高效反渗透技术在市政污水回用中的应用
摘要：采用石灰澄清软化-过滤-树脂软化-高效反渗透组合工艺对市政污水厂出水进行深度处理，出水回用作循环冷却水系统的补水及锅炉补给水深度脱盐系统水源。工程实践表明，经该工艺处理后，反渗透系统的出水水质为：ρ（CODCr）< 10 mg/L，电导率< 64 μS/cm，浊度< 0.1 NTU，不仅达到了设计出水水质要求，而且稳定达到循环冷却系统及锅炉补给水深度脱盐系统补充水的水质要求，系统实现了长期、稳定、经济地运行。由此可见，该工艺是一种较理想的市政污水回用技术。
关键词：高效反渗透；市政污水；回用；回收率
1 工程概况
河北某热电厂装备2 台300 MW 亚临界燃煤供热发电机组，使用附近某市政污水处理厂出水作为生产的唯一水源，由于该污水处理厂进水水质经常超标，其中进水CODCr的质量浓度最高达到800 ~1 200 mg/L，远超过设计进水水质要求，因此，其回用至电厂的中水水质也远远超出原设计的二级处理出水水质标准。针对该市政污水处理厂出水的CODCr、SS 浓度及硅含量都比较高的特点，采用石灰澄清软化-过滤-树脂软化-高效反渗透组合深度处理工艺，处理出水满足设计要求，回收率较高，实现了系统的长期稳定运行。高效反渗透专利技术［1］在国外已有工程应用，但在国内将其应用到市政污水的处理回用工程尚属首次。
2 工艺设计
2．1 设计水质、水量
采用某市政污水厂二级排放水为电厂唯一生产水源，根据GB 50050—2007《工业循环冷却水处理设计规范》确定该循环冷却塔的补水控制标准，水源水质和补水标准如表1 所示。
表1 水源水质和补水标准
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注：硬度和碱度以CaCO3计
设计总进水量为1 700 m3/h，经过石灰软化澄清和高效反渗透组合工艺处理后，设计出水量为1 000 m3/h，其中800 m3/h 的水量作为冷却塔的循环水补充水，另外200 m3/h 的水量可以作为冬季供暖期间锅炉循环水的补给水源。
2．2 工艺流程
对市政污水厂出水进行深度处理，使其可回用作为电厂循环冷却水系统的补水和锅炉补给水，常用工艺包括石灰澄清软化法、超滤/微滤／MBR 联合反渗透/纳滤法、离子交换法、生化法等［2-3］。由于该污水CODCr、NH3-N、SS 浓度、硬度及碱度都较高，因此，石灰澄清软化是唯一可行的、最经济的预处理办法；高效反渗透技术能有效解决有机物污染和微生物滋生的问题，并且能实现较高的回收率、脱盐率和系统的经济、稳定运行［4］。经过技术经济比较，确定深度处理工艺流程如图1 所示。
3 主要装置设计参数
3．1 石灰软化澄清处理系统
由2 座直径为10 m的机械搅拌澄清池和5 座变孔隙滤池组成，机械搅拌澄清池单座设计出力为850 m3/h，变孔隙滤池单座设计出力为300 m3/h，滤速为7～12 m/h，调整石灰投加量为300 ~ 400mg/L，控制出水pH 值为10．0 ~ 10．5，聚铁投加量为20 ~ 40 mg/L，PAM 投加量为0．5 ~ 1.0 mg/L，该系统能去除来水中大部分的SS 和胶体物质、约30％的CODCr和90％的暂时硬度，利用硫酸调节pH 值至8．3 ~ 8．5，变孔隙滤池出水浊度降低至2 ~5 NTU，部分出水可直接补充到冷却塔循环水池。
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图1 污水深度处理工艺流程
3．2 高效纤维过滤器
6 台Φ3 000 mm×4 600 mm 的高效纤维过滤器，5 用1 备，每台过滤器设计出力为220 m3/h，设计滤速为35 m/h。该过滤器具备滤速快，纳污量大，反冲洗水量小的特点，采用气水混合反冲洗，过滤器出水浊度降至1 ~ 2 NTU，保障了后续树脂及反渗透系统不会受到悬浮物污染。
3．3 钠型阳离子交换器
8 台Φ 3 000 mm×3 600 mm 交换器，7 用1备，每台设计出力为180 m3/h，采用新型壳层SST80 离子交换树脂。通过钠离子交换树脂可以去除绝大部分硬度，出水硬度失效点为40 mg/L（以CaCO3计），失效后使用10％工业盐液逆流再生，再生液用量为1 200 kg/次。
3．4 弱酸阳离子交换器
8 台Φ2 800 mm×3 600 mm 交换器，7 用1备，每台设计出力为180 m3/h，采用大孔弱酸树脂D113。在去除碱度的同时完全去除钠床出水中的残余硬度。弱酸树脂采用盐酸（5％）再生，再生盐酸（31％）用量为2 000 kg/次。
