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印染废水膜法回用中的问题及对策

                            印染废水膜法回用中的问题及对策
                          张立峰1,杨炜1,江天青1,黄小军2
    (1.杭州司迈特水处理工程有限公司,浙江杭州310018;2.沁园膜技术与应用研究所,浙江杭州310018)
    摘要:介绍了印染废水的提标改造及中水回用中,应用膜法水处理技术时出现的关键问题,包括膜处理能力下降,膜使用寿命缩短,需频繁清洗等。分析了问题产生的原因,并给出了解决办法。结合工程经验,分析了关于膜的一些常见误区,包括设备系统操作难、膜系统投资、娇贵且易损坏和膜的数量等,为膜法水处理系统的使用者和工程设计人员提供参考。
    关键词:印染废水;膜技术;回用
    中图分类号:TS199 文献标识码:B 文章编号:1000-4017(2015)02-0030-04
    0· 前言
    印染废水具有水量大、污染物含量高、色度大、生化性差和水质变化大等诸多特点,处理难度高[1-4]。GB 4287—2012《纺织染整工业水污染物排放标准》的颁布实施,以及产业升级、水价提升和排放总量控制等措施陆续出台,要求印染企业必须对废水进行深度处理及回用。目前,以MBR(膜生物反应器)、UF(超滤)和RO(反渗透)为深度处理核心路线的膜法水处理技术日益得到推广应用[5-6]。但由于各种原因,这类膜法水处理系统在使用过程中出现多种问题,很多印染企业甚至对该技术的可靠性和有效性产生怀疑。其实,绝大多数问题并非出自膜技术本身,而是设计施工方或运行管理方所致,包括对膜法水处理存在很多技术性误解等。
    1· 关键问题及解决方案
    1.1 膜系统处理能力下降
    膜系统运转一段时间后,有时处理能力明显下降,达不到设计产能。产生这种现象的原因主要与膜系统工作环境、选型设计、安装施工、运行管理和膜产品性能等有关。此外,与膜系统(MBR、UF或RO)本身也有一定关系。
    (1)工作环境
    印染废水水温低于设计温度(常见于季节性变化),会导致膜出水性能下降;水质中污染物种类、浓度和水体黏度的变化,也会导致膜的透水性能低于预期值。解决这些问题,需要在膜系统设计之初,考虑全年最低水温和水质的波动幅度,在选膜面积时留出一定的安全余量。
    (2)选型设计
    由于设计经验不足,过多考虑成本导致选用的膜面积安全余量不足,对膜的产水通量估计过高等,都会使膜达不到设计产能。无论是MBR膜、UF膜还是RO膜,都必须保证足够的膜面积。需按照稳定膜通量而非初始通量来进行选型设计。
    压力不足、流体分布不均,导致水流或气流偏流,也会影响整体膜性能,对于UF系统和RO系统更是如此。对于RO系统,膜面流速过低,会导致污染物沉积,引起堵塞。解决的方法是改善泵、水路和气路设计,使多组膜能均担处理负荷,避免部分膜超负荷产水,而部分膜未发挥作用。
    若清洗维护功能设计不足,尤其是无产水自冲洗功能,可通过改善气洗、水洗和药洗设计,设置合适的冲洗频率和水量等参数加以解决。
    进膜前无前置过滤保护设施,会导致膜系统堵塞。解决方法为:对于MBR系统,增设1~3 mm超细格栅;对于UF系统,增设100 μm级粗滤器;对于RO系统,增设5 μm级精密滤器。
    UF及RO系统中,还会产生微生物黏泥堵塞,影响膜正常产水。解决方法为:增设紫外线灭菌器或投加杀菌剂;对于RO膜系统,选用无磷阻垢剂,减缓微生物滋生;定期对系统进行清洗维护。
    前处理能力设计过低或效果变差,导致进膜水质恶化,对膜系统尤其是RO系统影响很大。解决方法为:改善前处理,保证膜系统进水水质;对于UF系统,改善其前置过滤器效果;对于RO系统,保证进水污染指数(SDI)合格。
    (3)安装施工
    膜系统制造安装过程中,未及时清理杂物会导致杂质残留过多,从而影响膜的产水性能。尤其是焊渣、尖锐或丝状物等,严重时会导致膜丝、膜片破损。对于MBR膜,需将池内杂质清理干净后再进水;对于UF及RO系统,先将前段管路系统冲洗干净,运转前置过滤器,然后再进水。
    (4)运行管理
    正确加入药剂,尤其是阻垢剂,对RO系统非常重要。此外,还要根据工况及时冲洗或采取药洗,恢复膜性能。
    设计经验不足导致回收率过高,或人为操作超过设计回收率,也会导致膜处理能力的下降。对UF系统,可采用错流过滤而非死端过滤;对RO膜要加大浓水排放,降低回收率,减少膜串联的数量或加大回流量。
