（化学工程专业论文）循环水排污水回用技术应用研究.pdf

大连理t 大学专业学位硕十学位论文 摘要 为解决目前化工企业水资源短缺问题，降低化工企业外排污水对环境的污染，降低 排污水的处理成本，本研究以吉林石化公司循环水排污水为处理对象，对其进行水质分 析及现场中试的深度处理研究，提出了絮凝气浮过滤一体化预处理与倒极电渗析脱盐 为核心的循环水排污水深度处理新工艺，该工艺可将化工企业循环水装置外排污水处理 后，达到工业循环冷却水补充水的水质要求。文章介绍了国内外污水回用的发展状况， 分离膜技术在污水回用方面的应用，中国石油吉林石化公司污水回用的现状。根据公司 回用水水质情况，通过对目前比较成熟的循环水排污水回用工艺技术的分析、比较、论 证，确定了集成传统絮凝气浮过滤一体化预处理过程，加上电渗析脱盐技术对排污水 进行回用处理的工艺路线。对工艺具体的设备和膜组件进行了选择和确定，对传统技术 进行了改进，进行了中试工艺参数的优化，保持系统高效运行，并对中试结果进行考察， 对处理前后的水质指标各个参数的变化进行分析，证明此技术的可行性；工业应用结果 是絮凝气浮过滤一体化预处理+ 倒极电渗析脱盐的循环水排污水深度处理技术在吉林 石化公司的具体应用，使出水各项指标都符合循环冷却水补充水的标准，除盐出水进入 吉林石化公司乙烯循环水补水系统，取得了良好的预期效果，为公司节约了大量水耗， 有着明显的经济效益，该技术投资少、工艺简单，具有较宽的适应性，具有推广价值。 关键词：排污水回用；倒极电渗析；脱盐；絮凝一气浮一过滤一体化；循环水系统 循环水排污水回用技术应用研究 t h es t u d yo nr e c o v e r yp r o c e s so fe f f l u e n td e r i v e df r o m c i r c u l a t i n gw a t e r a b s t r a c t t os o l v et h ei s s u eo fw a t e rs h o r t a g ei nc h e m i c a lp l a n t sa n dt or e d u c ee n v i r o n m e n t p o l l u t i o n ，t h es t u d yf o c u s e so nt h et r e a t m e n to nc i r c u l a t i n gw a t e re f f l u e n td e r i v e df r o m j i l i np e t r o c h e m i c a lc o m p a n y ( j p c ) a f t e rw a t e rq u a l i t y a n a l y s i sa n dt h es t u d yo n e f f l u e n ta d v a n c e dt r e a t m e n tp i l o t - s c a l et e s t ，an e w c i r c u l a t i n gw a t e re f f l u e n tt r e a t m e n t p r o c e s sw a sp r o p o s e df o rt r e a t m e n to fe f f l u e n td e r i v e df r o mc i r c u l a t i n gw a t e ri nj p c ， w h i c hu s e sf l o c c u l a t i n g ，a i rf l o a t a t i o n ，f i l t e r i n gp r e t r e a t m e n ta n de d rd e m i n e r a l i z a t i o n p r o c e s s b yt h i st r e a t m e n tp r o c e s s ，t h eq u a l i t yo fc i r c u l a t i n gw a t e re f f l u e n tb e i n gt r e a t e d i sg o o de n o u g ht ob eu s e da sm a k e - u pw a t e rf o rp r o c e s s c i r c u l a t i n gc o o l i n g w a t e r a r e v i e wo ne f f l u e n tr e c o v e r yp r o c e s sd e v e l o p m e n ti nc h i n aa n df o r e i g nc o u n t r i e s ，a f e a s i b i l i t ya n a l y s i so fc h e m i c a le f f l u e n tr e c o v e r ya n dt h ea p p l i c a t i o no fs e p a r a t i o n m e m b r a n ei ne f f l u e n tr e c o v e r yp r o c e s sw e r eg i v e n a c c o r d i n gt oj p c sw a t e rq u a l i t y ， t h es t u d ys e l e c t e dp r o c e s se q u i p m e n ta n dm e m b r a n ep a c k a g ea n dm a d ei n n o v a t i v e i m p r o v m e n to nt h e m p i l o t - s c a l et e s tw a sc a r r i e do u tti no r d e ro p t i m i z et h ep r o c e s s p a r a m e t e r sa n d t oa c h i e v eh i g ho p e r a t i o ne f f i c i e n c y t h er e s u l t sc o m i n gf r o mt h e p i l o t - s c a l et e s tc o n f i r m e dt h i si m p r o v e m e n tt ob ef e a s i b i l i t y t h ee f f e c t so fv a r i o u s o p e r a t i n gc o n d i t i o n so nt h eq u a l i t yo fe f f l u e n tt r e a t e dw e r ee v a l u a t e d t h ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o nr e s u l ti n d i c a t e da f t e rt h i sa d v a n c e dt r e a t m e n to nc i r c u l a t i n gw a t e re f f l u e n t d e r i v e df r o mj i l i np e t r o c h e m i c a lc o m p a n yw a s a p p l i e d ，t h ee f f l u e n tq u a l i t yb e i n g t r e a t e di sg o o de n o u g ht ob eu s e da sm a k e - u pw a t e ro fp r o c e s sc i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e r d i s c h a r g e dd e m a t e r i a l i z e dw a t e ri sf e dt ow a t e r - r e f i l l i n gs y s t e mi ne t h y l e n ep l a n ti nj - p c ， a n de x p e c t e dr e s u l t sw e r ea c h i e v e d t h ea p p l i c a t i o no ft h i sp r o c e s ss a v e s g r e a ta m o u n t o f w a t e rf o rj p ca n dg r e a te c o n o m i cb e n e f i tw a sa c h i e v e d t h i se f f l u e n tt r e a t m e n tp r o c e s s i ss i m p l e ，l o wc o s ta n dh a sg o o da p p l i e dv a l u e k e yw o r d s ：e f f l u e n tr e c o v e r y ； e d r ；d e m i n e r a l i z a t i o n ；f l o c c u l a t i n g - a i r f l o a t a t i o n - f i l t e r i n g ；c