MBR+RO組合工藝深度處理化工廢水
化工廢水一般具有可生化性差、含鹽量高的特點。如果直接進入生化系統(tǒng)，會給生化處理帶來很大難度，很難達到排放標準。
膜生物反應(yīng)器具有泥齡長、運行穩(wěn)定、水力剪切力大、F/M值(食物與污泥質(zhì)量之比)小的特點，其微生物群落結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)活性污泥有較大差異。MBR憑借其優(yōu)良的微生物細胞截留能力，可以有效去除多種難降解有機物。反滲透膜(RO膜)常用作廢水處理中脫鹽的主要單元。RO膜可以去除水中幾乎所有的溶解物質(zhì)和微生物，產(chǎn)生高質(zhì)量的循環(huán)水。研究表明，水中的Ca2+、Mg2+等無機物和含硅有機物容易在RO膜表面形成沉淀。集成膜工藝可以使系統(tǒng)中不同的水處理方法在各自適宜的工作條件下發(fā)揮更大的效率，產(chǎn)生比單一處理單元更好的效果。
目前，國內(nèi)關(guān)于MBR+RO膜集成工藝深度處理廢水的報道較少。本研究以某工業(yè)園區(qū)經(jīng)混凝沉淀+A2/O處理后的化工廢水為研究對象，采用MBR+RO一體化膜工藝進行深度處理，實現(xiàn)資源化利用。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組合工藝對化工廢水的深度處理和回用提供了技術(shù)支持。
1.實驗過程
1.1工藝流程
MBR+RO組合工藝流程如圖1所示。經(jīng)過混凝沉淀+A2/O常規(guī)處理后，廢水進入MBR+RO組合工藝進行深度處理，MBR出水作為RO進水。MBR系統(tǒng)主要包括膜池和MBR膜組件。反滲透系統(tǒng)主要包括增壓泵、保安過濾器、高壓泵和反滲透膜組件。通過RO膜組件的濃縮液直接排放。
1.2水質(zhì)
化工園區(qū)以化工企業(yè)為主，各化工企業(yè)排入園區(qū)污水管道的廢水必須嚴格執(zhí)行國家頒布的《污水排入城市下水道水質(zhì)標準》(GB/T31962—2015)和《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)。凡不符合污水排放要求的企業(yè)，必須對廠內(nèi)廢水進行預(yù)處理，達標后才排入園區(qū)污水管網(wǎng)。園區(qū)化工廢水呈堿性，色度、含鹽量、NH+4-N和COD濃度、BOD/COD較高
1.3膜組件的性能參數(shù)和操作條件
中試中使用的MBR膜組件和RO膜組件的性能參數(shù)和操作條件見表2和表3。
采用的MBR面積為40m2，在10 ~ 15l/(m2·h)膜通量條件下運行，MBR膜組件產(chǎn)水量為400 ~ 600 L/h，MBR膜池出水作為RO膜進水，運行壓力小于1.5MPa，設(shè)定回收率不低于70%，則RO膜產(chǎn)水量為280 ~ 420 L/h，濃水排放量為10%。
1.4檢測方法
MBR出水的污泥密度指數(shù)(SDI)也稱為污染指數(shù)，用于評價其作為RO進水的可行性。根據(jù)公式(1)，計算SDI:
式中:t0為采集500mL水樣所需的初始時間，s；TT是時間t，s后采集500mL水樣所需的時間；t為過濾時間，min。
計算RO膜的滲透系數(shù)(β)來評價RO膜的滲透性，反映膜污染的變化特征。根據(jù)公式(2)計算β:
式中:β為滲透系數(shù)(25℃)，l/(min·MPa)；q為RO膜的滲透流速，L/min；ν是水在25℃時的粘度修正系數(shù)；為RO膜入口端和濃水端的平均壓力，MPa。
COD、SS、NH+4-N、TP、色度、含鹽量、硬度均采用國標法測定，pH值采用pH計(上海PHS-3C)測定。
2.結(jié)果和討論
2.1污染物去除效果及分析
2.1.1 COD去除效果及分析
