雙膜法工藝在中水回用中的應(yīng)用

黃代存

中石油云南石化有限公司, 云南 昆明 650399

0 前言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人口的增長(zhǎng)使水資源日益短缺,水資源短缺已經(jīng)成為制約企業(yè)發(fā)展的主要因素。中水回用是指將城市居民的生活用水進(jìn)行集中,利用生物化學(xué)和物理化學(xué)手段進(jìn)行提純、凈化等處理,實(shí)現(xiàn)水源的重復(fù)使用[1-4]。城市中水回用為解決水資源短缺提供了一條有效途徑,不但可以緩解水資源緊張的矛盾,而且由于污水資源的有效利用,還能帶動(dòng)污水處理事業(yè)的發(fā)展[5-18]。雙膜法水處理技術(shù)是指通過(guò)采用“超濾+反滲透”的工藝降低水中各種鹽份,超濾作為反滲透系統(tǒng)的預(yù)屏障,主要用于去除水中的膠體物質(zhì)、高分子有機(jī)物、懸浮物等,反滲透則進(jìn)一步對(duì)污水進(jìn)行脫鹽,從而確?；赜盟|(zhì)。某石化公司由于產(chǎn)能擴(kuò)大導(dǎo)致用水緊缺,通過(guò)采用雙膜法工藝建成中水回用裝置,有效解決了水資源短缺瓶頸。

1 中水回用工藝流程

中水回用裝置采用符合GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的污水作為原水,工程總處理規(guī)模約1.2×104m3/d,產(chǎn)出水用于循環(huán)水場(chǎng)的循環(huán)冷卻補(bǔ)充水和電廠的一級(jí)除鹽水,其中循環(huán)冷卻水補(bǔ)水和一級(jí)除鹽水各5 000 m3/d。中水回用裝置主要包括預(yù)處理部分超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)和真空脫氣系統(tǒng)，具體工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 中水回用裝置工藝流程圖

1.1 預(yù)處理部分

中水回用裝置的預(yù)處理部分由生化、混凝和氣浮過(guò)濾等處理單元組成。生化處理單元采用淹沒(méi)式固定床生物反應(yīng)池,主要用于NH3-N和去除水中COD、BOD等有機(jī)物?；炷龁卧煽焖倩旌铣睾托跄龜嚢璩亟M成,快速混合池采用機(jī)械攪拌混合方式,對(duì)加入Al2(SO4)3的原水進(jìn)行攪拌達(dá)到藥劑與原水均勻的目的;絮凝攪拌池采用特定的水力結(jié)構(gòu),保證了充分的絮凝時(shí)間和必要的速度梯度,并根據(jù)快速混合池的投藥量自動(dòng)調(diào)整攪拌速度,確保達(dá)到穩(wěn)定的絮凝效果。氣浮過(guò)濾單元將氣浮和過(guò)濾的處理功能組合在一起,用于生化處理后的固液分離,氣浮濾池能將水中SS降至3 mg/L以下,出水濁度一般為0.1 mg/L。為了避免冬季水溫過(guò)低影響微生物生長(zhǎng),在原水罐設(shè)有加熱系統(tǒng),利用煉油廠余熱對(duì)原水進(jìn)行加熱,確保冬季運(yùn)行。

1.2 超濾系統(tǒng)

超濾系統(tǒng)采用內(nèi)壓式多孔纖維超濾膜,設(shè)計(jì)過(guò)濾通量為60～140 L/m2·h,反洗通量為200～250 L/m2·h,每根膜件面積為50 m2,采用錯(cuò)流過(guò)濾方式,過(guò)濾精度為0.01 μm,允許進(jìn)水pH范圍為3～10,允許最大透膜壓差為0.08 MPa。超濾系統(tǒng)設(shè)有反沖洗、加NaClO反沖洗和加HCl反沖洗三種操作模式,在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下,超濾系統(tǒng)每過(guò)濾40 min反沖洗1次,反沖洗10次進(jìn)行1次加NaClO反沖洗,加NaClO反沖洗10次進(jìn)行1次加HCl反沖洗。為了確保超濾反洗用水,每次只對(duì)1列進(jìn)行反沖洗。

1.3 反滲透系統(tǒng)

