化工廢水深度處理MBR+RO組合工藝
化工廢水一般具有可生化性差、高鹽等特點,若直接進入生化系統(tǒng),會給生化處理帶來很大難度,難以實現(xiàn)達標排放。
膜生物反應器(membrane bioreactor,MBR)具有污泥齡長、運行穩(wěn)定、水力剪切力大、F/M值(供給污泥的食料與污泥質量比)較小等特點,其微生物群落結構與傳統(tǒng)活性污泥有很大不同。MBR可憑借其優(yōu)良的微生物菌體截留能力,實現(xiàn)多種難降解有機物的有效去除。反滲透膜(RO膜)在廢水處理中常用作脫鹽處理的主要單元,RO膜幾乎能去除水中全部溶解性物質和微生物,產生優(yōu)質回用水。研究表明,水中的Ca2+,Mg2+等無機物和硅類有機物容易在RO膜表面形成沉積物。膜集成工藝可以使系統(tǒng)中不同的水處理方法在各自最適合的工況下發(fā)揮最大的效率,產生遠勝于單個處理單元的最佳效果。
目前,國內關于采用MBR+RO膜集成工藝深度處理廢水再生利用的報道較少。本研究以經過混凝沉淀+A2/O處理后的某工業(yè)園區(qū)化工廢水為研究對象,采用MBR+RO集成膜工藝進行深度處理,實現(xiàn)再生利用,分析了MBR+RO系統(tǒng)的處理性能,考察了MBR膜和RO膜的污染情況,研究了系統(tǒng)能耗,為MBR+RO組合工藝深度處理及再生利用化工廢水提供技術支持。
1、實驗過程
1.1 工藝流程
MBR+RO組合工藝流程如圖1所示。廢水經過混凝沉淀+A2/O常規(guī)處理后進入MBR+RO組合工藝進行深度處理,MBR出水作為RO的進水。MBR系統(tǒng)主要包括膜池和MBR膜組件,RO系統(tǒng)主要包括增壓泵、保安過濾器、高壓泵以及RO膜組件,經過RO膜組件后的濃縮液被直接排放。
1.2 用水水質
化工園區(qū)以化工企業(yè)為主,對各個化工企業(yè)排入園區(qū)污水管道的廢水要嚴格執(zhí)行國家頒布的《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質標準》(GB/T31962―2015)和《污水綜合排放標準》(GB8978―1996),凡不符合排污要求的企業(yè)必須在廠內對廢水進行預處理,達到要求后方可排入園區(qū)污水管網?;@區(qū)廢水呈堿性,色度、含鹽量、NH+4-N和COD濃度均較高,BOD/COD<0.1,屬于難生化降解性水質,廢水水質如表1所示,廢水經過常規(guī)處理后可作為組合工藝MBR+RO的進水。
1.3 膜組件性能參數(shù)及運行條件
中試研究采用的MBR膜組件和RO膜組件的性能參數(shù)及運行條件如表2和表3所示。
采用的MBR膜面積為40m2,在10~15L/(m2?h)膜通量條件下運行,MBR膜組件產水量為400~600L/h,將MBR膜池出水作為RO膜進水,操作壓力不超過1.5MPa,設定回收率不低于70%,則RO膜產水量為280~420L/h,濃水排放量為120~180L/h。
1.4 檢測方法
MBR出水污泥密度指數(shù)(SDI),亦稱污染指數(shù),以評價其作為RO進水的可行性。根據(jù)式(1)計算SDI:
式中:t0為初始時收集500mL水樣所需要的時間,s;tT為經過T時刻后收集500mL水樣所需的時間,s;T為過濾時間,min。
計算RO膜的滲透系數(shù)(β),用以評價RO膜的滲透性,反映膜污染的變化特征。根據(jù)式(2)計算β:
式中:β為滲透系數(shù)(25℃),L/(min?MPa);Q為RO膜滲透流速,L/min;ν為25℃時水的黏度校正系數(shù);P為RO膜進水端和濃水端的平均壓力,MPa。
COD,SS,NH+4-N,TP及色度、含鹽量、硬度均采用國標方法測定,pH值采用pH計(上海PHS-3C)進行測定。
2、結果與討論
2.1 污染物去除效果及分析
2.1.1 COD去除效果及分析
