采用膜法回收循環(huán)冷卻水工藝的完善
陜西某熱電廠廢水主要來源于工業(yè)循環(huán)冷卻水和鍋爐排水，廢水中離子含量較高。為使排污水得到循環(huán)利用，該廠建成1 套反滲透（RO）系統(tǒng)用于排放污水的處理，以期實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、降低成本的目的，然而新建成的RO 系統(tǒng)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)了一段時(shí)間后，出現(xiàn)了嚴(yán)重的污堵，甚至無法完成72 h 連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)幾近全線癱瘓。受該廠委托，中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院針對該廠RO 系統(tǒng)中出現(xiàn)的污堵問題及其廢水處理工藝特點(diǎn)，對其RO 系統(tǒng)進(jìn)行了改造和調(diào)整，在RO 前增加了1 套前處理裝置，起到保護(hù)后續(xù)RO 工藝穩(wěn)定運(yùn)行的作用，并最終解決了RO系統(tǒng)的污堵問題，實(shí)際運(yùn)行時(shí)處理后的污水作為補(bǔ)充水回用于冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)，效果很好。
1 系統(tǒng)概述
1.1 廢水來源及回用目標(biāo)
原RO 系統(tǒng)處理生產(chǎn)廢水80~250 m3/h，其廢水來源包括：冷卻塔排污和溢流，轉(zhuǎn)機(jī)冷卻水，取樣架冷卻水，空冷器、冷油器冷卻水，鍋爐定連排水，射水箱排水，輸煤棧橋沖洗水，渣斗排水等。生活污水排放量僅為5~6 m3/h，經(jīng)生物處理后排入工業(yè)污水集水井，與工業(yè)污水相混合；赜盟饕鳛檠h(huán)冷卻水，直接補(bǔ)進(jìn)電廠冷卻塔。
1.2 原廢水處理工藝流程和進(jìn)出水水質(zhì)
原廢水處理工藝流程見圖1，進(jìn)水水質(zhì)及回用標(biāo)準(zhǔn)見表1。
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圖1 原工藝流程
表1 進(jìn)水水質(zhì)及回用標(biāo)準(zhǔn)
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2 反滲透系統(tǒng)中存在的問題
2.1 調(diào)節(jié)池
調(diào)節(jié)池池容比較小，水的pH 容易受到?jīng)_擊，來水主要為循環(huán)水，同時(shí)接納了一定量的鍋爐排水。其中鍋爐水pH 接近11，循環(huán)水的pH 則在8.5～9.0，兩種水源的pH 差異較大。而且鍋爐水的水溫較高，又造成了其與循環(huán)冷卻水在溫度上的差異。在不同pH和水溫下絮凝劑的絮凝效果是截然不同的，其處理的水源必須是混合均勻的、性質(zhì)穩(wěn)定的，而水系統(tǒng)從不均勻趨向于均勻的過程需要一定的時(shí)間，然而現(xiàn)有調(diào)節(jié)池的池容小，這必然造成來水在其中的停留時(shí)間過短，無法使其完全混合均勻，給后續(xù)的絮凝沉淀工藝帶來很大的影響。
2.2 絮凝沉淀池
《城市污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 19923—2005）中指出，平流沉淀池沉淀時(shí)間宜為2~4 h，所以一般情況下，污水絮凝沉淀池設(shè)計(jì)的有效停留時(shí)間都超過2 h，但由于現(xiàn)場設(shè)計(jì)中采用了高效絮凝池新技術(shù)，使絮凝停留時(shí)間縮短到了30 min，而通過現(xiàn)場調(diào)試運(yùn)行情況來看，絮凝沉淀的效果很不好，只有在減少流量的情況下，才能出現(xiàn)有效絮凝沉降的“清亮層”。由于出水夾帶的絮凝團(tuán)非常豐富，卻沒有足夠的反應(yīng)停留時(shí)間進(jìn)行完全沉降，而在后面流速變急時(shí)又會被重新打碎，隨水流繼續(xù)進(jìn)入后段工藝設(shè)備，所以造成出水濁度、SDI 都非常高。
