雙膜法在電鍍廢水深度處理中的應(yīng)用

王曉明

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,福建 龍巖 364021)

電鍍行業(yè)使用了大量有毒有害化學(xué)品,這些有毒有害物質(zhì)的存在給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染。電鍍行業(yè)的高用水量以及電鍍廢水存在成分復(fù)雜、毒性大、重金屬離子含量高的特點(diǎn),若不經(jīng)處理直接排放,廢水中的重金屬對周圍環(huán)境造成極大的污染[1]。隨著電鍍工藝的快速更新與發(fā)展以及國家對環(huán)保要求的日益提高,電鍍廢水已被列入零排放的行列。某電器有限公司是全球主要的繼電器生產(chǎn)銷售廠商之一。電鍍,是該公司生產(chǎn)工藝中的一部分。電鍍工藝中所產(chǎn)生的廢水主要以鍍銅、鍍鎳廢水為主。該公司現(xiàn)有污水處理站主要對廢水進(jìn)行物化法、生物法處理。由于排放廢水中含有污染物質(zhì)以及電導(dǎo)率較高,無法進(jìn)行回用。根據(jù)該廢水的特點(diǎn),采用“多介質(zhì)過濾器+超濾+反滲透”為主的處理工藝,對排水處理系統(tǒng)出水進(jìn)行深度處理,使廢水達(dá)到回用的目的,不僅減少了污染物的排放,還減少了新鮮水的使用,符合國家節(jié)能減排的政策。

1 設(shè)計(jì)水量及水質(zhì)

廢水回用設(shè)計(jì)處理能力為1 200 m3/d,項(xiàng)目所處理回用水為廠區(qū)電鍍工藝經(jīng)過物化法、生物法處理后排放的綜合廢水,其主要特征表現(xiàn)為含鹽量較高,電導(dǎo)率高于7 000 μs/cm;含有少量的高價(jià)離子,經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后,殘余的重金屬離子,如銅、鎳等;SS較高,容易污堵過濾器以及容易在膜表面滋生細(xì)菌。SS較高,無法滿足進(jìn)膜要求。COD較高,易帶來后續(xù)膜處理的有機(jī)污染和負(fù)荷。廢水COD的主要組成是在電鍍工藝中引入的各種類型的表面活性劑,這些物質(zhì)組成對膜的穩(wěn)定運(yùn)行存在著巨大的安全隱患。工程設(shè)計(jì)回用率為60%。廢水回用系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)要求見表1。

表1 廢水回用系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)

2 廢水處理工藝

回用水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 回用水處理工藝流程

3 主要處理構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)的處理采用多介質(zhì)過濾器+超濾組合工藝。原污水處理系統(tǒng)生化處理后的出水進(jìn)入多介質(zhì)過濾器進(jìn)行過濾。多介質(zhì)過濾器罐體采用碳鋼襯膠,罐體內(nèi)分層放置卵石、石英砂等不同的濾料,廢水流經(jīng)濾料時(shí),經(jīng)生化、二沉池工藝處理后殘留的膠體物質(zhì)以及比重比較大的固體污染物在濾料表面碰撞、攔截形成濾餅層得以去除。多介質(zhì)過濾器通過PLC設(shè)定反沖洗的頻率和時(shí)間啟動(dòng)程序,定期采用其產(chǎn)水進(jìn)行短時(shí)間、大流量反向沖洗,一般中水系統(tǒng)約3～5 d,每次反洗約20 min。反沖洗水收集排放入反洗廢水池。多介質(zhì)的工藝特點(diǎn)是去除生化處理沉淀工藝中殘留的比重較大的固體污物、部分膠體,從而減輕對后續(xù)處理構(gòu)筑物的處理負(fù)荷[2]。多介質(zhì)過濾器的產(chǎn)水進(jìn)入產(chǎn)水池,供超濾繼續(xù)處理。多介質(zhì)濾罐體數(shù)量2臺,直徑2.8 m,材質(zhì)為碳鋼襯膠, 濾料采用石英砂、卵石,填充高度1 200 mm,設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa,設(shè)計(jì)流速9 m/h。