圖2顯示不同工序的污水中化學需氧量的變化。原水中COD的平均質(zhì)量濃度為(450±100)mg/L，可生化性差。混凝沉淀預(yù)處理可以有效降低下游生化處理的有機負荷。A2/O生化處理工藝運行穩(wěn)定。厭氧池的水解酸化能有效提高廢水的可生化性。經(jīng)過好氧池后，有機物進一步降低，出水COD平均濃度為(90±18)mg/L，達不到再生水作為工業(yè)水源的水質(zhì)標準。MBR膜過濾后，不溶性有機物和活性污泥被截留在生化池中，進一步降低了出水COD濃度，達到了中水回用標準。經(jīng)過進一步的RO膜過濾，產(chǎn)出水中COD的質(zhì)量濃度可降至5 mg/L左右，這說明難生物降解的化工廢水經(jīng)過常規(guī)處理后很難達到回用標準。經(jīng)MBR+RO組合系統(tǒng)深度處理后，可有效去除COD，達到工業(yè)水源標準。
2.1.2 SS去除效果及分析
不同工藝的出水水質(zhì)SS變化如圖3所示。原水中ss的平均質(zhì)量濃度為(45±6)mg/L，經(jīng)過常規(guī)處理階段后，出水SS的平均質(zhì)量濃度為(25±3)mg/L，符合再生水作為工業(yè)水源的水質(zhì)標準。在常規(guī)處理工藝中，混凝對ss的去除效果較好，但經(jīng)過A2/O工藝后，SS略有升高，這是由于生物處理出水含有少量污泥所致。MBR膜過濾后，活性污泥被截留在生化池中，進一步降低了出水ss的質(zhì)量濃度。反滲透膜過濾后，產(chǎn)出水中ss的質(zhì)量濃度可降至1mg/L以下。經(jīng)過MBR膜和RO膜過濾后，出水清澈透明，膜出水濁度
2.1.3氨氮去除效果及分析
不同工藝的出水水質(zhì)中氨氮的變化如圖4所示。原水中氨氮質(zhì)量濃度較低，平均值為(9±3)mg/L，已達到再生水作為工業(yè)水源的水質(zhì)標準。常規(guī)處理階段后，出水氨氮質(zhì)量濃度小于5mg/L；經(jīng)過MBR膜過濾和氨氮等污染物的降解，出水氨氮質(zhì)量濃度進一步降低。反滲透膜過濾后，產(chǎn)水中氨氮的質(zhì)量濃度可降至2 mg/l以下，原水中氨氮的質(zhì)量濃度較低。經(jīng)過MBR+RO組合系統(tǒng)深度處理后，氨氮可以進一步有效去除，說明MBR+RO組合工藝可以有效降低氨氮濃度。
2.1.4總磷去除效果及分析
不同工藝的出水水質(zhì)TP變化見圖5。原水中TP的平均質(zhì)量濃度為(2.5±0.5)mg/L，經(jīng)過常規(guī)處理階段后，由于A2/O工藝較強的除磷效果，出水TP的質(zhì)量濃度降至(1.5±0.3)mg/L，但不符合工業(yè)水源水質(zhì)標準。經(jīng)過MBR膜過濾和微生物分解后，出水TP的質(zhì)量濃度保持在1.5mg/L，該工藝對低濃度TP的去除影響不大。反滲透膜過濾后，產(chǎn)水TP濃度可降至0.8mg/L左右，符合工業(yè)水源水質(zhì)標準。MBR+RO組合系統(tǒng)深度處理，尤其是RO膜反滲透過濾，可以進一步有效去除TP。
2.1.5色度去除效果及分析
圖6顯示了不同工藝的出水水質(zhì)色度的變化。原水平均色度為(175±25)倍，經(jīng)常規(guī)處理后，出水色度降至35倍左右。經(jīng)過MBR膜過濾和微生物分解后，出水色度進一步降低到25倍左右，去除效果不明顯。這是因為廢水中的色度主要是由可溶性污染物引起的。反滲透膜過濾后，出水色度可降至8倍左右，出水清澈透明，出水濁度< 0.2NTU，符合工業(yè)水源水質(zhì)標準。經(jīng)過MBR+RO組合系統(tǒng)的深度處理，特別是RO膜的反滲透過濾，可以進一步有效去除色度。
2 . 1 . 6 TDS的去除效果及分析
不同工藝流出物的TDS變化如圖7所示。原水平均TDS為(2700±500)mg/L/L，經(jīng)過常規(guī)處理階段后，TDS的去除效果有限，出水TDS仍高達(2400±450)mg/L/L；MBR膜過濾后，出水ρ(TDS)≥2000mg/L；而RO膜對TDS有很好的截留效果，去除了大部分TDS，RO出水TDS降至50 mg/L以下，RO膜的反滲透過濾過程是脫鹽的主要環(huán)節(jié)，說明RO膜具有很強的脫鹽能力。
2.1.7系統(tǒng)整體去除性能評估
原水經(jīng)常規(guī)處理后，COD、TP、鹽含量達不到再生水用作工業(yè)用水的水質(zhì)標準。MBR可以進一步截留分解部分污染物，RO膜對所有污染物都有很強的截留能力，出水離子濃度相當?shù)?。從檢測指標可以看出，RO系統(tǒng)的出水水質(zhì)完全可以達到城市污水再生利用工業(yè)用水的水質(zhì)標準。