    (5)膜产品性能
    膜本身的抗污染性[1]和亲水性差,稳定通量值低,运转一段时间后,也会使膜的处理能力降低。对此,可选用抗污染性强、清洗恢复性好的PVDF(聚偏氟乙烯)材质膜。对于MBR和UF系统,要选用耐久且亲水性好的膜。
     1.2 膜使用寿命缩短或需频繁清洗
    膜使用寿命周期短体现在两个方面:一是膜本身永久性受损,不能再产出足量、足质的水,需要更换才能解决;二是膜受严重污染后暂时性受损,需要频繁清洗才能恢复产水能力,实际使用时间和清洗周期较短,难以适应生产要求。该问题可从工艺设计上加以解决,如提高膜本身的质量,同时加强环境、制造施工和运行管理等。
    (1)设计
    保护性设计不足,会导致膜产生不可恢复性受损。根据受损的种类不同,其解决方法也各异。例如,为避免膜丝、膜片被划伤,可加装前置过滤器;为防止RO膜被氧化性物质氧化,加装ORP仪表和还原剂自动投加装置;为防止超压性物理损伤,可加装压力保护设施;为防止膜丝、膜片受水锤冲击破裂,需设计减缓水锤细节。
    设计经验欠缺或过于节省材料成本,会造成实际选用膜面积严重不足;单位面积超负荷运转、污染严重,也需频繁清洗。为此,膜面积需要根据稳定膜通量选型设计[2],对无经验水质,需通过中试验证设计数据。
    对于RO系统,膜串联数量过多,亦会导致后段膜污染严重且难以清洗恢复。解决方法是合理设计RO膜的串联数量,当采用两段式RO设计时,设计分段清洗。
    此外,前处理能力偏小,导致膜进水水质超标,强行运转,亦会缩短膜的使用寿命。对此,需改善前处理工艺,保证膜系统进水水质符合要求。
    (2)膜产品
    UF/MBR膜受膜丝材料和制造工艺限制,易断丝,抗污染性和抗老化性差,反洗及拉伸强度低。推荐选用长寿命、高抗拉强度的编织管增强PVDF膜。
    RO膜流通通道小、膜片抗污染性差,应尽量选用宽流道RO膜,根据水质有针对性地选取抗污染膜。
    (3)制造、施工
    制造安装过程中,膜系统混入杂物尤其是尖利异物,会划伤膜丝、膜片。解决方法为:对于MBR膜,需将池内杂质清理干净后再进水;对于UF 及RO系统,必须先将前段管路系统冲洗干净后,运转前置过滤器,然后再进水。
    (4)运行管理
    未正确或及时加药,尤其是RO系统的阻垢剂投加不及时,会导致膜严重堵塞。在设计正确的前提下,按操作规程正确运营维护。
    膜系统在高压差下运转,会导致超微滤膜丝断裂和RO膜片受损。为此,需巡检跨膜压差和膜组压降,根据工况及时进行恢复性清洗,严防超压差运转。
    化学清洗时,强酸、强碱和强氧化性药剂会使膜产生不可恢复性的化学损伤。因此,操作者需熟练掌握化学清洗工艺,避免强酸和强碱环境;而RO膜则严禁采用强氧化性药剂清洗。
    (5)环境
    水温高于45 ℃,会使膜的使用寿命缩短。一般需将水温控制在40 ℃以下,必要时采取降温措施。
    对于RO系统,废水中含有强氧化性物质或易沉淀物质,会导致膜使用周期缩短。设计系统时,从其安全性角度考虑,增加预处理安全余量,加装保护性停机设计,可避免引发这类问题。
    1.3 膜系统运行成本高
    MBR、UF系统的运行成本并非很高;RO系统因为有高压泵,且需投加专用阻垢剂,运行成本较高。从优化设计角度入手,可从以下几方面降低RO系统的运行成本:
    (1)选择超低压反渗透膜
    常规反渗透膜运行压力为1.3~1.5 MPa,超低压反渗透膜运行压力为0.8 MPa左右甚至更低(与水温密切相关),可节约30%以上电耗。对于大型RO系统,基本可抵消膜70%以上的年折旧费用,节约更为显著。
    (2)高压泵配变频器
    高压泵配变频器除了可以减缓水泵启动时的水锤冲击,还可通过设定合理的运行压力,降低阀门节流耗能,全年至少可季度性节能15%以上。
    (3)合理计算阻垢剂投加量
    通过分析水质数据,优化药剂投加量,通常可节约20%甚至更高的药剂费用。
    (4)适当增加膜的数量,降低运行压力
    通过适当增大膜面积,可在一定程度上降低膜的运行压力,降低电耗。
    (5)MBR或UF产水与RO产水混用
    RO 产水水质较优,通常可以与一定比例的MBR或UF产水混合,提高系统回收率,降低RO系统的运行规模,从而节约运行成本。
    2 ·关于膜的误解及说明
    2.1 误解一:膜法水处理设备是高难操作系统
