二氧化氯和次氯酸鈉消毒劑在污水廠再生水處理中的應用比較

李瑞峰

(魯泰紡織股份有限公司，山東淄博 255100)

雙膜法(超濾+反滲透)是再生水處理工程常用的工藝方法。該方法占地面積小、回收率高、產水水質高、脫鹽率穩定，工藝系統簡單可靠[1]。反滲透是其不可或缺的核心技術，為獲得高品質的再生水提供了重要的技術保證。由于反滲透膜易污堵、膜元件價格高且更換頻繁，反滲透系統的運行成本高[2]。膜污染一直是限制膜技術推廣的“瓶頸”，原水水質與膜污染程度緊密相關，適當的預處理可以降低原水對膜的污染[3]。再生水處理采用污水廠尾水作為原水時，進水微生物活性較高，需要加氯消毒控制微生物污染；同時，在反滲透前投加還原劑以去除原水中的氧化性物質，防止膜元件氧化[4]。綜合考慮成本及實際應用，二氧化氯、次氯酸鈉是反滲透預處理常用的含氯消毒劑，亞硫酸氫鈉、焦亞硫酸鈉是常用的反滲透還原劑。

淄博市某市政污水處理廠建設1座2萬t/d的再生水處理系統，采用超濾(UF)與反滲透(RO)的主體處理工藝處理污水廠的尾水，產水回用于電廠等工業生產。超濾前采用加氯消毒，反滲透前采用焦亞硫酸鈉作為還原劑消除過量的消毒劑。本文分別采用復合二氧化氯和次氯酸鈉消毒，研究超濾產水總余氯、焦亞硫酸鈉投加量、反滲透進水余氯之間的關系。

1 再生水處理系統概況

1.1 工藝流程

再生水處理工藝流程如圖1所示。污水處理廠尾水先經過加氯消毒，在預處理水池中充分混合，經自清洗過濾器和超濾裝置去除懸浮物和大分子有機物。超濾產水帶有一定量的余氯，在投加還原劑(焦亞硫酸鈉)、阻垢劑、非氧化性消毒劑后，經保安過濾器，進入反滲透裝置，反滲透產水(再生水)回用于電廠等工業生產。

圖1 再生水處理工藝流程Fig.1 Process of Reclaimed Water Treatment

1.2 設計參數

再生水處理過程中，超濾選用PVDF材質的浸沒式中空纖維超濾膜，設計凈產水通量為40 L/(m2·h)，產水SDI<3，濁度<1 NTU。反滲透膜采用陶氏BW30FR-400/34i，一級兩段式排列，每套反滲透系統共216支膜元件，其中，一段144支，二段72支，反滲透系統設計回收率為70%，詳細的設計參數如表1所示。

表1 再生水處理系統設計參數Tab.1 Design Parameters of Reclaimed Water Treatment System

據報道，采用含氯消毒劑進行污水消毒時，消毒劑與污水接觸20 min后，余氯在0.5 mg/L左右，污水中糞大腸菌群和總大腸菌群數量<90個/L，具有良好的消毒效果[5]。本系統設計接觸消毒時間為30 min，同時經超濾膜過濾后，細菌可大部分被截留。

采用質量濃度為10%(以有效氯計)的次氯酸鈉溶液，現場用玻璃鋼儲罐儲存，直接用計量泵投加到預處理水池中。復合二氧化氯采用化學法復合二氧化氯發生器[6]現場制備，即將氯酸鈉溶液與鹽酸溶液按照1∶1的體積比投加到發生器中，混合消毒液在水射器的抽吸作用下進入預處理水池中與原水充分混合。復合二氧化氯制備的反應原理如式(1)。

2NaClO3+4HCl=2ClO2+Cl2+2H2O+2NaCl

(1)

復合二氧化氯發生器的產量以有效氯產量表示，其數值為設備在額定狀態下工作時，每小時產生有效氯的質量，單位為g/h。有效氯質量濃度即每升消毒劑的溶液相當于若干毫克質量的氯氣，單位為mg/L。

2 復合二氧化氯在再生水處理中的應用

使用復合二氧化氯消毒，其投加濃度為14 mg/L(以有效氯計)，反滲透前還原劑(焦亞硫酸鈉)投加濃度為20 mg/L，連續一周監測超濾產水、反滲透進水總余氯情況(表2)。復合二氧化氯投加濃度為14 mg/L(以有效氯計)時，污水中有機物、微生物等的存在大大消耗了消毒劑的量，超濾產水余氯平均為1.87 mg/L，在反滲透前投加20 mg/L焦亞硫酸鈉(此時焦亞硫酸鈉投加濃度為余氯的10倍)，依然不能消除余氯，反滲透進水余氯高達0.97 mg/L，反滲透膜元件存在氧化的風險。

