污水再生處理微濾-反滲透工藝藥劑使用及費用分析

湯 芳,孫迎雪,2,石 曄,李 旭,胡洪營,4* (.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室,北京 00084；2.北京工商大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 00045；.北京博大水務(wù)有限公司,北京 0076；4.清華大學(xué)深圳研究生院,國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點實驗室,廣東 深圳 58055)

污水再生處理微濾-反滲透工藝藥劑使用及費用分析

湯 芳1,孫迎雪1,2,石 曄3,李 旭3,胡洪營1,4*(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室,北京 100084；2.北京工商大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100045；3.北京博大水務(wù)有限公司,北京 100176；4.清華大學(xué)深圳研究生院,國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點實驗室,廣東 深圳 518055)

在微濾/超濾-反滲透(MF/UF-RO)工藝運行過程中,需要投加多種藥劑,以保障反滲透系統(tǒng)的正常運行.系統(tǒng)分析了北京市某再生水廠MF-RO工藝的藥劑使用情況.結(jié)果表明,該MF-RO工藝投加了殺菌劑、阻垢劑、還原劑、非氧化性殺菌劑、中和劑、清洗劑等,在產(chǎn)水量約為7000m3/d時,藥劑總投加量為3347.3kg/周,每噸產(chǎn)水的平均耗藥量為68.32g/m3.該廠每周藥劑總費用約為19,120元,每噸產(chǎn)水的藥劑成本為39.02分/t,其中阻垢劑費用占藥劑成本的比例最大,達(dá)47.44%.

污水再生利用；微濾-反滲透工藝；藥劑；藥劑投加量；藥劑成本

目前我國面臨的資源型缺水和水質(zhì)型缺水問題日漸突出,水資源短缺已經(jīng)成為社會可持續(xù)發(fā)展的制約因素之一.污水再生利用是解決水資源短缺的重要的、不可或缺的措施,也是一條成本低、見效快的解決缺水問題的有效途徑[1].目前,高水質(zhì)要求用戶對再生水的需求不斷增加,微濾/超濾(MF/UF)與反滲透(RO)組合而成的雙膜過濾工藝在污水再生處理領(lǐng)域正逐漸得到應(yīng)用[2-3].

反滲透膜孔徑范圍一般為 0.1～1nm,可去除離子和小分子有機物.微濾(MF)孔徑范圍為0.02～10μm,超濾(UF)孔徑范圍是1nm～0.02μm,可以有效去除水中的懸浮物、膠體和病原菌,是可靠的反滲透預(yù)處理方法[4].但在MF/UF-RO工藝運行過程中,需要投加多種藥劑,如混凝劑、殺菌劑、阻垢劑等,以改善進(jìn)水水質(zhì),避免膜受到微生物、物理或化學(xué)損傷,保證膜過濾系統(tǒng)的正常運行及出水水質(zhì)[5-7].

本文系統(tǒng)考察了北京市某再生水廠MF-RO工藝的藥劑使用情況,分析了污水再生處理的藥劑投加量和藥劑成本,以期為 MF-RO工藝的運行優(yōu)化及節(jié)能降耗提供參考.

1 工藝概況

該再生水廠主體采用 MF-RO工藝,工藝流程如圖1所示,微濾膜和反滲透膜的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.進(jìn)水水源為城市污水處理廠二級出水,進(jìn)水水質(zhì)及出水水質(zhì)如表2所示[8].該廠設(shè)計處理水量為 31 000m3/d,產(chǎn)水量為 21 000m3/d,于2008年7月投產(chǎn),生產(chǎn)的再生水通過再生水配套管網(wǎng)輸送給工業(yè)企業(yè).

2 化學(xué)藥劑及其作用

膜過濾工藝常見的化學(xué)藥劑包括混凝劑、絮凝劑、氧化劑、殺菌劑、軟化劑、酸化劑、阻垢劑、還原劑、清洗劑等.該廠根據(jù)進(jìn)水水質(zhì),選擇性地使用殺菌劑、阻垢劑、還原劑、非氧化性殺菌劑、中和劑等藥劑,并定期、不定期使用清洗劑對膜進(jìn)行清洗,藥劑投加點如圖1所示,藥劑的組分、投加、成本等情況見表3和表4.