2.2 MBR膜和RO膜污染及分析
2.2.1 MBR膜系統(tǒng)
從產(chǎn)水運行開始，連續(xù)運行60天后，MBR膜的跨膜壓差(TMP)和通量變化如圖8所示。結(jié)果表明，運行初期，MBR膜通量為7.5l/(m2·h)，TMP從開始的4kPa逐漸升高，并穩(wěn)定在7kPa左右。當膜通量瞬間增加到15.0 L/(m2·h)時，TMP也迅速增加到16kPa，穩(wěn)定4天后進一步增加，最終穩(wěn)定在18kPa左右，直至運行結(jié)束。
在膜通量穩(wěn)定的情況下，跨膜壓差基本穩(wěn)定，處于低壓狀態(tài)，說明在此運行期間沒有嚴重的膜污染。
反滲透膜
污泥密度指數(shù)(SDI)通常用于表征RO過濾水中的顆粒物和膠體含量。RO和NF一般要求原水的SDI小于5。中試期間，MBR出水的平均SDI小于4，完全可以滿足RO原水的要求，說明MBR工藝用于RO膜預(yù)處理是完全可行的。
反滲透膜的滲透率可以用標準化滲透系數(shù)來表示。滲透系數(shù)反映了反滲透膜的滲透特性，反映了膜污染的特征變化。運行過程中，RO膜產(chǎn)水量穩(wěn)定在280 ~ 420 L/h，水壓穩(wěn)定在1.0MPa，滲透系數(shù)保持在4l/(min·MPa)，說明運行過程中RO膜無污染，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
2.3系統(tǒng)能耗分析
中試裝置采用“混凝沉淀+A2/O+MBR+RO”組合工藝。設(shè)備已經(jīng)運行了60天，主要的運行成本是電耗。中試處理設(shè)備單位水量電耗為1.890 kw·h，噸水藥費為0.005元。
目前MBR處理每噸生活污水的能耗為0.450 ~ 0.910 kw·h·h，比常規(guī)工藝處理同類污水(0.240 ~ 0.370 kw·h)高1 ~ 2倍。北京清河再生水廠采用A2/O+MBR工藝，系統(tǒng)研究污水處理廠的能耗。噸水平均能耗為(0.920±0.130)kW·h·h，本次中試研究在深度處理中加入RO反滲透膜，出水達到回用標準。雖然難處理的化工廢水會相應(yīng)增加運行成本，使得全流程噸水消耗達到1.890 kw·h，但高性能再生水替代淡水(工業(yè)園區(qū)工業(yè)水費7.87元/t)，降低了企業(yè)運行成本，更有利于節(jié)約區(qū)域水資源。此外，本次中試研究的生化系統(tǒng)和膜池污泥質(zhì)量濃度為3500 ~ 5000 mg/L，試驗期間無污泥排放，低于傳統(tǒng)活性污泥法的污泥產(chǎn)量，實現(xiàn)了污泥減量化，降低了污泥處置成本。影響膜生物反應(yīng)器能耗的主要因素是膜污染。由于進行了一系列預(yù)處理，本中試裝置不存在嚴重的膜污染，本研究的能耗也相應(yīng)降低。
3.結(jié)論
1)化工廢水經(jīng)混凝沉淀+A2/O工藝常規(guī)處理后，進入MBR+RO組合工藝進行深度處理，可有效去除廢水中的污染物，出水水質(zhì)可達到城市污水回用工業(yè)用水標準。
2)MBR工藝對RO膜進行預(yù)處理是完全可行的。運行中未發(fā)生嚴重的膜污染，MBR膜和RO膜污染得到有效控制。
3)MBR+RO組合工藝用于化工廢水回用是完全可行的。高效再生水能有效降低企業(yè)運營成本，節(jié)約水資源。
4)本研究還存在一些不足之處:由于化工園區(qū)廢水處理難度大，需要嚴格控制工廠的運行參數(shù)，才能達到較好的運行效果。下一步，我們可以在保證組合系統(tǒng)穩(wěn)定運行和滿足出水標準的前提下，探索更多節(jié)能高效的運行參數(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)計有限公司、河北省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院、河北建筑工程學院能源與環(huán)境工程學院)
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