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膜生物反应器在某电厂城市中水回用处理中的应用
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2020-10-28 15:21:43 浏览次数:
作者:李亚娟,姜琪,毛进,袁国全,张江涛(西安热工研究院有限公司,陕西西安710032)


  摘要:某电厂采用膜生物反应器(MBR)对城市中水进行处理后作为冷却塔补水。通过对MBR 运行数据、出水水质以及化学清洗效果的分析表明,MBR 可有效去除来水中的COD、氨氮和悬浮物。但MBR 系统运行4 a 后,系统出现膜比通量下降、化学清洗效率偏低等问题。膜丝能谱(EDS)和扫描电镜(SEM)分析结果表明,有机物是造成膜污堵的主导因素,膜丝表面形成了致密的凝胶污染层,膜孔堵塞、窄化现象明显。根据MBR 污染物质,提出采用EDTA碱洗+HCl 酸洗+NaClO 碱洗的清洗方案,膜比通量恢复率较常规碱洗+ 酸洗提高约10%。但膜孔内吸附的杂质沉积时间较长,膜孔堵塞现象难以彻底恢复。

  关键词:膜生物反应器(MBR);中水回用;运行性能;有机污堵

  对于火电厂湿冷机组,冷却水消耗量占电厂总耗水量的60%~80%[1]。城市中水经深度处理后,作为电厂循环水补充水源,既符合节能减排的环保要求,同时为电力行业的可持续发展开拓了空间,具有重要的经济、社会和环境效益[2-3]。目前,中水深度处理工艺主要采用石灰混凝澄清过滤法、膜脱盐处理法、生物处理法和膜生物反应器等[1,3-9]。膜生物反应器(MBR)是将生物处理与膜分离相结合的一种组合工艺,既能深度氧化废水中的有机物,又可截留来水中的悬浮杂质。

  针对某电厂中水岛MBR 系统运行情况进行分析,评价其MBR 系统在城市中水回用处理中的运行性能,并针对膜组件污堵物质,提出化学清洗方案。

  1 工艺流程

  某电厂采用污水处理厂的二级污水作为生产水源,此二级污水在电厂中水岛进行深度处理后作为机组循环冷却水系统的补充水。针对中水回用氨氮硝化反应后易造成循环水系统pH 降低的困扰,综合考虑城市中水COD、氨氮含量高以及循环水浓缩倍率运行要求,经技术经济比较和论证,选用MBR+弱酸离子交换的组合工艺。工艺流程见图1。城市中水经原水提升泵提升后,进入生物曝气池,去除氨氮和可降解的有机物后,自流进入膜池,在超滤水泵负压抽吸作用下,通过超滤膜进入清水箱,完成微生物与水的分离。风机在膜组件底部通入空气,一方面对中空纤维膜进行抖动、擦洗,另一方面提供了微生物、有机物和氨氮所需的部分耗氧量。同时,膜池中的生物污泥大部分回到生物池。膜池出水进入弱酸阳床,去除硬度后作为循环水补充水。

  2 运行性能分析

  2.1 膜比通量

  膜比通量表征单位跨膜压差下的膜通量,反映膜过滤阻力的变化和膜污染情况,其越小,说明膜阻力越大,膜污堵越严重。MBR 系统膜比通量的变化见图2。

  由图2 可知,MBR 系统投运的前2 年膜比通量的曲线趋于平缓,膜比通量在1.25~1.40m3/(m2·h·MPa),系统运行性能良好;MBR 系统运行至第3 年时,膜比通量开始缓慢下降;运行至第5 年时,膜比通量较运行初期降低约28.4%~32.7%,中水岛出力已不满足冷却塔补水需求,不足部分由地表水补充。

  2.2 出水水质

  中水岛MBR 进水COD 在60~80 mg/L 波动,出水COD 为20~26 mg/L,COD 去除率在65%~73%,有机物去除率较高。进水NH3-N 的质量浓度在30~50 mg/L 变化,MBR 出水NH3-N 的质量浓度在0.2~0.8 mg/L,氨氮去除率>95%,说明膜生物反应器中的硝化反应进行的比较完全。

  MBR 系统出水浊度变化见图3。

  由图3 可知,MBR 系统运行的第1 年出水浊度约为0.1 NTU,运行5 年后出水浊度<0.4 NTU,虽然出水浊度有所上升,但仍满足循环水补水要求。系统在运行过程中膜丝反复受拉挤作用,存在断丝现象。运行期间没有及时修补断丝,导致出水浊度稍有增大。在整个运行过程中,MBR 对悬浮杂质的去除率高,>90%。

  2.3 化学清洗情况

  MBR 系统化学清洗情况见表1。

  由表1 可知,MBR 系统运行的前3 年化学清洗周期≥13 个月,膜比通量恢复率>90%,清洗周期长,清洗效果显著。从第4 年开始,MBR 系统清洗周期逐渐缩短,清洗频率逐渐升高,而且清洗后膜比通量的恢复率逐渐下降。2014 年11 月MBR 系统进行化学清洗后,膜比通量的恢复率仅有67.58%。

