陶瓷超濾膜在燃煤電廠循環(huán)排污水回用的中試研究

楊其濤，李新望，彭康明

(1.華電滕州新源熱電有限公司，山東 棗莊 277500， 2.納諾斯通水務(wù)技術(shù)(上海)有限公司，上海 200041)

1 研究背景和意義

水是人類生活和生產(chǎn)中不可缺少的物質(zhì)資源，我國水資源的匱乏已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要因素，為了保護(hù)水資源和水環(huán)境，國家相繼頒布了水污染防治行動計劃、“十三五”水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動方案、全民節(jié)水行動計劃[1]。

燃煤電廠作為用水、排水大戶，其用水量占工業(yè)用水量的30%～40%，從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和保護(hù)水環(huán)境角度出發(fā)，節(jié)約發(fā)電用水，提高水的重復(fù)利用率，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠廢水零排放意義重大。燃煤電廠產(chǎn)生的廢水主要有循環(huán)水排污水、工業(yè)廢水、生活污水、含煤廢水、含油廢水、脫硫廢水等，主要污染物為懸浮物、有機(jī)物、重金屬、鹽類等[2]。其中循環(huán)水排污水因水量大、水質(zhì)較復(fù)雜，是實(shí)現(xiàn)燃煤電廠廢水零排放的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。對循環(huán)水進(jìn)行預(yù)處理以及添加高性能緩蝕劑、阻垢劑等化學(xué)品能提高循環(huán)倍率，但多數(shù)電廠循環(huán)水采用城市中水，循環(huán)冷卻水的濃縮倍率一般控制在3～5[3]，因此，占循環(huán)冷卻水補(bǔ)水量20%～40%的循環(huán)排污水，則不可避免地成為一股含鹽量高、硬度高、有機(jī)物及懸浮物含量高，且水質(zhì)、水溫波動范圍大的廢水，對實(shí)現(xiàn)電廠外排廢水“零排放”提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

以反滲透技術(shù)為核心的膜法處理技術(shù)在廢水回用及濃縮領(lǐng)域已經(jīng)成為主流，為了滿足反滲透系統(tǒng)苛刻的進(jìn)水條件，需要采用超濾工藝對反滲透進(jìn)水進(jìn)行處理，因此，超濾工藝的運(yùn)行效果是整個“零排放”工藝能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵[4-6]。

相比有機(jī)超濾膜，陶瓷超濾膜良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較高的溫度耐受性、較高的機(jī)械強(qiáng)度和高通量成為顯著優(yōu)勢[7]。因此，對陶瓷超濾膜處理回用中水(廢水)進(jìn)行中間性試驗(以下簡稱中試)，既具備理論基礎(chǔ)，又具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 中試項目介紹

2.1 項目場所及水質(zhì)

華電滕州新源熱電有限公司采用污水處理廠中水和部分地表水混合作為機(jī)組循環(huán)水的補(bǔ)充水，中水水質(zhì)符合GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，地表水水質(zhì)符合三類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；中水和地表水混合后不經(jīng)任何預(yù)處理直接進(jìn)入冷卻塔進(jìn)行循環(huán)濃縮，循環(huán)濃縮倍率控制在3～5，循環(huán)水中還投加有必需的殺菌劑、緩蝕劑和阻垢劑。排污水水質(zhì)見表1。

表1 排污水水質(zhì)

2.2 項目工藝

由于循環(huán)排污水硬度、濁度較高，因此在進(jìn)入超濾系統(tǒng)之前，需要進(jìn)行軟化澄清處理[8]，此次中試工藝為：循環(huán)水補(bǔ)水→冷卻塔→循環(huán)排污水→軟化澄清池→陶瓷超濾裝置。

2.3 中試裝置

中試裝置包含一套軟化澄清池以及一套陶瓷膜超濾中試設(shè)備，其中軟化澄清采用處理量為1 t/h的高效澄清池，包括反應(yīng)區(qū)、混凝區(qū)、沉淀區(qū)以及配套的加藥系統(tǒng)。

陶瓷膜超濾中試設(shè)備包括原水箱、原水泵、陶瓷超濾膜、產(chǎn)水箱、反洗水泵、化學(xué)加強(qiáng)反洗藥箱及加藥泵，裝置采用可編程控制器(PLC)自動控制。

3 陶瓷超濾膜介紹

此次中試采用的超濾膜元件為德國原裝進(jìn)口的第三代大面積塊片式陶瓷超濾膜，陶瓷超濾膜與傳統(tǒng)中空纖維超濾膜的特性對比見表2。由表2可知：陶瓷超濾膜具有更好的親水性以及過濾通量，其耐受溫度范圍、耐油性、耐壓性、耐化學(xué)清洗性均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的有機(jī)中空纖維超濾膜；同時，陶瓷膜生產(chǎn)工藝與有機(jī)中空纖維超濾膜不同，過濾孔徑呈狹窄集中的正態(tài)分布，過濾層與支撐層結(jié)合緊密，因此其理論過濾精度高，出水水質(zhì)佳。

