰澄清軟化-過濾-樹脂軟化-高效反滲透組合工藝對市政污水廠出水進行深度處理，出水回用作循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補水及鍋爐補給水深度脫鹽系統(tǒng)水源。工程實踐表明，經(jīng)該工藝處理后，反滲透系統(tǒng)的出水水質(zhì)為：ρ（CODCr）< 10 mg/L，電導率< 64 μS/cm，濁度< 0.1 NTU，不僅達到了設(shè)計出水水質(zhì)要求，而且穩(wěn)定達到循環(huán)冷卻系統(tǒng)及鍋爐補給水深度脫鹽系統(tǒng)補充水的水質(zhì)要求，系統(tǒng)實現(xiàn)了長期、穩(wěn)定、經(jīng)濟地運行。由此可見，該工藝是一種較理想的市政污水回用技術(shù)。
關(guān)鍵詞：高效反滲透；市政污水；回用；回收率
1 工程概況
河北某熱電廠裝備2 臺300 MW 亞臨界燃煤供熱發(fā)電機組，使用附近某市政污水處理廠出水作為生產(chǎn)的唯一水源，由于該污水處理廠進水水質(zhì)經(jīng)常超標，其中進水CODCr的質(zhì)量濃度最高達到800 ~1 200 mg/L，遠超過設(shè)計進水水質(zhì)要求，因此，其回用至電廠的中水水質(zhì)也遠遠超出原設(shè)計的二級處理出水水質(zhì)標準。針對該市政污水處理廠出水的CODCr、SS 濃度及硅含量都比較高的特點，采用石灰澄清軟化-過濾-樹脂軟化-高效反滲透組合深度處理工藝，處理出水滿足設(shè)計要求，回收率較高，實現(xiàn)了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。高效反滲透專利技術(shù)［1］在國外已有工程應(yīng)用，但在國內(nèi)將其應(yīng)用到市政污水的處理回用工程尚屬首次。
2 工藝設(shè)計
2．1 設(shè)計水質(zhì)、水量
采用某市政污水廠二級排放水為電廠唯一生產(chǎn)水源，根據(jù)GB 50050—2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》確定該循環(huán)冷卻塔的補水控制標準，水源水質(zhì)和補水標準如表1 所示。
表1 水源水質(zhì)和補水標準
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注：硬度和堿度以CaCO3計
設(shè)計總進水量為1 700 m3/h，經(jīng)過石灰軟化澄清和高效反滲透組合工藝處理后，設(shè)計出水量為1 000 m3/h，其中800 m3/h 的水量作為冷卻塔的循環(huán)水補充水，另外200 m3/h 的水量可以作為冬季供暖期間鍋爐循環(huán)水的補給水源。
2．2 工藝流程
對市政污水廠出水進行深度處理，使其可回用作為電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補水和鍋爐補給水，常用工藝包括石灰澄清軟化法、超濾/微濾／MBR 聯(lián)合反滲透/納濾法、離子交換法、生化法等［2-3］。由于該污水CODCr、NH3-N、SS 濃度、硬度及堿度都較高，因此，石灰澄清軟化是唯一可行的、最經(jīng)濟的預處理辦法；高效反滲透技術(shù)能有效解決有機物污染和微生物滋生的問題，并且能實現(xiàn)較高的回收率、脫鹽率和系統(tǒng)的經(jīng)濟、穩(wěn)定運行［4］。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較，確定深度處理工藝流程如圖1 所示。
3 主要裝置設(shè)計參數(shù)
3．1 石灰軟化澄清處理系統(tǒng)
由2 座直徑為10 m的機械攪拌澄清池和5 座變孔隙濾池組成，機械攪拌澄清池單座設(shè)計出力為850 m3/h，變孔隙濾池單座設(shè)計出力為300 m3/h，濾速為7～12 m/h，調(diào)整石灰投加量為300 ~ 400mg/L，控制出水pH 值為10．0 ~ 10．5，聚鐵投加量為20 ~ 40 mg/L，PAM 投加量為0．5 ~ 1.0 mg/L，該系統(tǒng)能去除來水中大部分的SS 和膠體物質(zhì)、約30％的CODCr和90％的暫時硬度，利用硫酸調(diào)節(jié)pH 值至8．3 ~ 8．5，變孔隙濾池出水濁度降低至2 ~5 NTU，部分出水可直接補充到冷卻塔循環(huán)水池。
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圖1 污水深度處理工藝流程
3．2 高效纖維過濾器
6 臺Φ3 000 mm×4 600 mm 的高效纖維過濾器，5 用1 備，每臺過濾器設(shè)計出力為220 m3/h，設(shè)計濾速為35 m/h。該過濾器具備濾速快，納污量大，反沖洗水量小的特點，采用氣水混合反沖洗，過濾器出水濁度降至1 ~ 2 NTU，保障了后續(xù)樹脂及反滲透系統(tǒng)不會受到懸浮物污染。
3．3 鈉型陽離子交換器
8 臺Φ 3 000 mm×3 600 mm 交換器，7 用1備，每臺設(shè)計出力為180 m3/h，采用新型殼層SST80 離子交換樹脂。通過鈉離子交換樹脂可以去除絕大部分硬度，出水硬度失效點為40 mg/L（以CaCO3計），失效后使用10％工業(yè)鹽液逆流再生，再生液用量為1 200 kg/次。
3．4 弱酸陽離子交換器
8 臺Φ2 800 mm×3 600 mm 交換器，7 用1備，每臺設(shè)計出力為180 m3/h，采用大孔弱酸樹脂D113。在去除堿度的同時完全去除鈉床出水中的殘余硬度。弱酸樹脂采用鹽酸（5％）再生，再生鹽酸（31％）用量為2 000 kg/次。
3．5 除碳器
除碳器由3 臺除碳風機和1個500 m3的脫氣水箱組成，除碳器流速為60 m/h，并配有自動加硫酸裝置，通過吹脫使得ρ（CO2）＜10 mg/L。
3．6 高效反滲透
