雙膜法在電鍍廢水深度處理中的應用

王曉明

(閩西職業技術學院 智能制造學院,福建 龍巖 364021)

電鍍行業使用了大量有毒有害化學品,這些有毒有害物質的存在給環境帶來了嚴重的污染。電鍍行業的高用水量以及電鍍廢水存在成分復雜、毒性大、重金屬離子含量高的特點,若不經處理直接排放,廢水中的重金屬對周圍環境造成極大的污染[1]。隨著電鍍工藝的快速更新與發展以及國家對環保要求的日益提高,電鍍廢水已被列入零排放的行列。某電器有限公司是全球主要的繼電器生產銷售廠商之一。電鍍,是該公司生產工藝中的一部分。電鍍工藝中所產生的廢水主要以鍍銅、鍍鎳廢水為主。該公司現有污水處理站主要對廢水進行物化法、生物法處理。由于排放廢水中含有污染物質以及電導率較高,無法進行回用。根據該廢水的特點,采用“多介質過濾器+超濾+反滲透”為主的處理工藝,對排水處理系統出水進行深度處理,使廢水達到回用的目的,不僅減少了污染物的排放,還減少了新鮮水的使用,符合國家節能減排的政策。

1 設計水量及水質

廢水回用設計處理能力為1 200 m3/d,項目所處理回用水為廠區電鍍工藝經過物化法、生物法處理后排放的綜合廢水,其主要特征表現為含鹽量較高,電導率高于7 000 μs/cm;含有少量的高價離子,經過化學反應后,殘余的重金屬離子,如銅、鎳等;SS較高,容易污堵過濾器以及容易在膜表面滋生細菌。SS較高,無法滿足進膜要求。COD較高,易帶來后續膜處理的有機污染和負荷。廢水COD的主要組成是在電鍍工藝中引入的各種類型的表面活性劑,這些物質組成對膜的穩定運行存在著巨大的安全隱患。工程設計回用率為60%。廢水回用系統進出水水質要求見表1。

表1 廢水回用系統進出水水質

2 廢水處理工藝

回用水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 回用水處理工藝流程

3 主要處理構筑物及設計參數

3.1 預處理系統

預處理系統的處理采用多介質過濾器+超濾組合工藝。原污水處理系統生化處理后的出水進入多介質過濾器進行過濾。多介質過濾器罐體采用碳鋼襯膠,罐體內分層放置卵石、石英砂等不同的濾料,廢水流經濾料時,經生化、二沉池工藝處理后殘留的膠體物質以及比重比較大的固體污染物在濾料表面碰撞、攔截形成濾餅層得以去除。多介質過濾器通過PLC設定反沖洗的頻率和時間啟動程序,定期采用其產水進行短時間、大流量反向沖洗,一般中水系統約3～5 d,每次反洗約20 min。反沖洗水收集排放入反洗廢水池。多介質的工藝特點是去除生化處理沉淀工藝中殘留的比重較大的固體污物、部分膠體,從而減輕對后續處理構筑物的處理負荷[2]。多介質過濾器的產水進入產水池,供超濾繼續處理。多介質濾罐體數量2臺,直徑2.8 m,材質為碳鋼襯膠, 濾料采用石英砂、卵石,填充高度1 200 mm,設計壓力0.6 MPa,設計流速9 m/h。

