雙膜法在冷軋廢水深度處理回用中的應用
摘要: 某冷軋廠排放的廢水中污染物種類多、濃度高，且廢水水質水量變化較大，屬高濃度、難降解廢水。經采用雙膜法對廢水進行深度處理，系統運行穩定，脫鹽率達96%以上，出水水質滿足循環水補充水要求，廢水回收率達65%以上。本文對該處理系統超濾、反滲透等的運行效果進行了敘述和分析。
關鍵詞: 冷軋廢水; 回用; 超濾; 反滲透
某冷軋廠主生產線包括酸洗機組、軋機機組、連退機組、脫脂機組等，所產生的廢水主要分為: 含酸廢水、含油廢水、稀堿廢水、循環水排污水，廢水中的主要污染物包括: 酸、堿、乳化液、油類、脫脂劑、表面活性劑、懸浮物等。廢水中污染物種類繁多，屬高濃度，難降解廢水。
該項目地處生態旅游保護區，并與綠色食品基地、濕地公園、鳥類保護區等重點保護區域毗鄰。因而，對本項目的環境保護及水資源的循環利用也提出了更高的要求。該項目環評報告不但對廢水排放的濃度進行了要求，也對廢水排放總量和COD排放總量進行了限定，故處理達標后的廢水還需部分深度處理回用，以滿足廢水排放總量和循環利用率的要求。
1 回用水原水水質及回用水水質
1．1 原水水質表
本項目回用水原水為廢水經生化處理后的出水和循環水系統排污水，其中循環水排污水約38 m3 /h，生化出水約72 m3 /h，水質復雜，且波動較大。循環水排污水中主要污染物質為懸浮物，廢水生化后出水水質即為廢水達標排放標準，主要水質指標如下:
表1 原水水質指標表
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1．2 回用水水質表
經回用水系統各處理流程后，最終出水用作循環水系統補充水，循環水補充水主要水質指標如表2，經反滲透處理后出水水質要遠好于表2 水質指標。
表2 回用水水質指標表
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2 雙膜法在鋼鐵行業廢水深度回用處理中的現狀
雙膜法在污廢水深度回用處理中已成為主流工藝，經過超濾和反滲透，污廢水中細菌、懸浮物、病毒、膠體和鹽等污染物絕大部分都可去除［1］。雙膜法在國內電廠循環水排污水深度回用處理及市政污水深度回用處理中已有較多應用。
雙膜法在鋼鐵行業的深度回用處理應用目前主要集中在大型鋼鐵聯合企業的綜合污水深度處理回用項目上，綜合污水雖然污染物種類非常的多，但由于水量大，濃度低，與本項目的原水情況差別也較大。雙膜法對冷軋廢水進行深度回用處理國內還鮮有報道，故將冷軋廢水與循環水排污水混合回用也是一次富有挑戰的嘗試。
縱觀國內雙膜法深度處理回用中出現的問題，絕大部分都是發生在預處理工序上，選擇合理的預處理系統是廢水處理回收的關鍵［2］。因此，在本項目上，我們特別重視預處理工藝的選擇以及搭配。
3 回用處理工藝流程和主要參數
廢水深度處理回用的工藝較多，但結合本項目原水水質及產水水質要求，我們選用主流的雙膜法工藝，該工藝流程可以劃分為3 個部分: 預處理、超濾膜處理和反滲透膜處理，工藝流程圖如圖1。
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圖1 回用處理工藝流程圖
3．1 預處理工藝
預處理單元包括原水池、消毒、混凝反應、多介質過濾等，原水池不但起到水質和水量的調節作用，同時也起到沉淀池的作用，原水池底部設有排泥設施，定期排出系統污泥。在預處理階段主要去除原水中的懸浮物、CODCr、細菌等，為此，在預處理單元投加殺菌劑殺滅水中細菌，并投加混凝劑發生混凝反應，提高后續過濾器的截留效果。
3．2 超濾系統設計
超濾系統的作用為去除水中絕大部分的膠體、懸浮顆粒和細菌、病毒等，使產水水質符合后續反滲透系統進水水質的要求。超濾裝置前設有自清洗過濾器，超濾過濾方式采用死端過濾的形式，每運行一段時間需進行一次反沖洗來恢復膜通量，超濾反洗包括普通反沖洗、化學分散反沖洗和離線化學清洗等。