i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e m ； 一i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 煎巫盛塑l 透盛圆周处理技盔廑周珏究 作者签名 ：_ 二啦一 一日期：鲨# 年j 三_ 月上日 大连理t 大学硕+ 学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：煎叠盛封 透丞回周处堡垫盔座用珏究 作者签名： ：塾匕亘 日期：j 竺4 年j 三月l 日 导师签名 ：名鲁丐霪乳 日期：上盟年刿日 大连理丁大学专业学位硕十学位论文 引言 论文的选题主要是研究循环水系统的排污水的回用技术。主要是针对大的工业循环 水系统在浓缩倍数不高( 5 倍左右) 的情况下，存在大量的排污水问题进行研究，考虑 将排污水回收，作为循环水补充水回用，降低运行成本，减少水资源的消耗。对目前循 环水污水回用技术的应用情况进行对比，改进传统技术，结合电渗析脱盐，进行排污水 的降浊、除盐工艺路线，进行循环水排污水回用。同时对技术的中试和应用效果进行分 析和评价。 本文所采用的工艺路线是絮凝气浮过滤一体化预处理+ 倒极电渗析脱盐工艺。在技 术上将快速絮凝、短时间气浮、浅层介质过滤结合，形成一体化预处理技术；在脱盐上 根据排污水不完全脱盐的情况，结合电渗析去除离子不完全的特点，选用离子交换膜电 渗析技术来进行排污水脱盐，使脱盐后的中水回用到循环水。 目前回用污水处理技术主要有： 膜分离技术，包括微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 膜 和电渗析( e d r ) 。 膜生物反应器。将分离效果高的膜分离技术与废水生物处理技术相结合衍生的 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 。 臭氧处理技术。臭氧的强氧化性对污水同时具有杀菌、降低c o d 和脱色除臭作 用。 生物活性炭技术。生物活性炭( b i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o n ，简称b a c ) 技 术是生物技术与物理吸附技术结合产生的新技术。 臭氧一生物活性炭技术。臭氧和生物活性炭结合技术是利用臭氧能够直接氧化 去除的污染物直接氧化去除，对不能去除的大分子有机物进行生物降低成小分子有机物 的技术。 本论文主要是根据循环水排污水的特点，设计了处理排污水的絮凝气浮过滤一体 化预处理士倒极电渗析脱盐的工艺路线，利用了目前快速絮凝、短时间气浮、浅层介质 过滤、倒极电渗析等新技术，集成了c r p 排污水回用处理设备，增加自动控制系统进 行控制，集成为一套整体排污水处理单元，进行排污水处理。 文中所采用的工艺路线借鉴了传统技术的理论，根据循环水排污水的水质特点，对 工艺路线进行优化，设备结构进行改进。在罐的入口管线上增加了静态混合器，进行水 和絮凝剂的充分混合。对絮凝罐的结构进行改进，采用罐底部进水方式，罐内的水在上 浮地过程中进行絮凝。为提高罐的絮凝效果，在罐内加设湍流孔板，使水流在罐内频繁 循环水排污水回用技术应用研究 地发生紊流变化，促进矾花的形成。气浮池采用浅层气浮机理，实现快速气浮功能。气 浮池采用底部中心管进水，并通过四组旋转的配水管均匀的配入气浮池底部，与池底部 微孔布气装置排出的上浮微气泡接触，悬浮絮体在微气泡的作用下上浮到水面，在刮渣 机的作用下去除。池内水保持微小的流速，在接近静态的情况下配水，不影响池内水的 流态，保证悬浮絮体的气浮去除效果。浅层气浮可以缩短水在气浮池内的停留时间，降 低运行成本。在过滤阶段选择浅层介质过滤方式，选择砂滤器进行颗粒杂质的去除，选 择无烟煤锰砂滤料，改进了原有的柱形罐体，使用椭球形罐体，布水采用多重布水盘， 增加配水效果，滤后水采用集水管上的水帽集，避免跑砂。椭球形罐的应用，有利于布 水均匀，提高反洗效果。过滤器在反洗时由水帽出来的水流在罐内形成多处内环流，有 助于滤料问的摩擦搓洗，可以有效地将污物与滤料分离，污水经布水盘收集后排出。采 用改进的倒极电渗析技术，频繁进行电渗析器的倒极操作，避免膜表面结垢。根据水质 情况自动调整电渗析器的电压和电流，调整电渗析的除盐率，保证出水水质合格。同时 为提高膜的自清理功能，对膜面通道进行改进，增加特别设计的湍流激发器，利用斜挡 板的折流和分流以作用，不断改变水的流向，促进膜面水的紊流作用，在保证较大通道 流量的基础上，避免产生倒极水流盲区，使水流始终处于湍流状念。为了避免电渗析膜 的结垢，还研究了具有絮凝和阻垢功能的药剂，连续进行投加以避免膜表面结垢。 