超濾膜系統處理利用新增加的進水泵抽取濾池產水池中的廢水,通過設置保安過濾器,截留多介質過濾處理后可能殘余的浮渣以及能穿透濾料的雜質,防止這些雜質對膜層的損傷。超濾系統采用全量過濾方式運行,廢水中含有的微細膠體污染物被截留在膜絲外表面,產水全部進入超濾產水池。 超濾設置周期性的反洗和分散清洗,反洗周期大約為30～60 min,即運行產水30～60 min后啟動一次反洗。通過UF反洗泵,將超濾產水從UF膜的產水側進入,反向對膜面沉積物進行短時間沖洗,以恢復膜性能。反洗后超濾膜系統重新運行產水,重復“運行-反洗”8～12次后,再啟動一次分散清洗,通過分散清洗去除反洗動作無法除去的累積污染物。反洗、分散洗的持續時間都非常短,整個超濾系統設計為全自動控制,設定程序進行“正常過濾”、“氣洗”、“水反沖洗”和“分散化學清洗”等動作;超濾系統還設置離線化學清洗系統,可以對膜組進行化學清洗,膜組件不必要拆離設備本體。反沖洗水返回前段調節池,重新進入廢水系統進行再處理,減少外排廢水。廢水通過提升泵,分別進入4組超濾膜組,流經中空纖維膜絲外側后進入膜絲內側,廢水中含有微細的膠體污染物質被截留在膜絲的外表面,出水進入超濾產水池。工程選用新加坡美能超濾膜UF-0615ED 64支,超濾膜型式為中空纖維,外壓式,8″膜,材料PVDF,單支元件膜面積為38 m2/根,設計單支產水量1.33 m3/h,設計系統產水83.7 m3/h,設計系統回收率86.4%。

3.2 反滲透系統

超濾產水通過泵提升進入5 μm保安過濾器,濾后出水進入反滲透膜,為了保證反滲透膜系統的穩定運行,進水進行酸堿調節pH值以及加入還原劑和阻垢劑,從而提高反滲透膜截留離子的能力。反滲透膜截留鹽份以及大部分有機物后的透過液流入濃水池,再進一步經過深度處理后排放。RO單套產水量50 m3/h,回收率60%,單套設備采用美國DOW30-400/34i-FR,美國DOW是新一代抗污染反滲透復合膜,對膜表面進行了根本性的化學改進,即在傳統的芳香族聚酰胺基礎上,通過在膜表面進行PVA 復合涂層技術,將膜表面的電性由通常的負電性改為電中性,從而使進水中的負電、正電、中性、兩性的污染物在膜表面上的吸附性大大減弱,使膜水通量保持穩定。通過改進給水格網,流道,改善水流狀態,降低壓力損失,減少死角等方式提高膜組件的流體性能降低污染。

工程配置90根抗污染反滲透膜芯,采用六芯裝玻璃鋼膜外管(工作壓力耐壓300PSI),分量段設置,共15支膜外管,排列設置方式為第一段采用10根膜管,第二段采用5根膜管,兩段串聯(簡稱10×5排列)。

3.3 二次廢水的產生及其去向

3.3.1 反洗廢水

本中水回用系統運行過程中,由于各工藝步驟自身截留的污染物質以及外加的藥劑等,均造成一定量的污水(反洗水)外排。砂濾外排污水約占其產水之2%,超濾外排廢水的約占其產水量的5%～8%,其主要污染物為:截留污染物,包括前段生化殘余菌體、污泥、膠體類物質,絮凝劑反應產物、破碎濾料以及少量反洗加藥劑,與原水性狀類似,將這些反沖廢水排入反沖洗廢水池打回調節池。

3.3.2 反滲透濃水

超濾產水進入反滲透系統后,分流成兩部分,80%部分為產水,另外20%包含截留的溶解性污染物,形成反滲透濃水。通過砂濾、UF過濾去除后,超濾出水約為50～70 mg/L,則RO濃縮后,RO濃水COD值約為80～100 mg/L。而其中的二價以上離子質量濃度約為10～20 mg/L,一價離子質量濃度約為15 000～30 000 mg/L。為避免離子在系統中循環,設計的化學沉淀處理工藝系統,使濃水達標外排。

4 工程運行時應注意的問題

廢水處理系統由于排放的階段性和物化處理系統自身存在的不穩定性,廢水生化處理系統的最終排水時有波動的情況,且排放廢水的水質成分較為復雜,在運行中為確保系統能夠保持產水量穩定,工程運行時應注意控制以下幾個方面:

1)超濾膜污染的控制。超濾設置周期性的反洗和分散清洗,反洗周期大約為30～60 min。通過超濾反洗泵,將超濾產水從超濾膜的產水側進入,對膜面沉積物進行短時間反向沖洗,以達到恢復膜的性能。反洗后超濾膜系統重新運行產水,重復“運行-反洗”8～12次后,再啟動一次分散清洗,通過分散清洗去除反洗動作無法除去的累積污染物。反洗、分散洗的持續時間都非常短,整個超濾系統設計為全自動控制,設定程序進行“正常過濾”、“氣洗”、“水反沖洗”和“分散化學清洗”等動作;超濾系統還設置離線化學清洗系統,可以對膜組進行化學清洗,膜組件不必要拆離設備本體。