圖1 北京市某再生水廠工藝流程Fig.1 Schematic diagram of the MF-RO process in a wastewater reclamation plant in Beijing

2.1 殺菌劑

進(jìn)水預(yù)氯化可以抑制微生物繁殖,控制生物膜的形成,保護(hù)膜免受微生物及部分有機物的污染,同時也可以氧化進(jìn)水中的錳和鐵等[7].氯消毒殺菌效果穩(wěn)定,價格低廉,使用方便,所以該廠選用有效氯濃度8%～10%的次氯酸鈉(NaClO)溶液作為殺菌劑.目前確定的進(jìn)水加藥濃度為17mg/L,即有效氯濃度為1.36～1.70mg Cl2/L,水體在進(jìn)入微濾膜前,有效氯濃度已降低至0.5mg Cl2/L以下,工藝沿程有效氯的消耗量較大.

在出水口向反滲透產(chǎn)水持續(xù)投加 2.7mg/L的殺菌劑,以保證再生水管網(wǎng)末端余氯量30.2mg Cl2/L,抑制微生物滋生,提高水質(zhì)穩(wěn)定性.

表1 微濾膜和反滲透膜系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of the microfiltration and reverse osmosis membranes

表2 北京市某再生水廠MF-RO工藝進(jìn)水、出水水質(zhì)Table 2 Influent and effluent water quality of the MF-RO process

2.2 阻垢劑

控制膜結(jié)垢的關(guān)鍵是調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值和投加阻垢劑[10].污水處理廠二級出水中含有一定濃度的溶解性總固體(TDS),易在膜表面形成難溶鹽,如碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鍶和二氧化硅等[10].同時,污水中還含有溶解性的污水有機物質(zhì)(EfOM),包括多糖、蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸、腐殖酸、富里酸、有機酸和細(xì)胞組分等.由于EfOM分子量小,可以通過超濾或微濾等預(yù)處理到達(dá)反滲透系統(tǒng),造成反滲透膜結(jié)垢,水中的鈣離子 Ca2+也可以與 EfOM組分形成復(fù)合物,使膜結(jié)垢現(xiàn)象更為嚴(yán)重[11].酸化可以防止鈣鹽和碳酸鹽結(jié)垢,一般將 pH值調(diào)節(jié)到6.9左右即可[7].阻垢劑可以破壞鹽晶體的晶格結(jié)構(gòu),并通過堵塞晶體的生長點來防止晶體生長[12].常用的反滲透阻垢劑包括有機膦酸(鹽)類、聚羧酸類、無機聚磷酸鹽類、聚天冬氨酸類、聚環(huán)氧琥珀酸類等[13].

表3 某再生水廠MF-RO工藝藥劑(除清洗劑外)的使用情況Table 3 Chemical reagents (except cleaning reagents) used in the MF-RO process

表4 北京某再生水廠MF-RO工藝清洗劑的使用情況Table 4 Cleaning reagents used in the MF-RO process

該廠所使用的阻垢劑主要成分為有機膦羧酸(PBTCA).PBTCA含磷量低,具有膦酸和羧酸的結(jié)構(gòu)特性,不需要對進(jìn)水進(jìn)行酸化前處理,且阻垢性能優(yōu)于常見的有機膦酸類,在高溫、高硬度、高堿度等惡劣條件下,仍表現(xiàn)出較好的阻垢性能.該廠通過在中間水箱持續(xù)投加3mg/L阻垢劑,以防止膜結(jié)垢現(xiàn)象出現(xiàn),保證膜正常運行.

2.3 還原劑

氧化性物質(zhì)會對反滲透膜造成不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)損傷,所以需要在污水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)前,使用還原劑去除水中具有氧化作用的物質(zhì)[7].

該廠在進(jìn)水口投加了具有強氧化性的殺菌劑,所以一定要投加還原劑以還原去除殘存的殺菌劑,防止其損傷反滲透膜.該廠還原劑選用濃度為98%的亞硫酸氫鈉(NaHSO3)溶液,在中間水箱持續(xù)投加,投加量視水中余氯量而定.目前正常運行時的還原劑投加濃度為3mg/L.