2.3 絮凝劑
原工藝以聚合氯化鋁作為絮凝劑使用，然而聚合氯化鋁有效絮凝的pH 范圍為5~8，根據(jù)前面的分析，來水的pH 已超過這個(gè)范圍，聚合氯化鋁在水中難以達(dá)到較好的絮凝沉降效果，以至非但不能完全發(fā)揮絮凝劑的效用，反而會引起或加劇污堵。
2.4 UF（MF）的缺失
在污水處理中，RO 一般都以UF 作為預(yù)處理的手段，特別是對濁度、SDI 較高的來水。當(dāng)預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或不能發(fā)揮作用時(shí)，污染物就會進(jìn)入RO 系統(tǒng)，并在膜表面堆積，若給水中含有微生物，它的繁殖會導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果。
本項(xiàng)目中恰恰因?yàn)榍捌谠O(shè)計(jì)中缺失了UF（MF），以致造成保安過濾器堵得非常快，甚至幾個(gè)小時(shí)就無法出水；由于濾芯換的太頻繁，成本太高，所以現(xiàn)場不得不實(shí)行了一種穿透運(yùn)行的方式，結(jié)果造成污染物后移，使RO 堵塞速度加快。作為預(yù)處理手段，UF 膜的使用具有不可忽視的作用，它可以完全去除不溶解的物質(zhì)，降低顆粒物的污染風(fēng)險(xiǎn)，使得RO 的設(shè)計(jì)水通量可以適當(dāng)增加約10%~20%。
然而，并非采用了超濾就可以去除一切對RO產(chǎn)生污染的物質(zhì)。這是由于一方面用于RO 預(yù)處理的超濾膜都屬于篩分過濾，過濾孔徑大約在0.02~0.05 μm，雖然大部分不溶解的物質(zhì)都會被截留，但是很多溶解在水中的有機(jī)物同樣會對反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生污染，而這恰恰是超濾預(yù)處理不能解決的。另一方面，微濾和超濾預(yù)處理系統(tǒng)經(jīng)常要伴隨著藥劑的加入，例如絮凝劑、阻凝劑、氧化劑、酸和堿等，這些化學(xué)物質(zhì)有可能在超濾的產(chǎn)水中存留，進(jìn)而導(dǎo)致反滲透污染和劣化，因此在實(shí)際運(yùn)行時(shí)必須根據(jù)來水的波動和前后處理工藝的運(yùn)行情況隨時(shí)調(diào)整超濾系統(tǒng)的運(yùn)行和清洗方式。
2.5 RO 進(jìn)水pH 的控制
RO 膜進(jìn)水的pH 在各種膜的使用手冊中都沒有作明確規(guī)定，只規(guī)定了RO 膜在較短的時(shí)間里可允許的pH 范圍；一般清洗過程的pH 范圍為3～10或2～11 等。主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員并不一定了解膜化學(xué)的各個(gè)側(cè)面，而將早期針對某一種特定污水處理的設(shè)計(jì)“克隆”至其他項(xiàng)目。例如：原本設(shè)計(jì)地下水的流程被“局部”放入污水處理項(xiàng)目中，而有些適用于污水處理的裝置又被“克隆”至地下水、地表水中等等，這一做法就引起了許多設(shè)計(jì)的不合理性。在設(shè)計(jì)中，一些內(nèi)容是“摘取”一個(gè)成功系統(tǒng)的一部分或一個(gè)流程段，這就造成了一些新項(xiàng)目里的“夾生飯”。由于pH 規(guī)定的模糊性，造成設(shè)計(jì)人員對RO 膜進(jìn)水的pH 不作明確要求，這也為RO 膜的結(jié)垢埋下了隱患。
