论文部分内容阅读
【摘 要】某厂洗消废水含有高浓度的硬度和次氯酸根和有机P、S，本文从膜技术的特点与该厂洗消废水特性出发，分析是否可采用膜工艺处理该废水。并选出合适的膜工艺和预处理工艺，最后设计出一整套处理方案，包括工艺流程、工艺参数、设备型号、平面布置等。
【关键词】洗消废水；膜分离；UF；RO；膜污染；设计；硬度
1.某厂洗消废水概况
某厂洗消废水主要成分如下：次氯酸钙（Ca（ClO）2）、氯化钙（CaCl2）、氢氧化钙（Ca（OH）2）、有机P、S，且PH>10。其中废水总主要成分实测浓度如下：[ClO3-]为2600mg/L，[Ca2+]为22×103 mg/L，总S浓度为3.5×103 mg/L，TP为4.0 ×103 mg/L，COD为3.5 ×103 mg/L。
废水流量Q>6t/h，每天生产8h，要求[Ca2+]去除率>90%，[ClO3-]去除率>95%，S、P去除率>99%。
2.膜处理设备可行性分析
2.1主体膜分离工艺选择
目前膜分离技术主要有电渗析、微滤、超滤、反渗透和纳滤，具体可见表1。
微滤、超滤、纳滤和反渗透4种膜分离技术的优缺点见表2。
2.2 膜分离工艺选型
经对各种膜分离的种类及特点与技术优缺点比较分析，该厂洗消废水较宜选用超滤和反渗透双膜处理。通过超滤后的生产水，微生物、有机物都得到有效去除，可达到反渗透的要求，再通过反渗透膜的分离，废水中的有机物和盐物质可以有效去除，确保洗消废水处理的要求。
但是由于原水中含有较高含量的ClO3-，会对超滤膜和反渗透膜造成污染，缩短膜的使用寿命，另外，Ca2+浓度较高容易结垢，造成膜的堵塞。此外，原水PH较高>10，也会影响膜的使用。因此，在对洗消废水进行膜处理前，必须经过预处理去除水体中的ClO3-和Ca2+及调节PH。
3.预处理工艺选型
根据原水水质，在双膜设备前增设以下预处理工艺：
3.1 混凝沉淀一体反应器
由原水中Ca2+，在碱性条件下加入纯碱，通过搅拌加速生成Ca（OH）2和CaCO3沉淀，发生混凝反应，初步处理原水中大部分的Ca2+、SS、COD。
3.2 多介质过滤器
去除粒度大于20?m的SS，和部分胶体，去除一部分的有机物。滤料为三层分别为无烟煤、石英砂、重质矿石。
3.3 碳滤器
通过活性炭的过滤和吸附作用，去除余氯，和进一步去除SS和部分胶体。碳滤器一般可以选择放在软化器之前或之后，但当进水中有较高浓度余氯时，必须放在软化器之前，避免余氯造成软化树脂中毒。
3.4 氢离子交换软化器
通过强酸型氢离子交换树脂对硬水进行软化，去除剩余Ca2+。另外氢离子被置换出来对原水进行中和，降低水体中的碱度。交换树脂的反应如下：
2HR+ Ca2+= CaR2+OH-
4.处理工艺流程图
根据预处理工艺和膜分离工艺的选取情况，整个工艺流程如图1所示。
5.工艺参数设计及设备选型
图1 工艺流程图
5.1 反应器池和清水池
反应池和清水池选用PE塑胶水箱，
反应池尺寸为：B×L×H=2×2×2（m3）
清水池尺寸为：B×L×H=2×1×2（m3）
反应池搅拌器： Φ=500mm P=1.1kw
每天加入纯碱600kg
5.2 压力泵
根据该厂废水流量6m3/h，及后续工艺的要求，压力泵额定流量要大于6m3/h，扬程20-40m之间。
本方案选取杭州南方特种泵业有限公司的轻型卧式多级离心泵，型号CHL8-40，配用电机功率1.5kw，流量5～11m3/h，Q=6 m3/h，扬程为38m。共2台，一用一备。
5.3 多介质过滤器
设滤速v=18m/h，流量Q=6m3/h，则过滤器直径为：
D=2=2=0.652m，选实际D=610mm，实际滤速为v=20.55m/h，
滤料为三层，分别为下层重质矿石，粒径0.25～0.5mm，厚度为70mm；中层为石英砂，粒径0.5～0.8mm，厚度为230mm；上层为无烟煤，粒径为0.8～1.6mm，厚度为450mm。滤料总高度为750mm。设备结构为不锈钢，罐体高为1800mm。
配水系统采用小阻力配水，上设Φ25多缝滤帽，缝宽在0.25～0.4mm，滤帽布置数50个/m2开孔比1.5%。滤帽数n=50×S=50×（0.610/2）2×3.14=14.6≈15.
