随着我国经济的发展,工业区集中供热规模不断扩大,常规水处理系统在水质和水量上都无法满足需求,加上淡水资源紧张,中水回用开始得到广泛应用〔1〕。杭州湾新区某热电厂,一期工程装有2台75 t/h循环流化床锅炉,二、三期工程为3×130 t/h循环流化床锅炉,从2007年开始,该厂将水源从地表水更换为开发区污水处理厂中水,分三期扩建了4×100 m3/h的锅炉补给水处理装置,采用超滤加两级反渗透工艺替换原有阴、阳离子交换系统。笔者就该项目的系统设计、运行情况和性能指标作简要介绍。
1 原水水质
由于地表水资源紧张,该厂新建项目水源改为开发区污水处理厂处理后排水。根据现场取样测试报告,原水水质存在一定范围的波动,典型水质分析数据如表 1所示。
由表 1可见,原水水质较差,有机物和含盐量较高,电导率基本在4 000 μS/cm以上。
2 工艺流程
根据项目水质和现场实际情况,采用膜技术为核心工艺进行中水回用处理〔2〕。系统工艺流程为：污水处理厂来中水→反应沉淀池→高效纤维过滤器→清水池→清水泵→加热器→自清洗过滤器→超滤装置→超滤水箱→超滤水泵→一级保安过滤器→一级高压泵→一级RO装置→一级淡水箱→一级淡水泵→二级高压泵→二级RO装置→二级淡水箱。进入超滤系统前加入杀菌剂,控制原水中微生物的生长;进入一级RO系统前投加还原剂和阻垢剂,防止结垢和氧化;进入二级RO系统前加碱,除去二氧化碳,提高脱盐率。
3 系统设计
整个中水回用系统分为预处理区域和膜处理车间。项目分三期建设,一期2套,二、三期各1套,单套出力100 m3/h,土建及公用工程一次完成。
3.1 预处理系统设计
预处理系统包含网格絮凝沉淀池和高效纤维过滤器。污水处理厂中水通过管道输送到网格絮凝沉淀池的絮凝段,进水前加絮凝剂混合。在絮凝池中原水通过混合反应,形成大颗粒的矾花,经过斜管沉淀池的加速沉淀,出水得到净化。沉淀池出水通过提升泵送到高效纤维过滤器后进入清水池。
网格絮凝沉淀池结构紧凑,占地面积小,维护管理简单,药剂混合无需动力,运行费用较低。高效纤维过滤器由独特的自适应纤维滤料和过滤器罐体构成,采用专用的深沟道窄缝栅网,过滤精度高,过滤速度快,反洗采用水和空气联合反冲,由过滤器底部通入,将因过滤压实的滤床冲散。由于自适应滤料的特性,附着在滤料上的污垢很容易脱落,从而达到快速冲洗干净的目的。预处理系统设置3用1备,单列出水220 m3/h。
3.2 超滤系统设计
超滤系统包含网式自清洗过滤器、混合式加热器和超滤装置,采用单元制配置。
网式自清洗过滤器主要用于去除水中的细小颗粒、悬浮物等杂质,并通过马达驱动滤网内的两把清洗刷转动来实现自动清洗。该项目配制的网式过滤器过滤精度为150 μm,单台设计出力330 m3/h,共2台。
混合式加热器用于控制给水温度,维持膜系统运行温度在20~25 ℃,采用汽水混合加热,有效减少蒸汽用量,降低系统运行费用。单台设计出力330 m3/h,共2台。
超滤装置主要用于去除水中大分子有机物和胶体等,使最终产水满足反渗透进水要求。该项目超滤膜元件采用美国陶氏公司的SFR 2860,膜有效过滤面积52 m2,设计死端过滤方式,运行通量55.5L/(m2·h),单套装置52支膜元件,出力150 m3/h,共4套。