不同工藝出水COD變化情況如圖2所示。原水COD質量濃度平均值為(450±100)mg/L,可生化性差。采用混凝沉淀預處理,可有效減少下游生化處理的有機負荷。A2/O生化處理工藝運行穩(wěn)定,厭氧池的水解酸化作用可有效提高廢水的可生化性,經過好氧池,有機物進一步降低,出水COD濃度平均值為(90±18)mg/L,達不到再生水用作工業(yè)用水水源的水質標準。經過MBR膜過濾,將非溶性有機物和活性污泥截留在生化池中,進一步降低了出水COD的濃度,達到再生水回用標準。進一步經過RO膜過濾,產水COD的質量濃度可降到5mg/L左右。這說明對于難生化降解的化工廢水,經過常規(guī)處理很難達到回用標準;經過MBR+RO組合系統(tǒng)進行深度處理,能夠有效去除COD,達到工業(yè)用水水源標準。
2.1.2 SS去除效果及分析
不同工藝出水水質SS的變化情況如圖3所示。原水SS質量濃度平均值為(45±6)mg/L。經過常規(guī)處理階段,出水SS質量濃度平均值為(25±3)mg/L,達到再生水用作工業(yè)用水水源的水質標準。在常規(guī)處理過程中,混凝具有很好的去除SS的效果,但經過A2/O工藝,SS略有升高,這是因為經過生物處理出水中帶有少量污泥造成的。經過MBR膜過濾,將活性污泥截留在生化池中,進一步降低了出水SS的質量濃度;經過RO膜過濾,產水SS質量濃度可降到1mg/L以下。經過MBR膜及RO膜過濾,出水清澈透明,膜出水濁度<0.2NTU。這說明,經過MBR+RO組合系統(tǒng)進行深度處理,能夠有效去除SS,達到工業(yè)用水水源標準。
2.1.3 氨氮去除效果及分析
不同工藝出水水質氨氮的變化情況如圖4所示。原水氨氮質量濃度較低,平均值為(9±3)mg/L,已滿足再生水用作工業(yè)用水水源的水質標準。經過常規(guī)處理階段,出水氨氮質量濃度小于5mg/L;經過MBR膜過濾、降解氨氮等污染物,進一步降低了出水氨氮的質量濃度;經過RO膜過濾,產水氨氮質量濃度可降到2mg/L以下。原水氨氮質量濃度較低,經過MBR+RO組合系統(tǒng)進行深度處理,能夠進一步有效去除氨氮,這說明MBR+RO組合工藝能有效降低氨氮的濃度。
2.1.4 TP去除效果及分析
不同工藝出水水質TP的變化情況見圖5。原水TP質量濃度平均值為(2.5±0.5)mg/L,經過常規(guī)處理階段,由于A2/O工藝的較強除磷效果,出水TP質量濃度降低至(1.5±0.3)mg/L,但不滿足工業(yè)用水水源的水質標準;經過MBR膜過濾及微生物的分解作用,出水TP質量濃度仍保持在1.5mg/L,此過程對于低濃度的TP基本沒有去除作用;經過RO膜過濾,產水TP質量濃度可降到0.8mg/L左右,滿足工業(yè)用水水源的水質標準。經過MBR+RO組合系統(tǒng)進行深度處理,特別是RO膜的反滲透過濾作用,能夠進一步有效去除TP。
2.1.5 色度去除效果及分析
不同工藝出水水質色度的變化情況如圖6所示。原水色度平均值為(175±25)倍,經過常規(guī)處理階段,出水色度降低至35倍左右。經過MBR膜過濾及微生物的分解作用,出水色度進一步降低至25倍左右,去除效果不是很明顯。這是由于廢水中的色度主要是由于溶解性的污染物引起的。經過RO膜過濾,產水色度可降到8倍左右,出水清澈透明,出水濁度<0.2NTU,滿足工業(yè)用水水源水質標準。經過MBR+RO組合系統(tǒng)進行深度處理,特別是RO膜的反滲透過濾作用,能夠進一步有效去除色度。
2.1.6 溶解性總固體(TDS)去除效果及分析
不同工藝出水TDS的變化情況如圖7所示。原水TDS平均值為(2700±500)mg/L,經過常規(guī)處理階段,TDS的去除效果有限,出水TDS仍高達(2400±450)mg/L;經過MBR膜過濾作用,出水ρ(TDS)≥2000mg/L;而RO膜對TDS有很好的截留作用,去除了大部分的TDS,RO出水TDS降到50mg/L以下。RO膜的反滲透過濾過程為脫鹽的主要環(huán)節(jié),表明RO膜的脫鹽能力強。
2.1.7 系統(tǒng)總體去除性能評價
原水在經過常規(guī)處理后,COD,TP及含鹽量不能滿足再生水用作工業(yè)用水的水質標準。MBR膜可進一步截留分解部分污染物,RO膜對所有的污染物均有很強的截留能力,出水中的離子濃度已相當?shù)土?。從檢測指標可以看出,RO系統(tǒng)出水水質完全可以滿足城市污水再生利用工業(yè)用水的水質標準。