高效反滲透系統(tǒng)為一級兩段，其中一段3個單元，二段4個單元，一段每單元設(shè)28 根膜殼，每根膜殼有8 支膜元件，3個單元共672 支Dow30-440i 膜；二段每單元設(shè)6 根膜殼，每根膜殼有8支膜元件，共192 支Dow30-440i 膜，膜系統(tǒng)的設(shè)計通量為28．22 L/（m2·h），膜系統(tǒng)回收率為85％，在反滲透系統(tǒng)入口處加氫氧化鈉（33％）120 mg/L，調(diào)節(jié)二段濃水側(cè)pH 值使之達到10．5～11．0。系統(tǒng)在堿性條件下運行，有機物、微生物及硅垢污染均得到控制，由于預處理已經(jīng)脫除了硬度及堿度，所以不存在結(jié)垢的問題，使得反滲透膜的回收率最高可達85％以上。設(shè)計化學清洗頻率為1 次/a。
4 運行結(jié)果分析
4．1 預處理系統(tǒng)運行狀況分析
污水處理廠出水水質(zhì)不能達到二級排放標準的要求，并且波動較大，特別是冬季，水質(zhì)更為惡劣，因此反滲透的預處理系統(tǒng)是保障整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。預處理系統(tǒng)各單元的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果如表2 所示。
預處理系統(tǒng)選用的軟化樹脂是否受到污染是軟化工藝成功與否的關(guān)鍵，經(jīng)過3 a多的運行，樹脂性能并沒有明顯的退化，鈉床的單元制水量一直維持在1 200 m3，經(jīng)過化驗，樹脂的全交換容量為4．6 mol/g，弱酸床的單元制水量在8 000 ~ 10 000m3，全交換容量為11．42 mol/g。
表2 預處理各單元的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果
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4．2 高效反滲透運行狀況分析
直接采用石灰軟化澄清出水作為冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)的補水，反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水只作為熱網(wǎng)補水及鍋爐補水，通過鈉床及弱酸床可將硬度降低至100μg/L（以CaCO3計），從而完全消除了鈣鹽結(jié)垢的風險，同時，預處理系統(tǒng)可使得進入反滲透系統(tǒng)的污水濁度降至3 NTU 以下。高效反滲透系統(tǒng)運行情況如圖2 所示。
從2010 年1 月到2012 年6 月，系統(tǒng)經(jīng)歷了3次化學清洗，系統(tǒng)通量得到了一定程度的恢復，從2010 年1 月至7 月，系統(tǒng)的出力下降很快，這主要是因為來水水質(zhì)劇烈波動，使得進入反滲透系統(tǒng)的污水濁度和硬度偶爾超標，反滲透膜受到一定程度的污染，在3 a的運行時間里，系統(tǒng)的出力總體來說比較穩(wěn)定，系統(tǒng)的產(chǎn)水量從最初的630 m3/h降低到486．8 m3/h，系統(tǒng)的回收率一直維持在75％以上。
高效反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)如表3 所示。由表3可知，反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水pH 值及NH3-N 濃度比原設(shè)計值高，但對將其作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的部分補充水及對于后續(xù)的鍋爐補給水處理系統(tǒng)并沒有太大的影響，可以滿足生產(chǎn)的需要。
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圖2 高效反滲透系統(tǒng)運行情況
表3 高效反滲透產(chǎn)水水質(zhì)
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5 結(jié)語
采用石灰軟化-高效反滲透技術(shù)有效地解決了來水水質(zhì)惡劣、波動大的問題，其中石灰軟化澄清系統(tǒng)是保障反滲透系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，從長期的運行結(jié)果來看，高效反滲透預處理系統(tǒng)的軟化樹脂并沒有受到明顯的有機污染，反滲透膜在高pH 值（大于10．5）的堿性條件下運行，系統(tǒng)的產(chǎn)水量、回收率、清洗頻率遠優(yōu)于傳統(tǒng)的超濾-反滲透工藝。系統(tǒng)運行效果雖然沒有達到設(shè)計要求，但3 a多的實際運行情況表明，該技術(shù)實現(xiàn)了市政污水的合理回用，達到了節(jié)能減排的目標，回用水水質(zhì)能滿足生產(chǎn)需求。
參考文獻：
［1］德巴斯什·穆霍帕德黑．高效率操作的反滲透方法和設(shè)備［P］．中國：CN97197289．3，1999-02-12．
［2］李銳，何世德．城市中水在電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用與展望［J］．環(huán)境科學與管理，2008，33（3）：152-155．
［3］王平，孫心利，李立新. 中水回用于火電廠冷卻水系統(tǒng)的問題分析［J］．工業(yè)用水與廢水，2008，39（2）：10-12．
［4］楊汝德．現(xiàn)代工業(yè)微生物學教程［M］．北京：高等教育出版社，2006． 118-120．
作者簡介：王曉義（1975-），男，河北新樂人，工程師，長期從事電廠化學技術(shù)監(jiān)督及污水處理工作。
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