反滲透系統(tǒng)采用二級(jí)串聯(lián)組合方式,二級(jí)反滲透對(duì)一級(jí)反滲透產(chǎn)水作進(jìn)一步處理,以提高產(chǎn)水水質(zhì)達(dá)到電廠一級(jí)除鹽水標(biāo)準(zhǔn)。一級(jí)反滲透濃水排放至煉油廠污水處理場(chǎng),二級(jí)反滲透濃水返回至超濾產(chǎn)水池。一級(jí)反滲透選用寬通道抗污染聚酰胺卷式反滲透膜,一級(jí)反滲透設(shè)計(jì)回收率為77%;二級(jí)反滲透采用通量大脫鹽率高的聚酰胺卷式反滲透膜,二級(jí)反滲透設(shè)計(jì)回收率為83%。每根膜件有效面積為40 m2,設(shè)計(jì)通量為21 L/m2·h,單根膜件最低脫鹽率為99%,最高進(jìn)水溫度為45 ℃,最高操作壓力為4.1 MPa,連續(xù)運(yùn)行的進(jìn)水pH范圍為2～11。

1.4 真空脫氣系統(tǒng)

真空脫氣系統(tǒng)為后處理部分,主要去除水中O2和CO2,采用水環(huán)式真空泵進(jìn)行抽真空。在真空脫氣塔前面設(shè)有加熱系統(tǒng),進(jìn)水溫度控制在40 ℃左右。真空脫氣塔內(nèi)噴淋布水處下設(shè)有三層硬質(zhì)聚乙烯材料制作的填料,以增加水氣接觸界面,使水中的溶解性氣體能順利通過(guò)界面進(jìn)入氣相。該真空脫氣系統(tǒng)出水O2含量在 15 mg/L 以下,CO2含量在1.2 mg/L以下。

2 運(yùn)行情況

2.1 超濾系統(tǒng)

2.1.1 超濾出水SDI

SDI(淤泥密度指數(shù))是反滲透系統(tǒng)最重要的進(jìn)水指標(biāo)之一,超濾為反滲透的屏障,確保反滲透進(jìn)水SDI合格。中水回用裝置自投運(yùn)以來(lái),超濾出水SDI平均1.0左右,超濾出水SDI變化情況見(jiàn)圖2。

圖2 超濾出水SDI變化趨勢(shì)圖

由圖2可看出,隨著時(shí)間的推移,后期超濾出水SDI升高且波動(dòng)較大,分析原因主要是與膜系統(tǒng)預(yù)處理運(yùn)行有關(guān),預(yù)處理運(yùn)行差,超濾進(jìn)水濁度大,則出水SDI也隨之升高。從總體上看,超濾出水SDI小于3,能夠有效防止反滲透膜污堵和細(xì)菌污染等。

2.1.2 超濾壓差

中水回用超濾系統(tǒng)允許最大壓差為0.08 MPa,壓差過(guò)高可造成超濾進(jìn)水壓力上升,產(chǎn)水量下降,化學(xué)清洗頻繁,超濾壓差變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖3 超濾壓差變化趨勢(shì)圖

由圖3可看出,在運(yùn)行過(guò)程中超濾透膜壓差出現(xiàn)顯著升高情況,但通過(guò)在線加藥反洗可使壓差下降,說(shuō)明通過(guò)反沖洗、加NaClO反沖洗和加HCl反沖洗等清洗，可有效避免污垢的形成和微生物的滋生,防止超濾上升。

2.1.3 超濾產(chǎn)水量

超濾產(chǎn)水量與操作壓力、進(jìn)水溫度、濁度等因素有關(guān)。運(yùn)行試驗(yàn)表明,超濾在低壓時(shí)產(chǎn)水量隨壓力升高而增加,但當(dāng)操作壓力超過(guò)0.3 MPa時(shí),即使壓力再升高,其產(chǎn)水量的增加也不大,分析原因主要是由于高壓下超濾膜被壓密而增大透水阻力所致,超濾產(chǎn)水量變化情況見(jiàn)圖4。