超濾膜系統(tǒng)處理利用新增加的進(jìn)水泵抽取濾池產(chǎn)水池中的廢水,通過設(shè)置保安過濾器,截留多介質(zhì)過濾處理后可能殘余的浮渣以及能穿透濾料的雜質(zhì),防止這些雜質(zhì)對膜層的損傷。超濾系統(tǒng)采用全量過濾方式運(yùn)行,廢水中含有的微細(xì)膠體污染物被截留在膜絲外表面,產(chǎn)水全部進(jìn)入超濾產(chǎn)水池。 超濾設(shè)置周期性的反洗和分散清洗,反洗周期大約為30～60 min,即運(yùn)行產(chǎn)水30～60 min后啟動(dòng)一次反洗。通過UF反洗泵,將超濾產(chǎn)水從UF膜的產(chǎn)水側(cè)進(jìn)入,反向?qū)δっ娉练e物進(jìn)行短時(shí)間沖洗,以恢復(fù)膜性能。反洗后超濾膜系統(tǒng)重新運(yùn)行產(chǎn)水,重復(fù)“運(yùn)行-反洗”8～12次后,再啟動(dòng)一次分散清洗,通過分散清洗去除反洗動(dòng)作無法除去的累積污染物。反洗、分散洗的持續(xù)時(shí)間都非常短,整個(gè)超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全自動(dòng)控制,設(shè)定程序進(jìn)行“正常過濾”、“氣洗”、“水反沖洗”和“分散化學(xué)清洗”等動(dòng)作;超濾系統(tǒng)還設(shè)置離線化學(xué)清洗系統(tǒng),可以對膜組進(jìn)行化學(xué)清洗,膜組件不必要拆離設(shè)備本體。反沖洗水返回前段調(diào)節(jié)池,重新進(jìn)入廢水系統(tǒng)進(jìn)行再處理,減少外排廢水。廢水通過提升泵,分別進(jìn)入4組超濾膜組,流經(jīng)中空纖維膜絲外側(cè)后進(jìn)入膜絲內(nèi)側(cè),廢水中含有微細(xì)的膠體污染物質(zhì)被截留在膜絲的外表面,出水進(jìn)入超濾產(chǎn)水池。工程選用新加坡美能超濾膜UF-0615ED 64支,超濾膜型式為中空纖維,外壓式,8″膜,材料PVDF,單支元件膜面積為38 m2/根,設(shè)計(jì)單支產(chǎn)水量1.33 m3/h,設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)水83.7 m3/h,設(shè)計(jì)系統(tǒng)回收率86.4%。

3.2 反滲透系統(tǒng)

超濾產(chǎn)水通過泵提升進(jìn)入5 μm保安過濾器,濾后出水進(jìn)入反滲透膜,為了保證反滲透膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,進(jìn)水進(jìn)行酸堿調(diào)節(jié)pH值以及加入還原劑和阻垢劑,從而提高反滲透膜截留離子的能力。反滲透膜截留鹽份以及大部分有機(jī)物后的透過液流入濃水池,再進(jìn)一步經(jīng)過深度處理后排放。RO單套產(chǎn)水量50 m3/h,回收率60%,單套設(shè)備采用美國DOW30-400/34i-FR,美國DOW是新一代抗污染反滲透復(fù)合膜,對膜表面進(jìn)行了根本性的化學(xué)改進(jìn),即在傳統(tǒng)的芳香族聚酰胺基礎(chǔ)上,通過在膜表面進(jìn)行PVA 復(fù)合涂層技術(shù),將膜表面的電性由通常的負(fù)電性改為電中性,從而使進(jìn)水中的負(fù)電、正電、中性、兩性的污染物在膜表面上的吸附性大大減弱,使膜水通量保持穩(wěn)定。通過改進(jìn)給水格網(wǎng),流道,改善水流狀態(tài),降低壓力損失,減少死角等方式提高膜組件的流體性能降低污染。

工程配置90根抗污染反滲透膜芯,采用六芯裝玻璃鋼膜外管(工作壓力耐壓300PSI),分量段設(shè)置,共15支膜外管,排列設(shè)置方式為第一段采用10根膜管,第二段采用5根膜管,兩段串聯(lián)(簡稱10×5排列)。