自然界中的水含有鈣、鎂和堿度，包括易結(jié)垢的Ba、Sr 和硫酸根、硅酸鹽等，本身就有一定pH 的緩沖能力，在沒有人為干預(yù)的情況下，天然水的pH 一般都在7 左右，這時(shí)的pH 反映的是一個(gè)CO32-和HCO3-的比值。在循環(huán)水排污中，由于冷卻塔的曝氣停用，pH 一般可升高可至9 左右，此時(shí)水中堿度主要以CO32-形式體現(xiàn)。另外，循環(huán)冷卻水中各種結(jié)垢性離子，一般都濃縮至接近各種離子結(jié)垢的濃度，因?yàn)檠h(huán)水實(shí)行最小排污，所以不管濃縮幾倍（一般為3 倍左右），排水中的結(jié)垢性離子都是超飽和的，達(dá)到循環(huán)冷卻水阻垢緩蝕劑所允許的最大限度，屬強(qiáng)結(jié)垢性水質(zhì)。而RO 回收時(shí)還要對這種水體進(jìn)一步濃縮，回收率一般為60%~80%，無疑放大了結(jié)垢的可能性，因此若不對進(jìn)水pH 進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)垢性離子將迅速結(jié)垢，直接導(dǎo)致RO 癱瘓。所以對高pH 水質(zhì)（pH＞8）不能直接進(jìn)入RO 系統(tǒng)，特別是循環(huán)水排污水（或其他硬度偏大的水）必須進(jìn)行pH 調(diào)節(jié)。
3 改進(jìn)后工藝流程和措施
改進(jìn)后工藝流程見圖2。
3.1 增加UF 裝置
就本工程的進(jìn)出水水質(zhì)的特點(diǎn)和要求，建議在RO 前面增添UF 系統(tǒng)，以緩解RO 的污染趨勢。
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圖2 改進(jìn)后廢水處理工藝流程
3.2 RO 前加酸控制pH
由于來水中主要為循環(huán)水，其離子含量較高，pH 也很高，極易產(chǎn)生結(jié)垢，在進(jìn)入RO 之前對其進(jìn)行加酸處理，控制進(jìn)水pH，并適當(dāng)投加合適的膜阻垢劑，以減少水中結(jié)垢離子對反滲透膜元件的污染。
3.3 增大調(diào)節(jié)池的容量
由于來水水質(zhì)差異較大，且溫度、流量等均存在很大不同，因此如果不能在絮凝沉淀過程前達(dá)到充分混勻的話，很容易影響絮凝效果，不能有效地將污染物沉淀，因此本項(xiàng)目的改進(jìn)措施之一就是增大調(diào)節(jié)池的容量，從而延長了來水的混合時(shí)間，保證了進(jìn)水在絮凝池的沉淀效果。
3.4 徹底的在線清洗
由于系統(tǒng)一直在調(diào)試階段，反復(fù)開停機(jī)不間斷運(yùn)行，且由于水質(zhì)及預(yù)處理的不穩(wěn)定性，造成了膜污染的日趨加重，系統(tǒng)改造完成后，為了保證產(chǎn)水的穩(wěn)定順利進(jìn)行，首先對RO 系統(tǒng)進(jìn)行了有針對性的化學(xué)清洗，徹底清理了反滲透系統(tǒng)中的污染物，為后面的72 h 連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行打下了良好的基礎(chǔ)。
在線清洗過程中發(fā)現(xiàn)，清洗液呈黃棕色，且酸洗堿洗均有明顯效果，明顯為前期絮凝劑過量的污染產(chǎn)物，由于系統(tǒng)太臟，必須循環(huán)清洗數(shù)次直至清洗液比較清透，才可轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。
4 運(yùn)行效果
由于采取了有針對性的措施，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，RO 系統(tǒng)恢復(fù)了正常，RO 進(jìn)膜壓力、滲透液流量基本穩(wěn)定，產(chǎn)水水質(zhì)也達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)也應(yīng)該注意在實(shí)際運(yùn)行中在保證進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，應(yīng)做好反滲透進(jìn)水的預(yù)處理，并在實(shí)踐中逐漸摸索出最佳工藝及操作條件，以保證污水深度處理工程的穩(wěn)定運(yùn)行。
［作者簡介］聶明（1978—），2000 年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院，工程師。
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