2.4 非氧化性抑菌劑

還原劑的投加保護(hù)了反滲透膜免受氧化性物質(zhì)的損傷,但反滲透系統(tǒng)進(jìn)水中氧化性物質(zhì)含量的降低,易使微生物在中間水箱到反滲透系統(tǒng)階段的裝置中滋生.因此,需要定期投加非氧化性抑菌劑,以達(dá)到抑制和殺滅微生物的目的.

該廠在中間水箱處投加非氧化性抑菌劑,主要成分為異噻唑啉酮.異噻唑啉酮是通過破壞細(xì)菌蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)而起殺菌作用的,具有高效、低毒、易降解等優(yōu)點,目前成為廣泛使用的非氧化性抑菌劑.該廠每周沖擊性投加約120kg藥劑,投加過程污水中非氧化性抑菌劑濃度約為 160mg/L,時長約為2h.

2.5 中和劑

由于反滲透產(chǎn)水偏酸性,pH值主要在5.5～6的范圍內(nèi),為了提高水質(zhì)穩(wěn)定性,該廠在清水池投加中和劑,中和劑是濃度為 45%的氫氧化鈉(NaOH)溶液,投加濃度約為 20mg/L,調(diào)節(jié)再生水pH 6.4～6.6.

2.6 清洗劑

微濾膜的清洗維護(hù)主要包括3個環(huán)節(jié):①氣水反沖洗,微濾系統(tǒng)運行周期由正常過濾(1670s)、氣水反沖洗(90s)、正沖洗(60s)3個階段組成;②強化通量維持(EFM),每周1次;③在線清洗(CIP),微濾系統(tǒng)的跨膜壓差大于 0.3MPa或連續(xù)運行2～3個月時需進(jìn)行一次在線清洗.

EFM清洗劑為NaClO和NaOH的混合液,有效氯濃度為900mg Cl2/L,pH 11～12.8m3清洗劑在微濾系統(tǒng)中循環(huán)約 40min,之后用清水漂洗8min,然后用微濾產(chǎn)水進(jìn)行氣水反洗和微濾進(jìn)水快沖,系統(tǒng)即進(jìn)入正常過濾狀態(tài).

該廠微濾膜污染并不嚴(yán)重,截止目前均為半年進(jìn)行一次CIP在線清洗.CIP在線清洗包括酸洗和堿洗.酸洗以去除無機鹽污染物為主,堿洗對有機污染物的去除較為有效.堿洗時,配制2%NaOH和有效氯濃度為3000mg Cl2/L的清洗劑,8m3的清洗劑在微濾系統(tǒng)中循環(huán) 12h.堿洗后,用清水漂洗20min,開始酸洗.酸洗藥液為8m3濃度1%的HCl溶液,由31%的HCl溶液稀釋即可,酸洗時間亦為12h.

反滲透系統(tǒng)每天需進(jìn)行一次停機產(chǎn)水沖洗,運行一段時間后需要進(jìn)行CIP在線清洗,以保證出水水質(zhì).一般需要CIP在線清洗的情況有以下幾種:①在正常給水壓力下,產(chǎn)水量較正常值下降 10%～15%;②為維持正常產(chǎn)水量,經(jīng)溫度校正后給水壓力增加10%～15%;③透鹽率增加10%～15%;④系統(tǒng)各段間的壓差明顯增加[14].該廠根據(jù)各段壓差不定期進(jìn)行化學(xué)清洗,大約2～3個月一次.

反滲透CIP清洗藥劑可選用乙二胺四乙酸(EDTA)、十二烷基磺酸鈉(SDS)、NaCl等.EDTA、SDS、NaCl等與NaOH聯(lián)用可以強化清洗效果,因為堿性環(huán)境下膜表面的污垢層易松弛,所以 2種或更多種清洗劑順序聯(lián)用或混合使用,可以在降低清洗劑的總消耗量的同時,達(dá)到更佳的清洗效果[15].該廠使用的 10m3清洗劑中含1.5%EDTA、0.025%十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和 2% NaOH,堿洗后仍用8m3濃度1%的HCl溶液進(jìn)行酸洗.