反冲洗强度q=15L/（S.M2），反冲洗水量Q=S×q=4.38L/S=15.77 m3/h。因此，反冲洗系统需配置额定流量不小于15.77 m3/h，扬程不小于20m的离心清水泵。
5.4 碳滤器
设滤速设滤速v=18m/h，流量Q=6m3/h，则过滤器直径为：
D=2=2=0.652m，选实际D=610mm，实际滤速为v=20.55m/h，滤料为活性炭，活性炭厚度为1.5m。设备结构为不锈钢，罐体高为1800mm。
配水系统采用小阻力配水，上设Φ25多缝滤帽，缝宽在0.25～0.4mm，滤帽布置数50个/m2开孔比1.5%。滤帽数n=50×S=50×（0.610/2）2×3.14=14.6≈15.
可与多介质过滤器共用反冲洗系统。
5.5 软化器
由于经过碳滤的出水的碱度依然较高，为了同时去除Ca2+和降低碱度，软化器阳离子交换剂采用强酸型氢离子交换树脂001×7。 交换剂直径取D=610mm，V交=Q/（（D/2）2×π）=20.55m/h，树脂高度H=1.5m，装有树脂体积V=（D/2）2×π×1.5=0.438 m3
001×7交换树脂工作交换容量ET=1100mol/m3
该厂洗消废水经过加纯碱混凝沉淀、多介质过滤器和碳滤后，Ca2+已得到大部分去除，根据CaCO3的溶解度估算剩余总硬度=10-3mol/L，每天产生的总硬度=6×8×10-3×1000=48mol，每天需要的树脂体积为V=48×2/1100=0.087m3/d，因此运行周期T=0.438/0.087=5.03d，需每隔5d对树脂进行再生。
再生液为盐酸，正生水箱V为1m3，材料为PE，盐酸浓度为18g/L。
5.6 超滤装置
超滤装置采用美国海德能超滤膜HYDRAcap60，材料为亲水性聚醚砜，组件类型为内压式中空纤维，标准膜面积为46m2，中空纤维丝数量13200，过滤水通量为59～145L/ m2h，产水流量2.7～6.8m3/h，最大进水压力为5bar，装置高为1.7m，直径为0.25m。因废水流量为6m3/h，设两套装置，并联使用。
反洗流量为7.8～11.7 m3/h，反洗时间30-60s，反洗频率20～60min，化学加强反洗频率0～4次/天，化学反洗时间1-30min，化学反洗药剂为柠檬酸。
5.7 高压泵
高压泵采用杭州南方特种泵业有限公司的轻型立式多级离心泵，型号CDL8-20-200，电机功率为0.75-7.5kw，流量范围：5.0-12 m3/h，扬程为9-186m。两用一备。
5.8 反渗透装置
选用海德能公司低压复合膜（CPA3-8040），膜组件类型为卷式，材质为芳香族聚酰胺，平均透过水量39.7m3/d，有效膜面积为37m2，最大进水SDI为5，单根膜脱盐率达99.7%。反渗透组件外壳采用优质的玻璃钢RO 专用容器。在RO 装置停运时，自动冲洗、挤排膜和不锈钢管道中的高TDS 残水，使停运膜完全浸泡在淡水中，可以防止膜的自然渗透造成的膜损伤，去污除垢，使装置和RO 膜得到有效保养。
反渗透装置的设计工况：产水流量为6m3/h，回收率为50%。共设3套组件，每套组件含3个原件，每套组件长3m，直径为200mm，排列方式为2-1.如图2所示
图2 反渗透装置工艺流程图
其中各阶段设计流量和压力如表3所示，其中各阶段位置见图2。
反洗药剂为：浓硫酸（98%），进水添加阻垢剂：纳尔科的PC191T。
表3 设计流量和压力
阶段 1 2 3 4 5 6 7
流量m3/h 12 12 7.7 6.0 4.3 1.7 6.0
压力bar 0 7.4 7.2 6.6 0 0 0
6.平面布置
按照设计尺寸，将以上设备布置在B×L×H=6×2.3×2m范围内，如图3所示。
图3 平面布置
7.总结
7.1 由于该洗消废水中钙离子浓度和次氯酸根浓度较高，不宜直接使用膜分离技术，应当先经过预处理。
7.2 原水中钙离子可以通过混凝加纯碱和强酸型氢离子交换树脂去除。
7.3 强酸型氢离子交换树脂可以去除原水中的碱度，降低PH。
7.4 次氯酸根可以通过C滤的吸附作用和超滤有效去除。
7.5 超滤去除90%以上的有机物和细菌，以及一部分盐度。
7.6 通过反渗透膜，淡水可到排放要求，浓水经过回流再进入反渗透膜处理。
7.7 反渗透膜在运行中需要添加阻垢剂，防止钙化。
参考文献：
[1]崔玉川，李思敏，李福勤，工业用水处理设施设计计算.北京：化学工业出版社，2003.
