雙膜法工藝在中水回用中的應用

黃代存

中石油云南石化有限公司, 云南 昆明 650399

0 前言

經濟的發展與人口的增長使水資源日益短缺,水資源短缺已經成為制約企業發展的主要因素。中水回用是指將城市居民的生活用水進行集中,利用生物化學和物理化學手段進行提純、凈化等處理,實現水源的重復使用[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,還能帶動污水處理事業的發展[5-18]。雙膜法水處理技術是指通過采用“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的預屏障,主要用于去除水中的膠體物質、高分子有機物、懸浮物等,反滲透則進一步對污水進行脫鹽,從而確保回用水質。某石化公司由于產能擴大導致用水緊缺,通過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《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級標準的污水作為原水,工程總處理規模約1.2×104m3/d,產出水用于循環水場的循環冷卻補充水和電廠的一級除鹽水,其中循環冷卻水補水和一級除鹽水各5 000 m3/d。中水回用裝置主要包括預處理部分超濾系統、反滲透系統和真空脫氣系統，具體工藝流程見圖1。

圖1 中水回用裝置工藝流程圖

1.1 預處理部分

中水回用裝置的預處理部分由生化、混凝和氣浮過濾等處理單元組成。生化處理單元采用淹沒式固定床生物反應池,主要用于NH3-N和去除水中COD、BOD等有機物?；炷龁卧煽焖倩旌铣睾托跄龜嚢璩亟M成,快速混合池采用機械攪拌混合方式,對加入Al2(SO4)3的原水進行攪拌達到藥劑與原水均勻的目的;絮凝攪拌池采用特定的水力結構,保證了充分的絮凝時間和必要的速度梯度,并根據快速混合池的投藥量自動調整攪拌速度,確保達到穩定的絮凝效果。氣浮過濾單元將氣浮和過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低影響微生物生長,在原水罐設有加熱系統,利用煉油廠余熱對原水進行加熱,確保冬季運行。

1.2 超濾系統

超濾系統采用內壓式多孔纖維超濾膜,設計過濾通量為60～140 L/m2·h,反洗通量為200～250 L/m2·h,每根膜件面積為50 m2,采用錯流過濾方式,過濾精度為0.01 μm,允許進水pH范圍為3～10,允許最大透膜壓差為0.08 MPa。超濾系統設有反沖洗、加NaClO反沖洗和加HCl反沖洗三種操作模式,在自動運行狀態下,超濾系統每過濾40 min反沖洗1次,反沖洗10次進行1次加NaClO反沖洗,加NaClO反沖洗10次進行1次加HCl反沖洗。為了確保超濾反洗用水,每次只對1列進行反沖洗。

1.3 反滲透系統

反滲透系統采用二級串聯組合方式,二級反滲透對一級反滲透產水作進一步處理,以提高產水水質達到電廠一級除鹽水標準。一級反滲透濃水排放至煉油廠污水處理場,二級反滲透濃水返回至超濾產水池。一級反滲透選用寬通道抗污染聚酰胺卷式反滲透膜,一級反滲透設計回收率為77%;二級反滲透采用通量大脫鹽率高的聚酰胺卷式反滲透膜,二級反滲透設計回收率為83%。每根膜件有效面積為40 m2,設計通量為21 L/m2·h,單根膜件最低脫鹽率為99%,最高進水溫度為45 ℃,最高操作壓力為4.1 MPa,連續運行的進水pH范圍為2～11。

1.4 真空脫氣系統

真空脫氣系統為后處理部分,主要去除水中O2和CO2,采用水環式真空泵進行抽真空。在真空脫氣塔前面設有加熱系統,進水溫度控制在40 ℃左右。真空脫氣塔內噴淋布水處下設有三層硬質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界面進入氣相。該真空脫氣系統出水O2含量在 15 mg/L 以下,CO2含量在1.2 mg/L以下。

2 運行情況

2.1 超濾系統

2.1.1 超濾出水SDI

SDI(淤泥密度指數)是反滲透系統最重要的進水指標之一,超濾為反滲透的屏障,確保反滲透進水SDI合格。中水回用裝置自投運以來,超濾出水SDI平均1.0左右,超濾出水SDI變化情況見圖2。