    膜法水处理系统的自控要求远高于常规生化处理系统,很多使用者误以为膜法系统操作困难。事实上,膜法水处理系统操作高度自动化,启停、加药和在线冲洗等操作都由PLC系统程控执行,可以做到无人值守,仅需人工定时巡检配药、周期性维护清洗,基本不需要额外增加操作员工。膜的常规清洗维护,培训一天即可掌握,难度远低于对员工综合技能要求较高的生化系统。
    2.2 误解二:投资大,买得起用不起
    有观点认为,膜的一次性投资和折旧更换成本很高,买得起但用不起。事实上,随着国内膜制造企业的发展,膜的价格在不断下降。采用MBR膜系统,可节省土建和占地成本,减少污泥量和污泥处置费用,综合性价比高,是很好的选择;对于UF及RO系统,实现污水资源化再生利用后,其产生的经济效益远超设备本身的投资。将MBR或UF与RO膜组合在一起折旧更换,一般膜折旧费也不会超过0.6元/t进水,甚至低于系统吨进水的药剂投加费用。
    2.3 误解三:膜娇贵易损坏
    一些工程公司由于经验不足,设计施工的膜系统出现膜断丝、膜片报废等问题,使用者误以为膜产品难以维护。其实,主要问题出自工艺设计和膜自身两个方面。通过合理的前处理设计和安全性保护设计,优质的编织管增强PVDF膜可使用5年以上,RO膜的更换周期在3年以上。
    2.4 误解四:品牌和RO 数量比膜面积和系统设计重要
    一些企业建立膜系统时,过度关注膜是否为进口产品,对系统设计的重要性认识不足。事实上,一些国产超微滤膜的性能已接近甚至达到国际先进水平,性价比超过进口膜。膜系统故障问题更多来自于工程设计。
    很多使用者较多地关注膜回用系统中RO膜数量,而非前处理MBR或UF的膜面积和系统设计。事实上,当采用MBR+RO或UF+RO双膜法回用工艺时,RO系统运行不佳,往往与前处理MBR或UF的膜面积不足和设计不合理有关,导致RO系统进水水质超标。而且,作为前处理的MBR 或UF 系统,其膜造价常超过RO系统,因而不能简单地关注后段的RO膜。
    2.5 误解五:膜技术是万能的
    膜法技术是一项单元处理技术,它有出水浊度低、脱色、除盐和软化强等特色。但是,处理工业废水时,膜法技术通常需要与传统的物化、生化处理工艺相结合,才能更好地发挥膜法深度处理的优势。而且膜法水处理通常有浓水排放问题,其自身也有配套其他技术的需要,并非万能。
    2.6 误解六:膜的数量越多越好
    在一定范围内,增加膜的数量可以提高膜系统的产水安全性,降低运行成本。但是,膜数量增加至一定程度后,均摊到单位膜上的水量降低,错流过滤的水流膜面流速低于临界值,不能将膜面的沉积杂物带走,导致膜的污染堵塞加重,产水性能下降。而且,膜数量增加后,需要的冲洗水量增加,若冲洗水泵及压缩空气量不能满足单位膜面积的冲洗量要求,就难以彻底冲洗,加重膜污染,影响其产水性能,这对MBR或UF膜来说尤为重要。此外,膜数量增加后,系统的一次性膜投资和折旧费也会增大。
    2.7 误解七:RO 膜一定要用抗污染膜
    理论上,抗污染RO膜比常规RO膜更适合用于废水回用处理,但选择抗污染膜要视其抗污染机理而定。抗污染RO膜分为两种:一是膜的流通通道更宽,不易堵塞而抗污染,这种膜普遍适用;另一种是通过RO膜表面改性,使RO膜呈负电性、正电性或电中性,依据电性同性相斥的原理,使特定性质的污染物不易沉积在膜表面,从而实现抗污染特性。后者抗污染性的发挥,很大程度上取决于水质的特性。由于印染废水中助剂种类繁多,必须根据RO系统的进水特性,选择合适电性的抗污染膜种类,否则会适得其反。此外,在废水回用中,因为RO膜表面会较快地被一层污染物覆盖而同质化,膜面本身的电性特点不鲜明,因此其抗污染的实际效用有待研讨。抗污染RO膜的价格远高于常规RO膜,且很少有超低压抗污染膜,因此,其在废水回用中并无显著的综合优势。
参考文献:
[1]顾国维,何义亮. 膜生物反应器--在污水处理中的研究和应用[M].北京:化学工业出版社,2002:302-344.
[2]冯逸仙.反渗透水处理系统工程[M].北京:中国电力出版社,2005:74-86.
[3]孙爱华,张春花.膜技术处理印染废水回用工程实例剖析[J].印染,2013,39(12):29-30.
[4]于翔,同帜,仝攀瑞.印染废水膜生物反应器的设计及应用[J].印染,2010,36(24):30-32,55.
[5]庄华炜译.纺织印染废水膜处理技术[J].印染,2009,35(14):54-55.
[6]张鑫,曹映文.印染废水反渗透膜处理及回用技术[J].印染,2008,34(14):39-41.


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