  工程实践表明,对于来水品质较高的地表水和地下水,膜元件使用寿命可以达到5 a。对于水质较差的城市中水,膜元件更换周期通常在3 a 左右。该电厂MBR 系统运行5.5 a,出现产水量下降、化学清洗频繁等问题,在膜元件性能要求范围内(膜厂商对于元件性能的保证期限为3 a),2015 年3 月电厂开始对膜元件进行分批更换。

  3 膜污堵分析和清洗方案

  电厂采用NaOH 碱洗+HCl 酸洗对膜池进行化学清洗,根据2.3 节的结果,从第4 年开始清洗效果变差。取化学清洗后的膜丝,对膜表面污堵物质和污堵形态的分析,并通过模拟试验提出化学清洗方案。

  3.1 膜丝表面污染物

  对膜池进行反洗后,取第3 列和第6 列膜池中的膜丝样品,风干后进行能谱分析,结果见表2。

  由表2 可知,膜丝表面污染物质主要由C、N、O这3 种元素组成,质量分数合计大于96%,可见膜丝表面附着的物质绝大部分为有机物。Mg、Ca、Fe、Al等元素的含量很低,质量分数合计小于4%。由此可判定有机污染是造成MBR 膜污堵的主导因素。

  MBR 系统中含有活性污泥,微生物在代谢过程中会产生大量的有机物,主要包括微生物代谢产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)[10-12]。这些有机物在膜丝表面吸附和累积,膜表面泥饼层及凝胶层逐渐形成,导致膜通量下降。

  3.2 膜丝形态

  污染的膜丝表面和断面的扫描电镜照片分别见图4 和图5。

  由图4 可知,膜表面污染层是由底部较为致密的污染层和上面附着的颗粒物组成。膜表面附着的颗粒物层为水透过超滤膜时被截留下来的部分活性污泥、胶体物质等,附着层的污染物质属于可逆污染,可通过水力冲洗恢复部分膜通量。溶解性有机物通过浓差极化作用在膜表面形成凝胶层,即照片中膜丝表面所吸附的致密污染层。凝胶污染层透水性差、产水阻力大、反洗效果差,属于不可逆污染,需要通过化学清洗才能去除。

  由图5 可知,超滤膜孔隙率下降、孔径变小,这是由污染物所造成的膜孔堵塞和膜孔窄化所导致的。颗粒物、胶体等大于膜孔径的微小颗粒吸附在膜孔表面上造成膜孔堵塞,降低了膜孔隙率;小于膜孔径的杂质在压力作用下进人膜孔内导致膜孔窄化。此外,膜孔隙之间的相互贯穿度降低,增加了膜过滤阻力,宏观上表现为跨膜压差的升高。

  3.3 化学清洗方案

  根据上述分析结果,有机物是造成膜污堵的主要物质,溶解性有机物在膜表面形成了致密的凝胶污染层,而且膜孔堵塞现象严重。采用常规酸、碱清洗难以恢复系统性能,需要根据污堵物质和污染物形态进行针对性清洗。

  根据国内外膜有机污堵以及清洗研究进展,并结合工程实例,采用EDTA 碱洗+ 盐酸酸洗+NaClO碱洗的分步清洗方式对膜组件进行化学清洗。碱性条件下(pH=12),EDTA 能够破坏溶解性有机物之间的架桥作用,使污染层变疏松,在水流的冲刷作用下,去除有机污染物质[13-15]。然后采用盐酸(pH=2)去除膜表面残留的少量无机结垢类物质。由于MBR中微生物含量较高,最后采用次氯酸钠(pH=12)去除膜元件内滋生的微生物。清洗后膜丝扫描电镜照片图6。

  由图6 可知,所采用EDTA 碱洗+ 盐酸酸洗+NaClO 碱洗的方式可去除膜表面粘附的有机污染层,膜表面光滑、形态均匀。采用该方案清洗后膜孔堵塞和窄化现象显著降低,但没有完全恢复。主要原因是后续运行过程中MBR 系统清洗效率低,导致膜孔内吸附的污染物质经过长时间积累,粘附力很强,膜孔堵塞难以完全恢复。化学清洗后,膜比通量为1.215 m3/(m2·h·MPa),膜比通量恢复率为85.53%,较采用常规碱洗+ 酸洗提高约10%。

  4 结论

  MBR 系统运行数据分析结果表明,MBR 膜系统投运初期膜比通量为1.42 m3/(m2·h·MPa),运行5.5 a 后,膜比通量降至0.95 m3/(m2·h·MPa),系统出力下降,不能满足冷却塔补水水量要求。

  MBR 对COD 的去除率在65%~73%,NH3-N去除率>95%,出水浊度<0.4 NTU,MBR 出水水质稳定。

  MBR 系统运行5.5 a 时间,共进行5 次化学清洗,化学清洗周期长。从第4 年开始MBR 化学清洗效果变差,膜比通量恢复率偏低。

  对MBR 膜丝进行微观分析,膜表面污堵物质主要为有机物,膜丝表面形成了致密的凝胶污染层,膜孔堵塞、窄化现象明显。采用EDTA 碱洗+ 盐酸酸洗+NaClO 碱洗的分步清洗方式对膜组件进行化学清洗,清洗效率较常规碱洗+ 酸洗提高约10%。但膜孔内吸附的杂质沉积时间较长,膜孔堵塞现象难以彻底恢复。