表2 總余氯分析結果Tab.2 Analysis of Total Residual Chlorine

為了降低反滲透進水余氯，降低復合二氧化氯投加濃度至5 mg/L(以有效氯計)，反滲透前還原劑(焦亞硫酸鈉)投加量增加至40 mg/L，連續一周監測超濾產水、反滲透進水總余氯情況(表2)。復合二氧化氯投加濃度為5 mg/L(以有效氯計)時，超濾產水余氯降為0.88 mg/L，在反滲透前投加40 mg/L焦亞硫酸鈉(此時焦亞硫酸鈉投加濃度為余氯的45倍)，依然存在0.32 mg/L的余氯。

在本系統中，使用復合二氧化氯消毒3年后，反滲透整體的脫鹽率降低至90%以下，前端的反滲透膜元件最先被氧化，脫鹽率低于80%，反滲透產水水質不能滿足用水要求。

一般，反滲透預處理部分需采用氯消毒以防止微生物污染，并維持20～30 min的反應時間，讓整個預處理管線保持0.5～1.0 mg/L的余氯濃度，具體的加氯量需要根據進水中有機物、氨氮、微生物等確定。在進入反滲透膜元件前必須經過徹底的脫氯處理，以防止膜元件受到氯的氧化破壞。理論計算表明，1.34 mg的焦亞硫酸鈉可以脫除1.0 mg的余氯；在工程實踐中，每脫除1.0 mg的余氯需要加入3.0 mg的焦亞硫酸鈉。含氯消毒劑屬于氧化性消毒劑，其在反滲透預處理前為常規使用，對后續反滲透膜有一定的影響。一般要求反滲透進水余氯小于0.1 mg/L，且反滲透前常使用焦亞硫酸鈉去除余氯。若余氯不能被完全還原，可能會造成膜元件的嚴重氧化，從而導致反滲透脫鹽率降低，影響反滲透膜的壽命。

3 次氯酸鈉在再生水處理中的應用

使用次氯酸鈉消毒，其投加濃度為14 mg/L(以有效氯計)，反滲透前還原劑(焦亞硫酸鈉)投加量為10 mg/L，連續一周監測超濾產水、反滲透進水總余氯情況。

表3 總余氯分析結果Tab.3 Analysis of Total Residual Chlorine

4 成本核算

由于消毒劑的使用量與進水水質存在明顯變化，統一按照消毒劑投加濃度為14 mg/L(以有效氯計)計，同時采用復合二氧化氯、次氯酸鈉消毒，后續反滲透還原劑的加藥量不同，分別以焦亞硫酸鈉(固體)投加濃度為20 mg/L(復合二氧化氯消毒時)和6 mg/L(次氯酸鈉消毒時)計算，再生水處理系統回收率按照60%計，分別核算采用2種不同消毒方式時，消毒劑、還原劑的使用成本，如表4所示。

表4 復合二氧化氯及次氯酸鈉消毒成本分析Tab.4 Analysis of Chemical Cost of Compound ClO2and NaClO Disinfectant

復合二氧化氯消毒時，采用化學法復合二氧化氯發生器進行現場制備，消毒成本主要是氯酸鈉及鹽酸，復合二氧化氯消毒成本為0.070元/(t再生水)，僅為次氯酸鈉消毒劑成本的40%。但是，后續還原劑(焦亞硫酸鈉)投加量高，成本達到0.083元/(t再生水)。

次氯酸鈉消毒時，消毒劑的成本相對較高，為0.175元/(t再生水)。但是，后續消耗的還原劑焦亞硫酸鈉成本較低，僅為0.025元/(t再生水)。

綜合來看，采用復合二氧化氯消毒時，消毒劑、還原劑總成本為0.153元/(t再生水)；采用次氯酸鈉消毒時，消毒劑、還原劑總成本為0.200元/(t再生水)。與次氯酸鈉相比，復合二氧化氯應用于反滲透預處理時，整個再生水處理系統的消毒劑、還原劑成本更低。

5 結論和建議

與復合二氧化氯相比，雖然次氯酸鈉應用于反滲透預處理時的運行成本較高，但可以有效避免反滲透膜被氧化，可延長膜的使用壽命，推薦采用次氯酸鈉作為再生水處理的消毒劑。本文的經驗適用于再生水處理工程的設計和運行，為反滲透預處理的設計和運行提供了重要的借鑒。