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(diǎn)，若直接進(jìn)入生化系統(tǒng)，會(huì)給生化處理帶來很大難度，難以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

　　膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor，MBR)具有污泥齡長、運(yùn)行穩(wěn)定、水力剪切力大、F/M值(供給污泥的食料與污泥質(zhì)量比)較小等特點(diǎn)，其微生物群落結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)多種難降解有機(jī)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(zhì)和微生物，產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)回用水。研究表明，水中的Ca2+，Mg2+等無機(jī)物和硅類有機(jī)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(chǎn)生遠(yuǎn)勝于單個(gè)處理單元的最佳效果。

　　目前，國內(nèi)關(guān)于采用MBR+RO膜集成工藝深度處理廢水再生利用的報(bào)道較少。本研究以經(jīng)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(duì)象，采用MBR+RO集成膜工藝進(jìn)行深度處理，實(shí)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(shù)支持。

　　1、實(shí)驗(yàn)過程

　　1.1 工藝流程

　　MBR+RO組合工藝流程如圖1所示。廢水經(jīng)過混凝沉淀+A2/O常規(guī)處理后進(jìn)入MBR+RO組合工藝進(jìn)行深度處理，MBR出水作為RO的進(jìn)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(jīng)過RO膜組件后的濃縮液被直接排放。

　　1.2 用水水質(zhì)

　　化工園區(qū)以化工企業(yè)為主，對(duì)各個(gè)化工企業(yè)排入園區(qū)污水管道的廢水要嚴(yán)格執(zhí)行國家頒布的《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T31962―2015)和《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978―1996)，凡不符合排污要求的企業(yè)必須在廠內(nèi)對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)處理，達(dá)到要求后方可排入園區(qū)污水管網(wǎng)。化工園區(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(zhì)，廢水水質(zhì)如表1所示，廢水經(jīng)過常規(guī)處理后可作為組合工藝MBR+RO的進(jìn)水。

　　1.3 膜組件性能參數(shù)及運(yùn)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(yùn)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(yùn)行，MBR膜組件產(chǎn)水量為400～600L/h，將MBR膜池出水作為RO膜進(jìn)水，操作壓力不超過1.5MPa，設(shè)定回收率不低于70%，則RO膜產(chǎn)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(píng)價(jià)其作為RO進(jìn)水的可行性。根據(jù)式(1)計(jì)算SDI：

　　式中：t0為初始時(shí)收集500mL水樣所需要的時(shí)間，s;tT為經(jīng)過T時(shí)刻后收集500mL水樣所需的時(shí)間，s;T為過濾時(shí)間，min。

　　計(jì)算RO膜的滲透系數(shù)(β)，用以評(píng)價(jià)RO膜的滲透性，反映膜污染的變化特征。根據(jù)式(2)計(jì)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(shí)水的黏度校正系數(shù);P為RO膜進(jìn)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(biāo)方法測定，pH值采用pH計(jì)(上海PHS-3C)進(jìn)行測定。

　　2、結(jié)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(zhì)量濃度平均值為(450±100)mg/L，可生化性差。采用混凝沉淀預(yù)處理，可有效減少下游生化處理的有機(jī)負(fù)荷。A2/O生化處理工藝運(yùn)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(jīng)過好氧池，有機(jī)物進(jìn)一步降低，出水COD濃度平均值為(90±18)mg/L，達(dá)不到再生水用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過MBR膜過濾，將非溶性有機(jī)物和活性污泥截留在生化池中，進(jìn)一步降低了出水COD的濃度，達(dá)到再生水回用標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步經(jīng)過RO膜過濾，產(chǎn)水COD的質(zhì)量濃度可降到5mg/L左右。這說明對(duì)于難生化降解的化工廢水，經(jīng)過常規(guī)處理很難達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn);經(jīng)過MBR+RO組合系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，能夠有效去除COD，達(dá)到工業(yè)用水水源標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.1.2 SS去除效果及分析

　　不同工藝出水水質(zhì)SS的變化情況如圖3所示。原水SS質(zhì)量濃度平均值為(45±6)mg/L。經(jīng)過常規(guī)處理階段，出水SS質(zhì)量濃度平均值為(25±3)mg/L，達(dá)到再生水用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。在常規(guī)處理過程中，混凝具有很好的去除SS的效果，但經(jīng)過A2/O工藝，SS略有升高，這是因?yàn)榻?jīng)過生物處理出水中帶有少量污泥造成的。經(jīng)過MBR膜過濾，將活性污泥截留在生化池中，進(jìn)一步降低了出水SS的質(zhì)量濃度;經(jīng)過RO膜過濾，產(chǎn)水SS質(zhì)量濃度可降到1mg/L以下。經(jīng)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(jīng)過MBR+RO組合系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，能夠有效去除SS，達(dá)到工業(yè)用水水源標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.1.3 氨氮去除效果及分析

