二氧化氯和次氯酸鈉消毒劑在污水廠再生水處理中的應(yīng)用比較

李瑞峰

(魯泰紡織股份有限公司，山東淄博 255100)

雙膜法(超濾+反滲透)是再生水處理工程常用的工藝方法。該方法占地面積小、回收率高、產(chǎn)水水質(zhì)高、脫鹽率穩(wěn)定，工藝系統(tǒng)簡單可靠[1]。反滲透是其不可或缺的核心技術(shù)，為獲得高品質(zhì)的再生水提供了重要的技術(shù)保證。由于反滲透膜易污堵、膜元件價格高且更換頻繁，反滲透系統(tǒng)的運行成本高[2]。膜污染一直是限制膜技術(shù)推廣的“瓶頸”，原水水質(zhì)與膜污染程度緊密相關(guān)，適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可以降低原水對膜的污染[3]。再生水處理采用污水廠尾水作為原水時，進水微生物活性較高，需要加氯消毒控制微生物污染；同時，在反滲透前投加還原劑以去除原水中的氧化性物質(zhì)，防止膜元件氧化[4]。綜合考慮成本及實際應(yīng)用，二氧化氯、次氯酸鈉是反滲透預(yù)處理常用的含氯消毒劑，亞硫酸氫鈉、焦亞硫酸鈉是常用的反滲透還原劑。

淄博市某市政污水處理廠建設(shè)1座2萬t/d的再生水處理系統(tǒng)，采用超濾(UF)與反滲透(RO)的主體處理工藝處理污水廠的尾水，產(chǎn)水回用于電廠等工業(yè)生產(chǎn)。超濾前采用加氯消毒，反滲透前采用焦亞硫酸鈉作為還原劑消除過量的消毒劑。本文分別采用復(fù)合二氧化氯和次氯酸鈉消毒，研究超濾產(chǎn)水總余氯、焦亞硫酸鈉投加量、反滲透進水余氯之間的關(guān)系。

1 再生水處理系統(tǒng)概況

1.1 工藝流程

再生水處理工藝流程如圖1所示。污水處理廠尾水先經(jīng)過加氯消毒，在預(yù)處理水池中充分混合，經(jīng)自清洗過濾器和超濾裝置去除懸浮物和大分子有機物。超濾產(chǎn)水帶有一定量的余氯，在投加還原劑(焦亞硫酸鈉)、阻垢劑、非氧化性消毒劑后，經(jīng)保安過濾器，進入反滲透裝置，反滲透產(chǎn)水(再生水)回用于電廠等工業(yè)生產(chǎn)。

圖1 再生水處理工藝流程Fig.1 Process of Reclaimed Water Treatment

1.2 設(shè)計參數(shù)

再生水處理過程中，超濾選用PVDF材質(zhì)的浸沒式中空纖維超濾膜，設(shè)計凈產(chǎn)水通量為40 L/(m2·h)，產(chǎn)水SDI<3，濁度<1 NTU。反滲透膜采用陶氏BW30FR-400/34i，一級兩段式排列，每套反滲透系統(tǒng)共216支膜元件，其中，一段144支，二段72支，反滲透系統(tǒng)設(shè)計回收率為70%，詳細的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 再生水處理系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design Parameters of Reclaimed Water Treatment System

據(jù)報道，采用含氯消毒劑進行污水消毒時，消毒劑與污水接觸20 min后，余氯在0.5 mg/L左右，污水中糞大腸菌群和總大腸菌群數(shù)量<90個/L，具有良好的消毒效果[5]。本系統(tǒng)設(shè)計接觸消毒時間為30 min，同時經(jīng)超濾膜過濾后，細菌可大部分被截留。

采用質(zhì)量濃度為10%(以有效氯計)的次氯酸鈉溶液，現(xiàn)場用玻璃鋼儲罐儲存，直接用計量泵投加到預(yù)處理水池中。復(fù)合二氧化氯采用化學(xué)法復(fù)合二氧化氯發(fā)生器[6]現(xiàn)場制備，即將氯酸鈉溶液與鹽酸溶液按照1∶1的體積比投加到發(fā)生器中，混合消毒液在水射器的抽吸作用下進入預(yù)處理水池中與原水充分混合。復(fù)合二氧化氯制備的反應(yīng)原理如式(1)。

2NaClO3+4HCl=2ClO2+Cl2+2H2O+2NaCl

(1)

復(fù)合二氧化氯發(fā)生器的產(chǎn)量以有效氯產(chǎn)量表示，其數(shù)值為設(shè)備在額定狀態(tài)下工作時，每小時產(chǎn)生有效氯的質(zhì)量，單位為g/h。有效氯質(zhì)量濃度即每升消毒劑的溶液相當(dāng)于若干毫克質(zhì)量的氯氣，單位為mg/L。

2 復(fù)合二氧化氯在再生水處理中的應(yīng)用

使用復(fù)合二氧化氯消毒，其投加濃度為14 mg/L(以有效氯計)，反滲透前還原劑(焦亞硫酸鈉)投加濃度為20 mg/L，連續(xù)一周監(jiān)測超濾產(chǎn)水、反滲透進水總余氯情況(表2)。復(fù)合二氧化氯投加濃度為14 mg/L(以有效氯計)時，污水中有機物、微生物等的存在大大消耗了消毒劑的量，超濾產(chǎn)水余氯平均為1.87 mg/L，在反滲透前投加20 mg/L焦亞硫酸鈉(此時焦亞硫酸鈉投加濃度為余氯的10倍)，依然不能消除余氯，反滲透進水余氯高達0.97 mg/L，反滲透膜元件存在氧化的風(fēng)險。