超濾裝置選用進口中空纖維超濾膜，變頻恒流量控制。超濾系統組成包括自清洗過濾器、超濾提升泵、超濾膜組件、超濾反洗泵等，超濾化學清洗裝置與反滲透裝置共用。
超濾裝置主要設計參數:
數量 2 套
單套凈產水量 Q = 50 m3 /h
單套膜面積(18 支) 720 m2
產水通量 69 L/m2·h
膜元件材質 PES
設計回收率 92．5%
化學反洗藥劑及濃度 10%NaClO
出水SDI15 ＜ 3
3．3 反滲透系統設計
反滲透裝置是廢水深度回用處理脫鹽的關鍵設備，同時其對進水水質要求也較高。反滲透系統的主要組成包括: 反滲透增壓泵、管道混合器、保安過濾器、反滲透高壓泵、反滲透膜組件等。
RO膜元件選用進口卷式膜元件，臥式排列布置，反滲透高壓泵變頻控制。保安過濾器前投加阻垢劑防止反滲透膜管中碳酸鈣、硫酸鈣以及硅酸鹽等的結垢，同時投加還原劑以去除水中的氧化性物質。
反滲透裝置主要設計參數:
數量 2 套
單套凈產水量 Q = 35 m3 /h
單套膜面積(42 支) 1776 m2
產水通量 19．71 L/m2·h
膜元件型號 抗污染膜元件
膜元件材質 芳香族聚酰胺復合材料
設計回收率 70%
高壓泵性能參數 Q = 50 m3 /h，H = 120 m，N = 30 kW
4 系統運行效果
該系統投運6 個月以來，運行穩定，系統產水量穩定，水質狀況良好，產水水質遠好于循環水補充水水質要求。現就該系統對CODCr、電導率的去除效果及UF＆RO的運行效果對比分析如下:
4．1 對CODCr的去除效果
系統對CODCr的去除效果如圖2 所示。
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圖2 系統對COD的去除效果
系統中原水CODCr在50～70 mg /L，經多介質過濾器和超濾膜后，CODCr的去除率達70%，經過反滲透膜的截留后，出水CODCr穩定在2 mg /L 以下，去除率達96%以上。
廢水經過生化后出水水質中還存在一定量的微生物，且該部分微生物有較強的活性，很難在生化單元沉淀，但經NaClO等殺菌劑殺滅后，易于被多介質過濾器和超濾膜等截留。反滲透膜截留組分為0．1～1 nm 小分子溶質［3］，能有效截留所有溶解鹽份及相對分子量大于100 的有機物，故水中剩余溶解性CODCr可被反滲透膜進一步截留，保證了系統出水較低的CODCr值。
4．2 對懸浮物的去除效果
循環水排污水中SS 屬易于沉淀分離的物質，經沉淀后，SS 可達60 mg /L 以下; 同時，廢水出水SS ＜ 60 mg /L，懸浮物含量較低。多介質過濾器對懸浮物的去除率在80%以上，超濾膜對懸浮物去除率在95%以上，反滲透膜孔徑更小，其產水懸浮物接近于零。
需要說明的是，隨著懸浮物等雜質的去除，水中大量的CODCr也一并得以去除，經過超濾膜后，水中絕大部分的腐殖有機物均被去除，超濾出水SDI15 ＜ 3，確保了后續反滲透膜的穩定運行。
4．3 對電導率的去除效果
水的電導率間接的表示水中鹽的含量，即溶解性固體的含量。經過多介質過濾器、超濾膜等，水中大部分的污染物均得以去除，但鹽含量的變化卻不大。
反滲透膜是一種半透膜，依據其只能透過水分子而不能透過鹽分子的特點，在高于溶液滲透壓的作用下，將水中鹽類等雜質從水中分離出來，從而大幅度的降低水中鹽的含量。經對反滲透進出水電導率對比分析，結果如圖3。
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圖3 RO膜對電導率的去除效果
反滲透進水電導率在1240～1890 μS /cm，產水電導率保持在55 μS /cm 以下，反滲透脫鹽率在96% 以上，產水水質明顯好于工業水水質。