针对循环水排污水深度处理回用过程中存在的不足，本文研究解决了以下问题： 根据循环水排污水数量巨大、污染轻、易于处理回用等特点，设计更加合适的 排污水处理工艺路线，简化工艺过程，采用絮凝气浮过滤+ 电渗析的工艺路线，通过使 用快速絮凝、浅层气浮、浅层介质过滤等方法，解决了传统污水深度处理流程长、设备 庞大、流动速度慢、处理成本高等问题。 将污水深度处理设备进行集成，实现了设备运行自动化，解决了传统技术的自动 化程度低的问题。 通过使用具有絮凝和阻垢功能的药剂，结合电渗析膜的结构改进设计，解决了电 渗析脱盐过程中的结垢问题。在工艺过程中注重排污环保控制，研究使用不对环境造成 影响到的絮凝阻垢剂，使处理过程不产生新的污染物，避免对环境赞成污染 采用c r p 装置进行排污水处理回用，解决了膜法处理处理成本高，回用不经济的 问题，降低处理成本。 大连理t 大学专业学位硕+ 学位论文 1 污水回用概述 1 1 水资源现状 1 1 1 水资源的含义及主要特点 水是人类赖以生存和社会发展的宝贵自然资源，没有水，就没有生命，也没有我们 生活的世界。它是人类社会可持续发展的限制因素，在自然界中以不同的形态存在并循 环不息，其水质也受多种因素的影响而变化。 通常所说的水资源是指陆地上可供生产、生活直接利用的江河、湖沼以及部分储存 于地下的淡水资源，亦即“可利用的水资源”。这部分水量只占地球总水量的极少部分。 如果从可持续发展的角度来看，水资源仅指一定区域内逐年可以恢复更新的淡水。 具体说是指以河川泾流量表征的地表水资源，以及参与水循环的以地下径流量表征的地 下水资源。对一定区域范围而言，水资源的量并不是恒定的，它随用水的目的和水质要 求的不同、科学技术与经济发展水平的不同而变化。 1 1 2 我国水资源的特点 我国幅员辽阔，人口众多，是一个发展中的国家，由于特定的地理、气象、人口、 经济等因素的影响，我国水资源有着自己的特点。 ( 1 ) 水资源总量丰富，相对量较少 据2 0 0 7 年9 月水利部公布的2 0 0 6 年中国水资源公报表明：2 0 0 6 年全国水资源总量 为2 5 3 3 0 亿m 3 ，比常年值偏少8 6 。地下水与地表水资源不重复量9 7 2 亿立方米，占 地下水资源量的1 2 7 。然而我国是一个干旱缺水严重的国家，虽然我国的淡水资源总 量为2 5 3 3 0 亿m 3 ，占全球水资源的6 ，居世界第六位，但是我国的人均水资源量只有 2 3 0 0 m 3 ，仅为世界平均水平的l 4 ，是全球人均水资源最贫乏的国家之一，居世界第1 0 9 位1 2 1 。 ( 2 ) 水资源时空、地域分布不均衡 水资源时空分布不均，年际、年内变化大。年际间最大和最小泾流量的比值， 长江以南中等河流在5 以下，北方河流多在l o 以上。径流量的逐年变化存在着明显的 丰平枯水期，可能出现连续数年为丰水年或枯水年的交替现象。水资源年内径流分配也 不均衡。长江以南地区6 0 的降水多出现在4 7 月；长江以北地区8 0 以上的降水多 出现在6 _ _ 9 月；西南地区7 0 左右的降水多集中在6 - - 1 0 月。一年中较长时间缺水的 现象，给经济发展与人民生活带来很大困难。 一3 一 循环水排污水回用技术应用研究 水资源地域分布极不均匀，南北、东西部差距悬殊。我国水资源南多北少，东 多西少，与人口、耕地、矿产等资源分布极不匹配。长江流域及其以南地区面积占全国 总面积的3 6 5 ，却拥有全国8 0 9 的水资源，长江以北诸水系的流域面积约占国土面 积的6 3 5 ，其水资源总量却只占全国的1 9 1 ，其中西北内陆河地区面积占5 3 ，水 资源量仅占4 6 。 ( 3 ) 水污染态势难以遏制 水污染是人为与自然双重因素所致，是水资源管理中的“顽症 。是水资源领域的 特殊灾害，致使水资源匮乏的形势更加雪上加霜，水利部公布的2 0 0 6 年中国水资源公 报表明，2 0 0 6 年全国废污水排放总量7 3 1 亿m 3 ，其中工业废水占2 3 ，第三产业和城镇 居民生活污水占1 3 。对约1 4 力千米长河流的水质进行评价，i 类水河长占3 5 ，i i 类 水河长占2 7 3 ，i i i 类水河长占2 7 5 ，i v 类水河长占1 3 4 ，v 类水河长占6 5 ，劣 v 类水河长占2 1 8 。各水资源一级区中，西南诸河、西北诸河、珠江、长江和东南诸 河5 个区水质较好，符合和优于i i i 类水的河长占9 3 - 6 5 ；黄河、辽河、淮河、松花 江和海河5 个区水质较差，符合和优于类水的河长占4 2 - 3 0 。 ( 4 ) 水浪费现象普遍存在 水浪费和水污染加剧了水资源危机，造成了供需失衡。据统计，全国6 6 8 座城市中， 缺水城市达4 0 0 个，全国城市平均每天缺水达1 6 0 0 万m 3 ，每年因缺水影响工业产值2 3 0 0 亿元。 