　　不同工藝出水水質(zhì)氨氮的變化情況如圖4所示。原水氨氮質(zhì)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過常規(guī)處理階段，出水氨氮質(zhì)量濃度小于5mg/L;經(jīng)過MBR膜過濾、降解氨氮等污染物，進(jìn)一步降低了出水氨氮的質(zhì)量濃度;經(jīng)過RO膜過濾，產(chǎn)水氨氮質(zhì)量濃度可降到2mg/L以下。原水氨氮質(zhì)量濃度較低，經(jīng)過MBR+RO組合系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，能夠進(jìn)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(zhì)TP的變化情況見圖5。原水TP質(zhì)量濃度平均值為(2.5±0.5)mg/L，經(jīng)過常規(guī)處理階段，由于A2/O工藝的較強(qiáng)除磷效果，出水TP質(zhì)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn);經(jīng)過MBR膜過濾及微生物的分解作用，出水TP質(zhì)量濃度仍保持在1.5mg/L，此過程對(duì)于低濃度的TP基本沒有去除作用;經(jīng)過RO膜過濾，產(chǎn)水TP質(zhì)量濃度可降到0.8mg/L左右，滿足工業(yè)用水水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過MBR+RO組合系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，特別是RO膜的反滲透過濾作用，能夠進(jìn)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(zhì)色度的變化情況如圖6所示。原水色度平均值為(175±25)倍，經(jīng)過常規(guī)處理階段，出水色度降低至35倍左右。經(jīng)過MBR膜過濾及微生物的分解作用，出水色度進(jìn)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(jīng)過RO膜過濾，產(chǎn)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過MBR+RO組合系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，特別是RO膜的反滲透過濾作用，能夠進(jìn)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(jīng)過常規(guī)處理階段，TDS的去除效果有限，出水TDS仍高達(dá)(2400±450)mg/L;經(jīng)過MBR膜過濾作用，出水ρ(TDS)≥2000mg/L;而RO膜對(duì)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(qiáng)。

　　2.1.7 系統(tǒng)總體去除性能評(píng)價(jià)

　　原水在經(jīng)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。MBR膜可進(jìn)一步截留分解部分污染物，RO膜對(duì)所有的污染物均有很強(qiáng)的截留能力，出水中的離子濃度已相當(dāng)?shù)土?。從檢測指標(biāo)可以看出，RO系統(tǒng)出水水質(zhì)完全可以滿足城市污水再生利用工業(yè)用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　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(chǎn)水運(yùn)行之日起，連續(xù)運(yùn)行60天，MBR膜跨膜壓差(TMP)和通量變化如圖8所示。結(jié)果表明，在運(yùn)行初期，MBR膜通量為7.5L/(m2?h)，TMP由開始時(shí)的4kPa逐漸增大，穩(wěn)定在7kPa左右;當(dāng)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(jìn)一步增大，最終穩(wěn)定在18kPa左右，直到運(yùn)行結(jié)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(yùn)行期間沒有發(fā)生嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行期間RO膜產(chǎn)水量穩(wěn)定在280～420L/h，產(chǎn)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(yùn)行期間沒有發(fā)生污染，系統(tǒng)運(yùn)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(shè)備累計(jì)運(yùn)行60天，運(yùn)行費(fèi)用主要為耗電費(fèi)。本次中試處理設(shè)備單位水量電耗為1.890kW?h，噸水藥劑費(fèi)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(dá)到了回用標(biāo)準(zhǔn)。雖然難處理的化工廢水會(huì)相應(yīng)增加運(yùn)行費(fèi)用，使得整個(gè)工藝的噸水電耗達(dá)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(fèi)7.87元/t)，又降低了企業(yè)的運(yùn)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(zhì)量濃度為3500～5000mg/L，試驗(yàn)過程中沒有排泥，比傳統(tǒng)活性污泥法的污泥產(chǎn)率低，實(shí)現(xiàn)了污泥減量化，減少了污泥處置費(fèi)用。影響膜生物反應(yīng)器能耗的主要因素是膜污染，本次中試由于進(jìn)行了系列前處理，因而沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的膜污染，也相應(yīng)降低本研究的能耗。

　　3、結(jié)論

　　1)化工廢水經(jīng)過混凝沉淀+A2/O工藝常規(guī)處理后進(jìn)入MBR+RO組合工藝再進(jìn)行深度處理，可有效去除廢水中的污染物，出水水質(zhì)可達(dá)到城市污水再生利用工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)。

　　2)MBR工藝用于RO膜的前處理是完全可行的，運(yùn)行期間沒有發(fā)生嚴(yán)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(shù)途徑完全可行，高性能的再生水可有效降低企業(yè)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)較好的運(yùn)行效果，需要嚴(yán)格控制裝置運(yùn)行參數(shù)。下一步可在保證組合系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定及出水達(dá)標(biāo)的前提下，探索更加節(jié)能高效的運(yùn)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(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河北省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院)