[2]崔玉川，李福勤，纯净水与矿泉水处理工艺及设施设计计算.北京：化学工业出版社，2003.
[3]崔玉川，杨崇豪，张东伟，城市污水回用深度处理设施设计计算.北京：化学工业出版，2003.
[4]三废处理工程技术手册（废水卷）.北京：化学工业出版社，2000.
[5]浙江欧美环境工程有限公司，反渗透膜处理技术讲义，2005.
[6]张建国，罗凯.反渗透应用与研究现状[J].中国资源综合利用，2004，（12）：6.
[7]程艳辉，王志红.反渗透膜分离技术中的膜污染及控制[J].中氮肥，2006，（2）：14—16.
[8]Sadhwani J J.Case studies on environmental impact of seawater desalination[J]. Desalination，2005，185 ：1-8.
[9]刘立芬，俞三传等，反渗透复合膜耐污染性研究进展[J].膜科学与技术，2005，（5）：69-70.
[10]Riina Liikunen，Ilkka Miettinen，RistoLaukkance.[J].Wat Res.2003，37：864-872.
[11]A Nitto Denko Company The United States A Nitto Denko reverse osmosis membrane full technical information.
【关键词】洗消废水；膜分离；UF；RO；膜污染；设计；硬度
1.某厂洗消废水概况
某厂洗消废水主要成分如下：次氯酸钙（Ca（ClO）2）、氯化钙（CaCl2）、氢氧化钙（Ca（OH）2）、有机P、S，且PH>10。其中废水总主要成分实测浓度如下：[ClO3-]为2600mg/L，[Ca2+]为22×103 mg/L，总S浓度为3.5×103 mg/L，TP为4.0 ×103 mg/L，COD为3.5 ×103 mg/L。
废水流量Q>6t/h，每天生产8h，要求[Ca2+]去除率>90%，[ClO3-]去除率>95%，S、P去除率>99%。
2.膜处理设备可行性分析
2.1主体膜分离工艺选择
目前膜分离技术主要有电渗析、微滤、超滤、反渗透和纳滤，具体可见表1。
微滤、超滤、纳滤和反渗透4种膜分离技术的优缺点见表2。
2.2 膜分离工艺选型
经对各种膜分离的种类及特点与技术优缺点比较分析，该厂洗消废水较宜选用超滤和反渗透双膜处理。通过超滤后的生产水，微生物、有机物都得到有效去除，可达到反渗透的要求，再通过反渗透膜的分离，废水中的有机物和盐物质可以有效去除，确保洗消废水处理的要求。
但是由于原水中含有较高含量的ClO3-，会对超滤膜和反渗透膜造成污染，缩短膜的使用寿命，另外，Ca2+浓度较高容易结垢，造成膜的堵塞。此外，原水PH较高>10，也会影响膜的使用。因此，在对洗消废水进行膜处理前，必须经过预处理去除水体中的ClO3-和Ca2+及调节PH。
3.预处理工艺选型
根据原水水质，在双膜设备前增设以下预处理工艺：