3.3 二次廢水的產(chǎn)生及其去向

3.3.1 反洗廢水

本中水回用系統(tǒng)運(yùn)行過程中,由于各工藝步驟自身截留的污染物質(zhì)以及外加的藥劑等,均造成一定量的污水(反洗水)外排。砂濾外排污水約占其產(chǎn)水之2%,超濾外排廢水的約占其產(chǎn)水量的5%～8%,其主要污染物為:截留污染物,包括前段生化殘余菌體、污泥、膠體類物質(zhì),絮凝劑反應(yīng)產(chǎn)物、破碎濾料以及少量反洗加藥劑,與原水性狀類似,將這些反沖廢水排入反沖洗廢水池打回調(diào)節(jié)池。

3.3.2 反滲透濃水

超濾產(chǎn)水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)后,分流成兩部分,80%部分為產(chǎn)水,另外20%包含截留的溶解性污染物,形成反滲透濃水。通過砂濾、UF過濾去除后,超濾出水約為50～70 mg/L,則RO濃縮后,RO濃水COD值約為80～100 mg/L。而其中的二價(jià)以上離子質(zhì)量濃度約為10～20 mg/L,一價(jià)離子質(zhì)量濃度約為15 000～30 000 mg/L。為避免離子在系統(tǒng)中循環(huán),設(shè)計(jì)的化學(xué)沉淀處理工藝系統(tǒng),使?jié)馑_(dá)標(biāo)外排。

4 工程運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意的問題

廢水處理系統(tǒng)由于排放的階段性和物化處理系統(tǒng)自身存在的不穩(wěn)定性,廢水生化處理系統(tǒng)的最終排水時(shí)有波動(dòng)的情況,且排放廢水的水質(zhì)成分較為復(fù)雜,在運(yùn)行中為確保系統(tǒng)能夠保持產(chǎn)水量穩(wěn)定,工程運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意控制以下幾個(gè)方面:

1)超濾膜污染的控制。超濾設(shè)置周期性的反洗和分散清洗,反洗周期大約為30～60 min。通過超濾反洗泵,將超濾產(chǎn)水從超濾膜的產(chǎn)水側(cè)進(jìn)入,對膜面沉積物進(jìn)行短時(shí)間反向沖洗,以達(dá)到恢復(fù)膜的性能。反洗后超濾膜系統(tǒng)重新運(yùn)行產(chǎn)水,重復(fù)“運(yùn)行-反洗”8～12次后,再啟動(dòng)一次分散清洗,通過分散清洗去除反洗動(dòng)作無法除去的累積污染物。反洗、分散洗的持續(xù)時(shí)間都非常短,整個(gè)超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全自動(dòng)控制,設(shè)定程序進(jìn)行“正常過濾”、“氣洗”、“水反沖洗”和“分散化學(xué)清洗”等動(dòng)作;超濾系統(tǒng)還設(shè)置離線化學(xué)清洗系統(tǒng),可以對膜組進(jìn)行化學(xué)清洗,膜組件不必要拆離設(shè)備本體。

2)反滲透設(shè)計(jì)通量不宜過大。設(shè)計(jì)通量大,則污染物堵塞較快,系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。而且考慮到膜芯性能衰退,系統(tǒng)設(shè)計(jì)通量不宜過大。運(yùn)行過程中應(yīng)控制好膜元件的回收率以及膜通量。

3)段間增壓的控制。為了均衡分配兩段的流量,平衡兩段的負(fù)荷,通過設(shè)置段間增壓泵可以緩解后段膜的進(jìn)水壓力,使得前后兩段膜的運(yùn)行通量相差控制在2.5倍以內(nèi)。工程設(shè)計(jì)增壓2～3 bar。

4)pH值調(diào)整和結(jié)垢控制。根據(jù)水源水質(zhì),RO系統(tǒng)調(diào)酸有利于降低結(jié)垢傾向,但同時(shí)導(dǎo)致RO產(chǎn)水pH值偏低,有一定腐蝕性。工程通過添加堿性阻垢劑,使水源水在進(jìn)膜之前pH值有初步調(diào)整,避免產(chǎn)水pH值過低。