4．4 超濾跨膜壓差變化趨勢及清洗
超濾膜運行的跨膜壓差(TMP) 是一個重要指標，它是膜過濾的推動力，跨膜壓差的大小反映出超濾膜的污堵情況［4］。隨著超濾膜截留污染物的不斷增加，超濾膜通量也隨之下降，超濾膜跨膜壓差呈上升趨勢，因此，跨膜壓差也通常用作衡量超濾膜清洗與否的關鍵參數。
超濾裝置運行方式有兩種: 恒壓力過濾(即恒跨膜壓差) 和恒流量過濾，在跨膜壓差為0．02 MPa 下產水通量的變化曲線，及產水通量為69 L/m2·h 下跨膜壓差的變化曲線對比如圖4。
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圖4 超濾跨膜壓差與產水通量的關系
鑒于該超濾裝置跨膜壓差的變化趨勢，為保證系統的穩定運行及膜的使用壽命，最終確定超濾裝置的反沖洗時間和化學清洗時間分別為間隔45 min 和間隔24 h。其中反沖洗強度為:
250 L/m2·h; 化學清洗強度為: 125 L/m2·h，清洗藥劑采用10% NaCl，投加量約100 mg /L。
4．4 反滲透運行壓差變化趨勢及清洗
反滲透膜運行壓差(△P) 是一個重要指標，△P 是指反滲透進水壓力和濃水壓力之間的差值。在一定范圍內，△P 與膜產水通量之間存在一定的關系，通常也用作衡量反滲透清洗與否的依據之一，反滲透裝置運行壓差和產水量變化如圖5 所示。
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圖5 反滲透壓差與產水通量的關系
在系統運行的第90 天左右，隨著反滲透膜截留污染物和鹽分的不斷增加，反滲透膜通量下降達10%，反滲透膜運行壓差亦比運行初期增加了約0．1 MPa，故進行了一次化學清洗，清洗后，反滲透運行壓差和通量恢復如初。
4．5 經濟環境效益分析
該系統年運行費用約85．3萬元，其中電費46．9萬元，藥劑費7．6萬元，膜折舊及備件30．8萬元，噸水成本約為1．74元/t產水，整個系統由廢水處理班組統一管理，不再單獨核算人工成本。若按照自來水價格2．71元/t、年工作時間7000 h 計算，則年節省水費約47．5萬元/年。
不但如此，該系統還有著良好的環境效益，年減少廢水排放量約49萬t /年，年減少CODCr排放總量約為44．1 t /年。
5 結論
雙膜法具有操作簡單、出水水質穩定、運行費用低等特點，一直是各行業廢水深度處理回用的首選工藝，從本系統的運行情況來看，再次驗證了這一點。冷軋廢水雖然處理難度很大，但只要預處理措施得當、膜系統設計選型合適，采用雙膜法進行深度處理回用是合適的。
本系統對CODCr、懸浮物、電導率等的去除率均達到96% 以上，產水水質明顯好于工業水水質，不但可用作循環水系統補充水，也可用作脫鹽水站原水。
冷軋廢水采用雙膜法進行深度處理回用，不但能收獲回用水，有著可觀的經濟價值，而且能大幅度減少廢水的排放量和CODCr等污染物質的排放總量，有著良好的環境效應和社會效應。冷軋廢水雙膜法深度處理回用工藝值得推廣。
參考文獻
［1］馮逸仙，楊世純．反滲透水處理工程［M］．北京: 中國電力出版社，2000: 115．
［2］王紀軍，張永澤，魏明寶．反滲透工藝處理回用循環水排污水技術工業應用［J］．能源環境保護，2006，20(4) : 45-47．
［3］韓劍宏．中水回用技術及工程實例［M］．北京: 化學工業出版社，2004: 189．
［4］宋雷，夏守慶，徐慶東．超濾技術用于循環水排污水回收的試驗研究［J］．山東電力高等專科學校學報， 2005，8(4) : 69-70．
作者簡介: 李佩英，工程師，從事廢水處理設計及研究。
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