3.1 混凝沉淀一体反应器
由原水中Ca2+，在碱性条件下加入纯碱，通过搅拌加速生成Ca（OH）2和CaCO3沉淀，发生混凝反应，初步处理原水中大部分的Ca2+、SS、COD。
3.2 多介质过滤器
去除粒度大于20?m的SS，和部分胶体，去除一部分的有机物。滤料为三层分别为无烟煤、石英砂、重质矿石。
3.3 碳滤器
通过活性炭的过滤和吸附作用，去除余氯，和进一步去除SS和部分胶体。碳滤器一般可以选择放在软化器之前或之后，但当进水中有较高浓度余氯时，必须放在软化器之前，避免余氯造成软化树脂中毒。
3.4 氢离子交换软化器
通过强酸型氢离子交换树脂对硬水进行软化，去除剩余Ca2+。另外氢离子被置换出来对原水进行中和，降低水体中的碱度。交换树脂的反应如下：
2HR+ Ca2+= CaR2+OH-
4.处理工艺流程图
根据预处理工艺和膜分离工艺的选取情况，整个工艺流程如图1所示。
5.工艺参数设计及设备选型
图1 工艺流程图
5.1 反应器池和清水池
反应池和清水池选用PE塑胶水箱，
反应池尺寸为：B×L×H=2×2×2（m3）
清水池尺寸为：B×L×H=2×1×2（m3）
反应池搅拌器： Φ=500mm P=1.1kw
每天加入纯碱600kg
5.2 压力泵
根据该厂废水流量6m3/h，及后续工艺的要求，压力泵额定流量要大于6m3/h，扬程20-40m之间。
本方案选取杭州南方特种泵业有限公司的轻型卧式多级离心泵，型号CHL8-40，配用电机功率1.5kw，流量5～11m3/h，Q=6 m3/h，扬程为38m。共2台，一用一备。
5.3 多介质过滤器
设滤速v=18m/h，流量Q=6m3/h，则过滤器直径为：
D=2=2=0.652m，选实际D=610mm，实际滤速为v=20.55m/h，
滤料为三层，分别为下层重质矿石，粒径0.25～0.5mm，厚度为70mm；中层为石英砂，粒径0.5～0.8mm，厚度为230mm；上层为无烟煤，粒径为0.8～1.6mm，厚度为450mm。滤料总高度为750mm。设备结构为不锈钢，罐体高为1800mm。
配水系统采用小阻力配水，上设Φ25多缝滤帽，缝宽在0.25～0.4mm，滤帽布置数50个/m2开孔比1.5%。滤帽数n=50×S=50×（0.610/2）2×3.14=14.6≈15.
反冲洗强度q=15L/（S.M2），反冲洗水量Q=S×q=4.38L/S=15.77 m3/h。因此，反冲洗系统需配置额定流量不小于15.77 m3/h，扬程不小于20m的离心清水泵。
5.4 碳滤器
设滤速设滤速v=18m/h，流量Q=6m3/h，则过滤器直径为：
D=2=2=0.652m，选实际D=610mm，实际滤速为v=20.55m/h，滤料为活性炭，活性炭厚度为1.5m。设备结构为不锈钢，罐体高为1800mm。
配水系统采用小阻力配水，上设Φ25多缝滤帽，缝宽在0.25～0.4mm，滤帽布置数50个/m2开孔比1.5%。滤帽数n=50×S=50×（0.610/2）2×3.14=14.6≈15.