5)殺菌的控制。由于水源富營養(yǎng)化,具有容易滋生細(xì)菌的作用,因此如何有效殺菌成為抗污染反滲透膜穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵因素。如果在反滲透進(jìn)水管連續(xù)加入殺菌劑,以殺滅膜面細(xì)菌。這樣的殺菌方式容易導(dǎo)致管道、膜面的細(xì)菌因?yàn)殚L期接觸藥劑,而產(chǎn)生抗藥性。根據(jù)原水的組成分析可知,原水滋生細(xì)菌的可能性比較小,工程使用“周期清洗”的方式進(jìn)行殺菌,保證中水回用系統(tǒng)的有效性。

6)反滲透膜污染的控制。反滲透系統(tǒng)對截留的膜內(nèi)部的污垢采用周期性的瞬時(shí)排出,以降低對反滲透膜表面的結(jié)垢污染。當(dāng)反滲透系統(tǒng)出現(xiàn)停機(jī)時(shí),應(yīng)注意及時(shí)、自動(dòng)對反滲透膜進(jìn)行低壓沖洗,從而防止?jié)饪s廢水中殘留的污染物對膜造成污染。

5 運(yùn)行效果

該處理設(shè)施經(jīng)調(diào)試后,系統(tǒng)運(yùn)行情況穩(wěn)定,反滲透產(chǎn)水水質(zhì)為:pH值為6～9,SS≤5 mg/L,COD ≤10 mg/L,電導(dǎo)率≤300 μs/cm,總鎳≤0.1 mg/L,總銅≤0.3 mg/L。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用,對產(chǎn)水水質(zhì)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,產(chǎn)水中pH值、COD、SS、電導(dǎo)率檢測指標(biāo)均滿足企業(yè)回用的要求。

6 工程效益分析

該項(xiàng)目運(yùn)行成本費(fèi)用包括電費(fèi)、藥劑和耗材費(fèi)、人工費(fèi)。每年(按360 d計(jì)),處理回用水量1 200 m3/d,工程總裝機(jī)功率為163 kW,運(yùn)行功率130 kW,電價(jià)按0.8元/kWh計(jì)算,則電費(fèi)為2.08元/m3廢水。藥劑消耗包括鹽酸、檸檬酸、氫氧化鈉、次氯酸鈉、阻垢劑、非氧化型殺菌劑、膜清洗劑及膜的更換費(fèi)用,用量折合每噸水用量為6.42元/m3。擬配備工人1人,工資按3 200 元/(月·人)計(jì),則人工費(fèi)0.09元/m3,合計(jì)共計(jì)成本為8.59元/m3。工程實(shí)施后,中水回用系統(tǒng)所產(chǎn)生終端產(chǎn)水替代了原來使用的新鮮水,既有明顯的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)削減了COD排入水體的總量,對電鍍企業(yè)的清潔生產(chǎn)也具有很好的參考意義[3]。

7 結(jié)論

1)多介質(zhì)過濾器+超濾+反滲透的組合工藝應(yīng)用于電鍍生產(chǎn)廢水的深度處理,反滲透產(chǎn)水水質(zhì)中pH值、SS、COD、電導(dǎo)率檢測指標(biāo)均滿足企業(yè)回用水的要求。產(chǎn)水回用于電鍍生產(chǎn)用水,不僅減少了污水的總排放量,同時(shí)減少了企業(yè)對新鮮水的使用量,實(shí)現(xiàn)了電鍍生產(chǎn)過程的清潔生產(chǎn),具有一定的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益,在實(shí)際工程應(yīng)用中具有借鑒意義。

2)在膜處理系統(tǒng)中,預(yù)處理是運(yùn)行過程中的關(guān)鍵,不僅可以降低膜的污染,還減少了對膜的清洗頻率,從而延長了膜的使用壽命,對膜系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定地運(yùn)行起到保障作用。采用超濾和反滲透的雙膜處理技術(shù)法應(yīng)用于深度處理電鍍廢水,具有較好的抗污性和穩(wěn)定性,對電鍍行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。