3 藥劑投加量

藥劑的設(shè)計投加量和噸水耗藥量如表 3和表4所示.由于膜的過濾作用,工藝沿程水量是變化的(圖1),所以計算設(shè)計投加量時應(yīng)注意藥劑投加點的水量.

目前,該廠藥劑設(shè)計總投加量為3347.3kg/周,包括清洗劑547.1 kg/周.若按處理水量10000m3/d計算,平均耗藥量為 47.82g/m3;若按產(chǎn)水量7000m3/d計算,平均耗藥量為68.32g/m3.由于該工藝的回收率為70%,即產(chǎn)水量是處理水量的70%,所以本文中關(guān)于噸水耗藥量和藥劑成本的計算,均以產(chǎn)水量作為標(biāo)準(zhǔn).產(chǎn)水量的噸水耗藥量和藥劑成本乘以 70%即為相應(yīng)的處理水量的噸水耗藥量和藥劑成本.

幾種藥劑占噸水耗藥量的比例如圖 2所示,進(jìn)水殺菌劑和中和劑的投加量較大,分別為24.30,20.00g/m3,占噸水耗藥量的 35.56%和29.27%.

圖2 各種藥劑占噸水耗藥量的比例Fig.2 Ratio of each chemical reagent in total amount of chemical reagents used in the MF-RO process

2011年3～11月藥劑的實際投加量如圖3所示,6～11月藥劑的實際投加量和噸水耗藥量統(tǒng)計結(jié)果如表 5所示.藥劑總投加量為 2340.07～3809.49kg/周,噸水耗藥量為 47.76～77.74g/m3,實際值波動較大,主要是因為NaClO溶液和NaOH溶液的投加量變化較大.

NaClO 溶液的投加量在所有藥劑中最大,NaClO溶液的設(shè)計總投加量為 1390.9kg/周,包括進(jìn)水殺菌劑、出水殺菌劑和微濾膜EFM清洗時NaClO溶液的投加量.NaClO溶液實際投加量變化大是因為殺菌劑的投加量需要根據(jù)水質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié),該廠在2011年3～5月間進(jìn)水殺菌劑投加量較少,約為500kg/周,殺菌效果始終未達(dá)到理想狀態(tài),于是該廠在6月份嘗試提高殺菌劑投加量,6～11月期間NaClO藥劑的實際投加量范圍是1303.33～1954.45kg/周,達(dá)到了較好的殺菌效果.

NaOH 溶液的投加量也較大,需要投加NaOH的情況較多,包括中和劑、微濾膜EFM清洗、微濾膜和反滲透膜 CIP在線清洗等.NaOH溶液的設(shè)計總投加量為1335.6kg/周.6～11月期間NaOH 溶液的實際投加量范圍是 538.51～1337.88kg/周,較設(shè)計值低,且波動較大,這主要是因為作為中和劑NaOH的投加量變化所導(dǎo)致的,中和劑的投加量需根據(jù)實際水質(zhì)而定,調(diào)節(jié)再生水pH至6.4～6.6即可.

還原劑、阻垢劑和非氧化性殺菌劑的的設(shè)計投加量分別為 210,210,120kg/周,實際投加量與設(shè)計值相當(dāng).

圖3 2011年3～11月藥劑投加量Fig.3 Dosage of chemical reagents in the MF-RO process產(chǎn)水量5000～7000m3/d

4 藥劑費用

藥劑費用如表3和表4所示.將所有藥劑成本相加得每噸產(chǎn)水的藥劑成本為 39.02分/m3,每周藥劑總費用約為19,120元/周.2011年6～11月藥劑的實際費用為17,243.45～21,248.68元/周,藥劑成本為35.19～43.36分/m3,如表5所示.

表5 某再生水廠MF-RO工藝藥劑實際投加量及費用(2011年6～11月數(shù)據(jù))Table 5 Dosage and cost of chemical reagents used in the MF-RO process

由圖4可見,阻垢劑成本18.51分/m3所占比例最高,占藥劑總成本的47.44%,阻垢劑投加量雖少,僅占噸水耗藥量的 5.64%,但單價高達(dá) 48元/kg.殺菌劑成本所占比例也較高,進(jìn)水殺菌劑和出水殺菌劑的比例分別為 16.81%和 1.87%,所以殺菌劑所占比例為18.68%,其單價為2.7元/kg,但由于其投加量大,使得成本比例提高.