3．5 除碳器
除碳器由3 台除碳风机和1个500 m3的脱气水箱组成，除碳器流速为60 m/h，并配有自动加硫酸装置，通过吹脱使得ρ（CO2）＜10 mg/L。
3．6 高效反渗透
高效反渗透系统为一级两段，其中一段3个单元，二段4个单元，一段每单元设28 根膜壳，每根膜壳有8 支膜元件，3个单元共672 支Dow30-440i 膜；二段每单元设6 根膜壳，每根膜壳有8支膜元件，共192 支Dow30-440i 膜，膜系统的设计通量为28．22 L/（m2·h），膜系统回收率为85％，在反渗透系统入口处加氢氧化钠（33％）120 mg/L，调节二段浓水侧pH 值使之达到10．5～11．0。系统在碱性条件下运行，有机物、微生物及硅垢污染均得到控制，由于预处理已经脱除了硬度及碱度，所以不存在结垢的问题，使得反渗透膜的回收率最高可达85％以上。设计化学清洗频率为1 次/a。
4 运行结果分析
4．1 预处理系统运行状况分析
污水处理厂出水水质不能达到二级排放标准的要求，并且波动较大，特别是冬季，水质更为恶劣，因此反渗透的预处理系统是保障整个系统稳定运行的关键。预处理系统各单元的水质监测结果如表2 所示。
预处理系统选用的软化树脂是否受到污染是软化工艺成功与否的关键，经过3 a多的运行，树脂性能并没有明显的退化，钠床的单元制水量一直维持在1 200 m3，经过化验，树脂的全交换容量为4．6 mol/g，弱酸床的单元制水量在8 000 ~ 10 000m3，全交换容量为11．42 mol/g。
表2 预处理各单元的水质监测结果
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4．2 高效反渗透运行状况分析
直接采用石灰软化澄清出水作为冷却塔循环水系统的补水，反渗透系统产水只作为热网补水及锅炉补水，通过钠床及弱酸床可将硬度降低至100μg/L（以CaCO3计），从而完全消除了钙盐结垢的风险，同时，预处理系统可使得进入反渗透系统的污水浊度降至3 NTU 以下。高效反渗透系统运行情况如图2 所示。
从2010 年1 月到2012 年6 月，系统经历了3次化学清洗，系统通量得到了一定程度的恢复，从2010 年1 月至7 月，系统的出力下降很快，这主要是因为来水水质剧烈波动，使得进入反渗透系统的污水浊度和硬度偶尔超标，反渗透膜受到一定程度的污染，在3 a的运行时间里，系统的出力总体来说比较稳定，系统的产水量从最初的630 m3/h降低到486．8 m3/h，系统的回收率一直维持在75％以上。
高效反渗透系统产水水质如表3 所示。由表3可知，反渗透系统产水pH 值及NH3-N 浓度比原设计值高，但对将其作为循环冷却水系统的部分补充水及对于后续的锅炉补给水处理系统并没有太大的影响，可以满足生产的需要。
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图2 高效反渗透系统运行情况
表3 高效反渗透产水水质
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5 结语
采用石灰软化-高效反渗透技术有效地解决了来水水质恶劣、波动大的问题，其中石灰软化澄清系统是保障反渗透系统稳定运行的关键，从长期的运行结果来看，高效反渗透预处理系统的软化树脂并没有受到明显的有机污染，反渗透膜在高pH 值（大于10．5）的碱性条件下运行，系统的产水量、回收率、清洗频率远优于传统的超滤-反渗透工艺。系统运行效果虽然没有达到设计要求，但3 a多的实际运行情况表明，该技术实现了市政污水的合理回用，达到了节能减排的目标，回用水水质能满足生产需求。
参考文献：
［1］德巴斯什·穆霍帕德黑．高效率操作的反渗透方法和设备［P］．中国：CN97197289．3，1999-02-12．
［2］李锐，何世德．城市中水在电厂循环冷却水系统的应用与展望［J］．环境科学与管理，2008，33（3）：152-155．
［3］王平，孙心利，李立新. 中水回用于火电厂冷却水系统的问题分析［J］．工业用水与废水，2008，39（2）：10-12．
［4］杨汝德．现代工业微生物学教程［M］．北京：高等教育出版社，2006． 118-120．
作者简介：王晓义（1975-），男，河北新乐人，工程师，长期从事电厂化学技术监督及污水处理工作。
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