圖4 超濾產(chǎn)水量變化趨勢(shì)圖

由圖4可看出,當(dāng)進(jìn)水壓力為0.2 MPa時(shí)產(chǎn)水量約130 m3/h,進(jìn)水壓力提高至0.3 MPa時(shí),產(chǎn)水量最高可達(dá)140 m3/h。但超濾系統(tǒng)在提升產(chǎn)水量時(shí),需注意濃差極化現(xiàn)象和防止有機(jī)物、膠體物質(zhì)對(duì)超濾膜造成污染。

2.2 反滲透系統(tǒng)

2.2.1 反滲透產(chǎn)水量

反滲透產(chǎn)水量的影響因素較多,進(jìn)水溫度、操作壓力和膜的清潔度都能對(duì)反滲透產(chǎn)水量造成影響。試驗(yàn)表明,溫度15～30 ℃范圍內(nèi),溫度每升高1 ℃,膜的透水能力增加2.7%～3.5%[19-21]。由于原水罐裝置前面設(shè)有加熱系統(tǒng)將原水溫度控制在25 ℃,所以反滲透進(jìn)水溫度比較穩(wěn)定。反滲透產(chǎn)水量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 反滲透產(chǎn)水量變化趨勢(shì)圖

由圖5可看出,一級(jí)反滲透產(chǎn)水量為240 m3/h,二級(jí)反滲透產(chǎn)水量為190 m3/h。

2.2.2 反滲透回收率

反滲透回收率變化情況見(jiàn)圖6。

圖6 反滲透回收率變化趨勢(shì)圖

由圖6可看出，裝置運(yùn)行初期一級(jí)反滲透回收率在78%左右,二級(jí)反滲透回收率在85%左右,反滲透回收率較高?；厥章蔬^(guò)高可導(dǎo)致反滲透濃差極化,使反滲透膜壓差升高,加速膜污染現(xiàn)象的發(fā)生,造成膜性能下降,縮短反滲透使用壽命。從后期運(yùn)行看,一級(jí)反滲透回收率控制在75%,二級(jí)反滲透回收率控制在80%較為合理。

2.2.3 反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率

反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率情況見(jiàn)圖7。由圖7可看出,二級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率在10 μs/cm左右,一級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率在20 μs/cm左右。按設(shè)計(jì)要求，二級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率應(yīng)小于10 μs/cm。由初期中水回用裝置運(yùn)行結(jié)果看,二級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率偏大，這與進(jìn)水含鹽量、回收率的控制和操作壓力等有關(guān)。進(jìn)水含鹽量大,則產(chǎn)水電導(dǎo)率高;加大操作壓力,反滲透膜被壓實(shí),可減小溶質(zhì)透過(guò)率,但會(huì)對(duì)膜造成影響。由后期反滲透運(yùn)行結(jié)果看,二級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率基本在6 μs/cm左右,一級(jí)反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率基本在12 μs/cm左右。

圖7 反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率變化趨勢(shì)圖

3 運(yùn)行成本

中水回用裝置運(yùn)行成本見(jiàn)表1。

表1 中水回用裝置運(yùn)行成本表

由表1可看出，水資源費(fèi)為0.60元/t,經(jīng)生化、氣浮過(guò)濾處理后制成循環(huán)水補(bǔ)水運(yùn)行成本為2.44元/t,氣浮濾池產(chǎn)水經(jīng)雙膜法工藝處理制成一級(jí)除鹽水運(yùn)行成本為7.63元/t,該運(yùn)行費(fèi)用低于煉油廠化學(xué)水裝置12元/t的一級(jí)除鹽水制水成本,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

雙膜法工藝具有節(jié)省占地面積、操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn),在城市污水再生回用中具有廣泛的應(yīng)用前景。超濾作為反滲透的屏障,有效降低了反滲透進(jìn)水SDI值,對(duì)于反滲透的長(zhǎng)周期運(yùn)行和生產(chǎn)穩(wěn)定具有積極作用。但由于城市污水復(fù)雜多樣,在運(yùn)行過(guò)程需加強(qiáng)膜系統(tǒng)預(yù)處理的監(jiān)控,防止預(yù)處理出水水質(zhì)變差,影響雙膜系統(tǒng)運(yùn)行。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)不可激進(jìn),反滲透回收率不宜過(guò)高,從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看,中水回用一級(jí)反滲透回用率控制在70%～75%較為合理,二級(jí)反滲透回用率不宜大于80%。