超滤系统过滤周期为30 min,采用产水进行反冲洗,反洗通量为100~150 L/(m2·h),反洗时投加次氯酸钠杀菌。运行2 h后进行一次气水联合反冲洗,采用0.1 MPa的无油压缩空气擦洗,每支超滤膜气洗强度为7~12 Nm3/h。超滤系统设有化学清洗装置,当污染物黏附在膜表面,仅通过机械力无法将其去除时,就需要通过化学清洗来去除。
3.3 反渗透系统设计
反渗透系统主要去除水中溶解盐类。该工程反渗透膜元件均采用陶氏公司产品,一级型号为BW30-365FR,二级型号为BW30-400。反渗透系统设计参数如表 2所示。
该工程反渗透系统设置4列,每列产水100 m3/h,均采用一级二段排列,每根压力容器安装6根反渗透膜。一级反渗透脱盐率设计为98%,二级反渗透脱盐率设计为97%,反渗透系统整体脱盐率设定为95%。
4 系统运行
该项目三期工程分别于2007年、2009年和2010年底调试出水,到目前为止,系统运行稳定,出水水质满足后续离子交换系统要求。
4.1 预处理系统
预处理系统主要控制指标为悬浮物和浊度,通过在线浊度仪连续监测产水浊度。预处理投加聚合氯化铝作为絮凝剂,正常加药量30 mg/L。由于原水水质较差,沉淀污泥较多,系统设计自动排泥阀进行定期排泥,并根据进水浊度变化手动调节絮凝剂投入量,正常情况下高效过滤器出水浊度可维持在5 NTU以下。
4.2 超滤系统
超滤系统采用PVDF膜材质,适用清洗pH范围较广,能较好地适用于污染水质。系统投运初期,超滤运行稳定,压差控制在0.08 MPa以下,产水SDI不超过2,浊度小于0.1 NTU。运行3个月后,压差上升速度变快,气水反洗恢复效果不明显,采用盐酸和氢氧化钠进行化学清洗,压差重新恢复至0.03~0.05 MPa之间。目前维持3个月左右一次化学清洗。超滤系统产水压差变化如图 1所示。
图 1 超滤跨膜压差随时间变化
4.3 反渗透系统
反渗透自投运后运行稳定,压差及水质变化较小,尤其是二级反渗透产水,跨膜压差不超过0.2 MPa,产水电导长期维持在2 μS/cm以下。2013年反渗透运行中的部分数据如表 3所示。
由表 3可见,一级反渗透跨膜压差保持在0.3~0.4 MPa之间,脱盐率在98.6%以上,二级反渗透脱盐率在97.4%以上,系统整体脱盐率可达99.97%左右。通过在一级反渗透产水母管上投加NaOH调节pH至8左右,较大程度的消耗掉产水中的CO2,可有效减轻反渗透产水对管路的腐蚀〔3〕,提高二级反渗透的脱盐率。
一级反渗透系统维持3~4个月进行一次化学清洗,二级反渗透清洗频率极低,通常在1 a以上。目前一、二期三套一级反渗透系统膜元件已经进行了更换,系统处于正常运行状态。
4.4 投资及运行成本
项目三期工程总投资共3 980万元,其中土建工程1 256万元,包含超滤反渗透车间及预处理土建构筑物等。按照年运行时间7 500 h,厂用电价0.36元/(kW·h)测算,系统直接运行成本为2.54元/吨水,其中电费所占比例最大,达到40%以上。运行成本分析如表 4所示。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。
5 结论
淡水资源的紧张,使得中水回用的呼声日益高涨。作为用水大户的火力发电厂,积极探索市政及工业中水作为锅炉补给水的水源是充分利用水资源的有效途径。
通过几年的运行实践表明,该套系统运行稳定,产水水量及水质达到设计要求,出水经混床后满足除盐水水质要求。项目的工艺系统对工业中水进行深度处理后回用至锅炉补给水是可行的,具有较好的环境效益和经济效益。