表2 總余氯分析結(jié)果Tab.2 Analysis of Total Residual Chlorine

為了降低反滲透進水余氯，降低復(fù)合二氧化氯投加濃度至5 mg/L(以有效氯計)，反滲透前還原劑(焦亞硫酸鈉)投加量增加至40 mg/L，連續(xù)一周監(jiān)測超濾產(chǎn)水、反滲透進水總余氯情況(表2)。復(fù)合二氧化氯投加濃度為5 mg/L(以有效氯計)時，超濾產(chǎn)水余氯降為0.88 mg/L，在反滲透前投加40 mg/L焦亞硫酸鈉(此時焦亞硫酸鈉投加濃度為余氯的45倍)，依然存在0.32 mg/L的余氯。

在本系統(tǒng)中，使用復(fù)合二氧化氯消毒3年后，反滲透整體的脫鹽率降低至90%以下，前端的反滲透膜元件最先被氧化，脫鹽率低于80%，反滲透產(chǎn)水水質(zhì)不能滿足用水要求。

一般，反滲透預(yù)處理部分需采用氯消毒以防止微生物污染，并維持20～30 min的反應(yīng)時間，讓整個預(yù)處理管線保持0.5～1.0 mg/L的余氯濃度，具體的加氯量需要根據(jù)進水中有機物、氨氮、微生物等確定。在進入反滲透膜元件前必須經(jīng)過徹底的脫氯處理，以防止膜元件受到氯的氧化破壞。理論計算表明，1.34 mg的焦亞硫酸鈉可以脫除1.0 mg的余氯；在工程實踐中，每脫除1.0 mg的余氯需要加入3.0 mg的焦亞硫酸鈉。含氯消毒劑屬于氧化性消毒劑，其在反滲透預(yù)處理前為常規(guī)使用，對后續(xù)反滲透膜有一定的影響。一般要求反滲透進水余氯小于0.1 mg/L，且反滲透前常使用焦亞硫酸鈉去除余氯。若余氯不能被完全還原，可能會造成膜元件的嚴(yán)重氧化，從而導(dǎo)致反滲透脫鹽率降低，影響反滲透膜的壽命。

3 次氯酸鈉在再生水處理中的應(yīng)用

使用次氯酸鈉消毒，其投加濃度為14 mg/L(以有效氯計)，反滲透前還原劑(焦亞硫酸鈉)投加量為10 mg/L，連續(xù)一周監(jiān)測超濾產(chǎn)水、反滲透進水總余氯情況。

表3 總余氯分析結(jié)果Tab.3 Analysis of Total Residual Chlorine

4 成本核算

由于消毒劑的使用量與進水水質(zhì)存在明顯變化，統(tǒng)一按照消毒劑投加濃度為14 mg/L(以有效氯計)計，同時采用復(fù)合二氧化氯、次氯酸鈉消毒，后續(xù)反滲透還原劑的加藥量不同，分別以焦亞硫酸鈉(固體)投加濃度為20 mg/L(復(fù)合二氧化氯消毒時)和6 mg/L(次氯酸鈉消毒時)計算，再生水處理系統(tǒng)回收率按照60%計，分別核算采用2種不同消毒方式時，消毒劑、還原劑的使用成本，如表4所示。

表4 復(fù)合二氧化氯及次氯酸鈉消毒成本分析Tab.4 Analysis of Chemical Cost of Compound ClO2and NaClO Disinfectant

復(fù)合二氧化氯消毒時，采用化學(xué)法復(fù)合二氧化氯發(fā)生器進行現(xiàn)場制備，消毒成本主要是氯酸鈉及鹽酸，復(fù)合二氧化氯消毒成本為0.070元/(t再生水)，僅為次氯酸鈉消毒劑成本的40%。但是，后續(xù)還原劑(焦亞硫酸鈉)投加量高，成本達到0.083元/(t再生水)。

次氯酸鈉消毒時，消毒劑的成本相對較高，為0.175元/(t再生水)。但是，后續(xù)消耗的還原劑焦亞硫酸鈉成本較低，僅為0.025元/(t再生水)。

綜合來看，采用復(fù)合二氧化氯消毒時，消毒劑、還原劑總成本為0.153元/(t再生水)；采用次氯酸鈉消毒時，消毒劑、還原劑總成本為0.200元/(t再生水)。與次氯酸鈉相比，復(fù)合二氧化氯應(yīng)用于反滲透預(yù)處理時，整個再生水處理系統(tǒng)的消毒劑、還原劑成本更低。

5 結(jié)論和建議

與復(fù)合二氧化氯相比，雖然次氯酸鈉應(yīng)用于反滲透預(yù)處理時的運行成本較高，但可以有效避免反滲透膜被氧化，可延長膜的使用壽命，推薦采用次氯酸鈉作為再生水處理的消毒劑。本文的經(jīng)驗適用于再生水處理工程的設(shè)計和運行，為反滲透預(yù)處理的設(shè)計和運行提供了重要的借鑒。