圖2 超濾出水SDI變化趨勢圖

由圖2可看出,隨著時間的推移,后期超濾出水SDI升高且波動較大,分析原因主要是與膜系統預處理運行有關,預處理運行差,超濾進水濁度大,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菌污染等。

2.1.2 超濾壓差

中水回用超濾系統允許最大壓差為0.08 MPa,壓差過高可造成超濾進水壓力上升,產水量下降,化學清洗頻繁,超濾壓差變化趨勢見圖3。

圖3 超濾壓差變化趨勢圖

由圖3可看出,在運行過程中超濾透膜壓差出現顯著升高情況,但通過在線加藥反洗可使壓差下降,說明通過反沖洗、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 超濾產水量

超濾產水量與操作壓力、進水溫度、濁度等因素有關。運行試驗表明,超濾在低壓時產水量隨壓力升高而增加,但當操作壓力超過0.3 MPa時,即使壓力再升高,其產水量的增加也不大,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,超濾產水量變化情況見圖4。

圖4 超濾產水量變化趨勢圖

由圖4可看出,當進水壓力為0.2 MPa時產水量約130 m3/h,進水壓力提高至0.3 MPa時,產水量最高可達140 m3/h。但超濾系統在提升產水量時,需注意濃差極化現象和防止有機物、膠體物質對超濾膜造成污染。

2.2 反滲透系統

2.2.1 反滲透產水量

反滲透產水量的影響因素較多,進水溫度、操作壓力和膜的清潔度都能對反滲透產水量造成影響。試驗表明,溫度15～30 ℃范圍內,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有加熱系統將原水溫度控制在25 ℃,所以反滲透進水溫度比較穩定。反滲透產水量變化趨勢見圖5。

圖5 反滲透產水量變化趨勢圖

由圖5可看出,一級反滲透產水量為240 m3/h,二級反滲透產水量為190 m3/h。

2.2.2 反滲透回收率

反滲透回收率變化情況見圖6。

圖6 反滲透回收率變化趨勢圖

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

2.2.3 反滲透產水電導率

反滲透產水電導率情況見圖7。由圖7可看出,二級反滲透產水電導率在10 μs/cm左右,一級反滲透產水電導率在20 μs/cm左右。按設計要求，二級反滲透產水電導率應小于10 μs/cm。由初期中水回用裝置運行結果看,二級反滲透產水電導率偏大，這與進水含鹽量、回收率的控制和操作壓力等有關。進水含鹽量大,則產水電導率高;加大操作壓力,反滲透膜被壓實,可減小溶質透過率,但會對膜造成影響。由后期反滲透運行結果看,二級反滲透產水電導率基本在6 μs/cm左右,一級反滲透產水電導率基本在12 μs/cm左右。

圖7 反滲透產水電導率變化趨勢圖

3 運行成本

中水回用裝置運行成本見表1。

表1 中水回用裝置運行成本表

由表1可看出，水資源費為0.60元/t,經生化、氣浮過濾處理后制成循環水補水運行成本為2.44元/t,氣浮濾池產水經雙膜法工藝處理制成一級除鹽水運行成本為7.63元/t,該運行費用低于煉油廠化學水裝置12元/t的一級除鹽水制水成本,具有較好的經濟效益。

4 結論

雙膜法工藝具有節省占地面積、操作簡單、易實現自動控制等優點,在城市污水再生回用中具有廣泛的應用前景。超濾作為反滲透的屏障,有效降低了反滲透進水SDI值,對于反滲透的長周期運行和生產穩定具有積極作用。但由于城市污水復雜多樣,在運行過程需加強膜系統預處理的監控,防止預處理出水水質變差,影響雙膜系統運行。同時在設計時不可激進,反滲透回收率不宜過高,從運行經驗看,中水回用一級反滲透回用率控制在70%～75%較為合理,二級反滲透回用率不宜大于80%。