清洗劑成本占藥劑成本的 9.11%,這主要是因為微濾膜EFM清洗頻率較高,每周1次,導(dǎo)致成本增加,且所用NaOH溶液的量較大.微濾膜和反滲透膜的CIP在線清洗頻率低,一次清洗費用攤銷在半年或3個月的產(chǎn)水量中,所以占清洗劑成本比例很低.

圖4 各種藥劑占藥劑成本的比例Fig.4 Ratio of chemical reagents in reagents cost per ton permeat

2011年3～11月藥劑的實際費用如圖5所示.阻垢劑的費用明顯高于其他藥劑,3～11月間總費用均保持在每周萬元左右,是最主要的藥劑費用組成,所以在生產(chǎn)運行過程中應(yīng)注意阻垢劑的節(jié)約使用.其次是NaClO和NaOH溶液,由于其投加量大導(dǎo)致費用較高,為 2000～4000元/周.非氧化性殺菌劑和還原劑費用較低且穩(wěn)定,均低于2000元/周.

圖5 2011年3～11月藥劑費用Fig.5 Cost of chemical reagents in the MF-RO process

5 結(jié)語

該再生水廠MF-RO工藝投加了殺菌劑、阻垢劑、還原劑、非氧化性殺菌劑、中和劑、清洗劑等,在產(chǎn)水量約為7000m3/d時,藥劑設(shè)計總投加量為 3347.3kg/周,每噸產(chǎn)水的平均耗藥量為68.32g/m3,其中進(jìn)水殺菌劑和中和劑投加量大,分別占噸水耗藥量的 35.56%和 29.27%.2011年6～11 月藥劑的實際投加量為 2340.07～3809.49kg/周,噸水耗藥量為 47.76～77.74g/m3,其中NaClO溶液和NaOH溶液的投加量變化較大.

該廠每周藥劑總費用約為19,120元/周,每噸產(chǎn)水的藥劑成本為 39.02分/m3,其中阻垢劑費用占47.44%,成為藥劑成本中比例最大的組成部分.如何降低藥劑使用量和成本,還有待進(jìn)一步研究.

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Chemicals consumption and cost analysis of a microfiltration-reverse osmosis process for wastewater reclamation.

TANG Fang1, SUN Ying-xue1,2, SHI Ye3, LI Xu3, HU Hong-ying1,4*(1. State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.School of Chemical and Environmental Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100045,China；3.Beijing Boda Water Limited Company, Beijing 100176, China；4.State Environmental Protection Key Laboratory of Microorganism Application and Risk Control, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1613～1619

In order to achieve a good performance of a reverse osmosis (RO) system for wastewater reclamation, many kinds of chemical reagents are used in microfiltration(MF)/ultrafiltration (UF)-RO process. The chemical reagents used for a MF-RO process in a wastewater reclamation plant in Beijing were evaluated Disinfectant, antiscalant, reductant, non-oxidizing biocides, neutralizer and cleaning reagents were used in this plant. The production amount of reclaimed water of the plant was about 7000m3/d. The dosage of total reagents was 3347.3kg per week and the average dosage of reagents was 68.32g per ton permeat. The total cost of the reagents was about 19,120 RMB per week and the cost of reagents was 0.39 RMB per ton permeat. Cost of antiscalant accounted for 47.44% of the total cost of reagents.

wastewater reclamation；microfiltration-reverse osmosis process；chemical reagents；dosage of chemical reagents；cost of chemical reagents

2012-01-12

國家杰出青年科學(xué)基金(50825801);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07302002)

* 責(zé)任作者, 教授, hyhu@tsinghua.edu.cn

X703

A

1000-6923(2012)09-1613-07

湯 芳(1989-),女,內(nèi)蒙古通遼人,清華大學(xué)碩士研究生,主要研究方向為污水再生處理理論與技術(shù)研究.發(fā)表論文1篇.