可与多介质过滤器共用反冲洗系统。
5.5 软化器
由于经过碳滤的出水的碱度依然较高，为了同时去除Ca2+和降低碱度，软化器阳离子交换剂采用强酸型氢离子交换树脂001×7。 交换剂直径取D=610mm，V交=Q/（（D/2）2×π）=20.55m/h，树脂高度H=1.5m，装有树脂体积V=（D/2）2×π×1.5=0.438 m3
001×7交换树脂工作交换容量ET=1100mol/m3
该厂洗消废水经过加纯碱混凝沉淀、多介质过滤器和碳滤后，Ca2+已得到大部分去除，根据CaCO3的溶解度估算剩余总硬度=10-3mol/L，每天产生的总硬度=6×8×10-3×1000=48mol，每天需要的树脂体积为V=48×2/1100=0.087m3/d，因此运行周期T=0.438/0.087=5.03d，需每隔5d对树脂进行再生。
再生液为盐酸，正生水箱V为1m3，材料为PE，盐酸浓度为18g/L。
5.6 超滤装置
超滤装置采用美国海德能超滤膜HYDRAcap60，材料为亲水性聚醚砜，组件类型为内压式中空纤维，标准膜面积为46m2，中空纤维丝数量13200，过滤水通量为59～145L/ m2h，产水流量2.7～6.8m3/h，最大进水压力为5bar，装置高为1.7m，直径为0.25m。因废水流量为6m3/h，设两套装置，并联使用。
反洗流量为7.8～11.7 m3/h，反洗时间30-60s，反洗频率20～60min，化学加强反洗频率0～4次/天，化学反洗时间1-30min，化学反洗药剂为柠檬酸。
5.7 高压泵
高压泵采用杭州南方特种泵业有限公司的轻型立式多级离心泵，型号CDL8-20-200，电机功率为0.75-7.5kw，流量范围：5.0-12 m3/h，扬程为9-186m。两用一备。
5.8 反渗透装置
选用海德能公司低压复合膜（CPA3-8040），膜组件类型为卷式，材质为芳香族聚酰胺，平均透过水量39.7m3/d，有效膜面积为37m2，最大进水SDI为5，单根膜脱盐率达99.7%。反渗透组件外壳采用优质的玻璃钢RO 专用容器。在RO 装置停运时，自动冲洗、挤排膜和不锈钢管道中的高TDS 残水，使停运膜完全浸泡在淡水中，可以防止膜的自然渗透造成的膜损伤，去污除垢，使装置和RO 膜得到有效保养。
反渗透装置的设计工况：产水流量为6m3/h，回收率为50%。共设3套组件，每套组件含3个原件，每套组件长3m，直径为200mm，排列方式为2-1.如图2所示
图2 反渗透装置工艺流程图
其中各阶段设计流量和压力如表3所示，其中各阶段位置见图2。
反洗药剂为：浓硫酸（98%），进水添加阻垢剂：纳尔科的PC191T。
表3 设计流量和压力
阶段 1 2 3 4 5 6 7
流量m3/h 12 12 7.7 6.0 4.3 1.7 6.0
压力bar 0 7.4 7.2 6.6 0 0 0
6.平面布置
按照设计尺寸，将以上设备布置在B×L×H=6×2.3×2m范围内，如图3所示。
图3 平面布置
7.总结
7.1 由于该洗消废水中钙离子浓度和次氯酸根浓度较高，不宜直接使用膜分离技术，应当先经过预处理。
7.2 原水中钙离子可以通过混凝加纯碱和强酸型氢离子交换树脂去除。
7.3 强酸型氢离子交换树脂可以去除原水中的碱度，降低PH。
7.4 次氯酸根可以通过C滤的吸附作用和超滤有效去除。
7.5 超滤去除90%以上的有机物和细菌，以及一部分盐度。
7.6 通过反渗透膜，淡水可到排放要求，浓水经过回流再进入反渗透膜处理。
7.7 反渗透膜在运行中需要添加阻垢剂，防止钙化。
参考文献：
[1]崔玉川，李思敏，李福勤，工业用水处理设施设计计算.北京：化学工业出版社，2003.
[2]崔玉川，李福勤，纯净水与矿泉水处理工艺及设施设计计算.北京：化学工业出版社，2003.
[3]崔玉川，杨崇豪，张东伟，城市污水回用深度处理设施设计计算.北京：化学工业出版，2003.
[4]三废处理工程技术手册（废水卷）.北京：化学工业出版社，2000.
[5]浙江欧美环境工程有限公司，反渗透膜处理技术讲义，2005.
[6]张建国，罗凯.反渗透应用与研究现状[J].中国资源综合利用，2004，（12）：6.
[7]程艳辉，王志红.反渗透膜分离技术中的膜污染及控制[J].中氮肥，2006，（2）：14—16.
[8]Sadhwani J J.Case studies on environmental impact of seawater desalination[J]. Desalination，2005，185 ：1-8.
[9]刘立芬，俞三传等，反渗透复合膜耐污染性研究进展[J].膜科学与技术，2005，（5）：69-70.
[10]Riina Liikunen，Ilkka Miettinen，RistoLaukkance.[J].Wat Res.2003，37：864-872.
[11]A Nitto Denko Company The United States A Nitto Denko reverse osmosis membrane full technical information.