表2 陶瓷超濾膜與中空纖維超濾膜特性對比

4 中試加藥方案及運(yùn)行參數(shù)

對電廠#4冷卻塔排污水采用雙堿法進(jìn)行軟化預(yù)處理，再進(jìn)入陶瓷超濾系統(tǒng)。經(jīng)軟化澄清處理后的水質(zhì)見表3。

表3 軟化澄清池出水水質(zhì)

陶瓷超濾膜中試設(shè)備采用集裝箱式一體化試驗裝置，陶瓷超濾膜元件的膜面積為3 m2，過濾精度為30 nm，過濾周期為30 min，運(yùn)行通量為180～300 L/(m2·h)，反洗通量為300 L/(m2·h)。

5 試驗數(shù)據(jù)

5.1 軟化澄清池運(yùn)行效果

軟化澄清池進(jìn)、出水濁度和硬度分別如圖1、圖2所示。根據(jù)圖1和圖2數(shù)據(jù)：循環(huán)排污水硬度相對穩(wěn)定，在1 000～1 100 mg/L之間；但pH值和濁度則波動很大，pH值在6.8～8.9之間呈現(xiàn)不規(guī)律變化，均值為8.5左右，濁度則在9～22 NTU之間呈現(xiàn)無規(guī)律的波動。

圖1 軟化澄清池進(jìn)、出水濁度

圖2 軟化澄清池進(jìn)、出水硬度

中試第1～24天，采用氫氧化鈉+碳酸鈉雙堿作為軟化藥劑，此階段澄清池出水濁度基本穩(wěn)定在0.7～1.0 NTU，出水硬度穩(wěn)定在350 mg/L左右。第25天后，改為石灰-純堿作為軟化藥劑，由于石灰與排污水中的緩釋阻垢劑相互作用，使得軟化澄清池出水濁度及硬度都產(chǎn)生了較大波動，出水濁度上升至0.8～1.8 NTU，出水硬度則上升至350～800 mg/L。

5.2 陶瓷超濾系統(tǒng)運(yùn)行效果

采用雙堿法運(yùn)行澄清池(如圖3所示)，陶瓷超濾每24 h進(jìn)行1次堿性條件次氯酸鈉維護(hù)性清洗，每24 h進(jìn)行1次鹽酸維護(hù)性清洗。在24 d的運(yùn)行期內(nèi)，逐漸將運(yùn)行通量由183 L/(m2·h)上升到260 L/(m2·h)，再上升至300 L/(m2·h)，過膜壓差在0.05～0.08 MPa之間呈現(xiàn)周期性變化，總體平穩(wěn)，并沒有上升的趨勢，證明陶瓷膜可以穩(wěn)定運(yùn)行。

采用石灰-純堿法運(yùn)行澄清池(如圖4所示)，陶瓷超濾每24 h進(jìn)行1次次氯酸鈉維護(hù)性清洗，每24 h進(jìn)行1次鹽酸維護(hù)性清洗。在14 d的中試期間，由于澄清池出水濁度波動較大且在數(shù)個時間段內(nèi)出水硬度過高，進(jìn)行維護(hù)性化學(xué)加強(qiáng)反洗時產(chǎn)水生成沉淀物，清洗效果差，過膜壓差上升速度較快并多次超過0.1 MPa。但在調(diào)整好軟化澄清池處理效果后，陶瓷超濾系統(tǒng)依舊可以穩(wěn)定運(yùn)行。

試驗期間無需進(jìn)行原地清洗(CIP)，因此該項目CIP周期大于1個月。

陶瓷膜產(chǎn)水濁度和淤泥密度指數(shù)(SDI)都非常穩(wěn)定，SDI平均值為1.9，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.05 NTU左右，不超過0.10 NTU(如圖5所示)，完全滿足后續(xù)反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水要求。

圖3 雙堿法過膜壓差及運(yùn)行通量

圖4 石灰純堿法過膜壓差及運(yùn)行通量

圖5 陶瓷超濾膜產(chǎn)水濁度

6 結(jié)論

此次中試過程中，陶瓷膜超濾膜處理軟化澄清后的冷卻塔排污水運(yùn)行通量可穩(wěn)定在260L/(m2·h)左右，系統(tǒng)回收率>92%，陶瓷膜超濾產(chǎn)水濁度小于0.2NTU，SDI小于3，完全符合后續(xù)反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水要求。陶瓷膜每次維護(hù)性清洗持續(xù)時間為12h，且中試的一個月內(nèi)未進(jìn)行恢復(fù)性化學(xué)清洗。中試結(jié)果表明，陶瓷膜具有較高的運(yùn)行通量、良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和水質(zhì)處理效果。