2.2 MBR膜和RO膜污染情況及分析
2.2.1 MBR膜本系統(tǒng)
從開始產水運行之日起,連續(xù)運行60天,MBR膜跨膜壓差(TMP)和通量變化如圖8所示。結果表明,在運行初期,MBR膜通量為7.5L/(m2?h),TMP由開始時的4kPa逐漸增大,穩(wěn)定在7kPa左右;當膜通量瞬間提高到15.0L/(m2?h)后,TMP也迅速提高到16kPa,穩(wěn)定4天后進一步增大,最終穩(wěn)定在18kPa左右,直到運行結束。
在穩(wěn)定的膜通量條件下,跨膜壓差基本穩(wěn)定,處于低壓狀態(tài),說明在此運行期間沒有發(fā)生嚴重的膜污染情況。
2.2.2 RO膜
污泥密度指數(shù)(SDI)通常用來表征RO過濾水中顆粒物和膠體的含量,RO和NF一般要求原水SDI小于5。中試期間,測得MBR出水SDI平均值小于4,可完全滿足RO原水的要求,這說明MBR工藝用于RO膜的前處理是完全可行的。
RO膜的滲透性可采用標準化的滲透系數(shù)來表示。滲透系數(shù)指示了RO膜的滲透特性,反映出膜污染的特征變化。運行期間RO膜產水量穩(wěn)定在280~420L/h,產水壓力穩(wěn)定在1.0MPa,滲透系數(shù)保持在4L/(min?MPa),這說明RO膜在運行期間沒有發(fā)生污染,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
2.3 系統(tǒng)能耗分析
中試采用“混凝沉淀+A2/O+MBR+RO”的組合式工藝流程,設備累計運行60天,運行費用主要為耗電費。本次中試處理設備單位水量電耗為1.890kW?h,噸水藥劑費為0.005元。
目前,生活污水的MBR處理噸水能耗為0.450~0.910kW?h,比常規(guī)工藝處理同類污水的噸水能耗(0.240~0.370kW?h)高出1倍~2倍。北京清河再生水廠采用A2/O+MBR工藝,系統(tǒng)研究了污水處理廠的能耗,其平均噸水能耗為(0.920±0.130)kW?h。本次中試研究在深度處理中加入了RO反滲透膜,使出水達到了回用標準。雖然難處理的化工廢水會相應增加運行費用,使得整個工藝的噸水電耗達到1.890kW?h,但高性能的回用水取代新鮮水(工業(yè)園區(qū)工業(yè)用水水費7.87元/t),又降低了企業(yè)的運行成本,更有利于地區(qū)節(jié)約水資源。此外,本次中試研究生化系統(tǒng)及膜池污泥的質量濃度為3500~5000mg/L,試驗過程中沒有排泥,比傳統(tǒng)活性污泥法的污泥產率低,實現(xiàn)了污泥減量化,減少了污泥處置費用。影響膜生物反應器能耗的主要因素是膜污染,本次中試由于進行了系列前處理,因而沒有出現(xiàn)嚴重的膜污染,也相應降低本研究的能耗。
3、結論
1)化工廢水經過混凝沉淀+A2/O工藝常規(guī)處理后進入MBR+RO組合工藝再進行深度處理,可有效去除廢水中的污染物,出水水質可達到城市污水再生利用工業(yè)用水標準。
2)MBR工藝用于RO膜的前處理是完全可行的,運行期間沒有發(fā)生嚴重的膜污染,MBR膜及RO膜污染可得到有效控制。
3)將MBR+RO組合式工藝用于化工廢水回用的技術途徑完全可行,高性能的再生水可有效降低企業(yè)的運行成本,節(jié)約水資源。
4)本研究還有一些不足之處:由于化工園區(qū)廢水處理難度較高,為實現(xiàn)較好的運行效果,需要嚴格控制裝置運行參數(shù)。下一步可在保證組合系統(tǒng)運行穩(wěn)定及出水達標的前提下,探索更加節(jié)能高效的運行參數(shù),優(yōu)化清洗膜污染的有效方法。(來源:河北和騰城鄉(xiāng)規(guī)劃設計有限責任公司,河北省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院,河北建筑工程學院能源與環(huán)境工程學院)
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