2)反滲透設計通量不宜過大。設計通量大,則污染物堵塞較快,系統處于不穩定狀態。而且考慮到膜芯性能衰退,系統設計通量不宜過大。運行過程中應控制好膜元件的回收率以及膜通量。

3)段間增壓的控制。為了均衡分配兩段的流量,平衡兩段的負荷,通過設置段間增壓泵可以緩解后段膜的進水壓力,使得前后兩段膜的運行通量相差控制在2.5倍以內。工程設計增壓2～3 bar。

4)pH值調整和結垢控制。根據水源水質,RO系統調酸有利于降低結垢傾向,但同時導致RO產水pH值偏低,有一定腐蝕性。工程通過添加堿性阻垢劑,使水源水在進膜之前pH值有初步調整,避免產水pH值過低。

5)殺菌的控制。由于水源富營養化,具有容易滋生細菌的作用,因此如何有效殺菌成為抗污染反滲透膜穩定運行的一個關鍵因素。如果在反滲透進水管連續加入殺菌劑,以殺滅膜面細菌。這樣的殺菌方式容易導致管道、膜面的細菌因為長期接觸藥劑,而產生抗藥性。根據原水的組成分析可知,原水滋生細菌的可能性比較小,工程使用“周期清洗”的方式進行殺菌,保證中水回用系統的有效性。

6)反滲透膜污染的控制。反滲透系統對截留的膜內部的污垢采用周期性的瞬時排出,以降低對反滲透膜表面的結垢污染。當反滲透系統出現停機時,應注意及時、自動對反滲透膜進行低壓沖洗,從而防止濃縮廢水中殘留的污染物對膜造成污染。

5 運行效果

該處理設施經調試后,系統運行情況穩定,反滲透產水水質為:pH值為6～9,SS≤5 mg/L,COD ≤10 mg/L,電導率≤300 μs/cm,總鎳≤0.1 mg/L,總銅≤0.3 mg/L。經過實際運用,對產水水質進行跟蹤監測,產水中pH值、COD、SS、電導率檢測指標均滿足企業回用的要求。

6 工程效益分析

該項目運行成本費用包括電費、藥劑和耗材費、人工費。每年(按360 d計),處理回用水量1 200 m3/d,工程總裝機功率為163 kW,運行功率130 kW,電價按0.8元/kWh計算,則電費為2.08元/m3廢水。藥劑消耗包括鹽酸、檸檬酸、氫氧化鈉、次氯酸鈉、阻垢劑、非氧化型殺菌劑、膜清洗劑及膜的更換費用,用量折合每噸水用量為6.42元/m3。擬配備工人1人,工資按3 200 元/(月·人)計,則人工費0.09元/m3,合計共計成本為8.59元/m3。工程實施后,中水回用系統所產生終端產水替代了原來使用的新鮮水,既有明顯的經濟效益,同時削減了COD排入水體的總量,對電鍍企業的清潔生產也具有很好的參考意義[3]。

7 結論

1)多介質過濾器+超濾+反滲透的組合工藝應用于電鍍生產廢水的深度處理,反滲透產水水質中pH值、SS、COD、電導率檢測指標均滿足企業回用水的要求。產水回用于電鍍生產用水,不僅減少了污水的總排放量,同時減少了企業對新鮮水的使用量,實現了電鍍生產過程的清潔生產,具有一定的經濟效益、社會效益和環境效益,在實際工程應用中具有借鑒意義。

2)在膜處理系統中,預處理是運行過程中的關鍵,不僅可以降低膜的污染,還減少了對膜的清洗頻率,從而延長了膜的使用壽命,對膜系統能夠正常穩定地運行起到保障作用。采用超濾和反滲透的雙膜處理技術法應用于深度處理電鍍廢水,具有較好的抗污性和穩定性,對電鍍行業的可持續發展具有重要意義。