1 1 3 我国水资源紧缺的原因 ( 1 ) 污染严重 据不完全统计，目前全国工业污水r 排放量约为6 0 0 0 万m 3 ，城市生活污水排放量 为5 0 0 0 万n 1 3 ，全国已有1 3 以上的河段受到污染，不能用于灌溉的河段长1 2 8 万千米。 辽宁省辽河流域年排污水总量1 6 8 亿m 3 ，其中工业废水排放量高达1 0 4 亿o 。 ( 2 ) 浪费严重 在农田灌溉方面，由于技术落后、工程不配套、管理不善等，水的利用率不到4 0 ， 仅渠系渗漏的水每年高达1 7 0 0 亿m 3 ，占农田灌溉水总量的4 3 。在工业用水方面，循 环利用率低，仅为发达国家的l 3 左右。在生活用水方面，在不同程度上存在着水龙 头漏水现象。 ( 3 ) 现有水利工程调蓄能力小，供水保证率低 一4 一 大连理：r 大学专业学位硕十学位论文 目前我国有各种大、中、小型水库8 6 万多座，总容量约4 1 0 0 亿n 1 3 ，占总径流量 1 5 6 ，但调蓄能力低。水库供水量只占总供水量的5 4 ，占总径流量的8 6 ，供水保 证率也不高。 ( 4 ) 开发利用不平衡 我国北方水少，但集中了许多工业城市( 如华北、辽宁等地区) ，需水量大，不论河 川径流或地下水资源，其开发利用率都很高。海、辽两河的径流利用率已达到6 0 - 6 5 ， 海河流域的地下水开采利用率已高达9 0 ，因缺水造成工农业经济损失巨大，粮食减产。 我国南方水资源丰富，工农业生产用水量较大，但河川径流利用率却低于2 0 。 综上所述，水资源作为人类生存和社会发展的一种宝贵资源必须十分珍惜，应采取 各种有效措施，使有限的水资源得到合理的开发和利用，以保障社会的可持续发展。 1 2 污水资源化再生利用技术概述 1 2 1 污水再生利用的目的和意义 近年来，特别是水资源短缺、城市缺水问题突出的国家，在水领域的总体战略目标 都进行了相似的调整。将单纯的水污染控制转变为全方位的水环境可持续发展。我国对 当前水资源的严峻形势给予高度重视，大力提倡城市污水再生利用等非传统水资源开发 利用，并纳入水资源的统一管理和调配。 污水也是一种资源，污水再生利用的目的就是回收淡水资源以及污水中的其他能源 和有用物质。“污水资源化 将污水作为第二水源是解决水危机的重要途径。因此，大 力开发污水再生、提高循环用水率，是当前解决水资源危机措施的第一选择。 污水再生利用作为第二水源，可以缓解水资源的紧张问题。污水经过适当处理后可 重复利用，可促进水在自然界中的良性循环。在工作生产过程中以循环水代替直流冷却 水系统，可以使淡水消耗量和污水排放量减少为原来的几分之一至几十分之一，对我国 国民经济的可持续发展有着十分重要的意义。 污水再生利用是环境保护、水污染防治的主要途径，是环境保护策略的重要环节。 污水再生利用是对污水的一种回收和削减，同时污水中的一部分污染物质只能在水再生 利用的基础上才能回收，由污水再生利用所取得的环境效益、社会效益是很大的，其间 接效益和长远效益更是难以估量。污水再生利用工程的水量越大，其吨水投资成本越小， 成本越低，经济效益越发明显。 1 2 2 污水再生利用对象 污水再生利用可以用于农业灌溉、用于工业生产、用于城市生活、用于回注地层。 循环水排污水回用技术应用研究 大约从1 9 世纪6 0 年代起，法国巴黎等世界上许多城市就一直将城市污水回用于农 业灌溉。污水再生利用容易满足农业灌溉的大水量需求，同时再生水可以将水和肥源同 时供应到农田，又可通过土地处理改善水质。工业是大户，面对淡水日缺、水价渐涨的 现实，工厂除了尽力将本厂废水循环利用，提高水的重复利用率外，对污水回用也日渐 重视，理想的再生利用对象应该是用水量较大且对处理要求不高的部门。符合这种条件 的对象包括间接冷却用水和工艺用水。由于间接冷却用水对水质的要求，如碱度、硬度、 氯化物以及锰含量等，城市污水的二级处理均能满足；其对水量要求很大，除考虑循环 使用外，补充用水量就占工业总取水量的5 0 左右，所以间接冷却用水应作为城市污水 工业回用的主要对象。现今再生污水可再用于城市生活的对象一般限于市政用水，浇灌 草地花木、建筑施工以及公共建筑和居民住宅的冲洗厕所用水等。污水回注于地下有助 于土地渗液的进一步回收利用，防止地下水污染，防止海水倒灌等。 1 2 3 国外污水再生利用发展状况 ( 1 ) 日本污水再生利用状况【习 日本国土狭小、人口众多，人均水资源占有量低于世界平均水平，人均年降雨量仅 为世界平均降雨量的1 5 ，水资源严重短缺，这种情况与其高度发达的经济和较高的国 民生产总值是不相称的，因此节约用水一直受到日本全社会的关注，污水再生利用技术 的研究及工程的建设也开展得较早。2 0 世纪6 0 年代，日本沿海和西南一些缺水城市， 如东京、名古屋、川崎、福冈等市即开始考虑将城市污水厂的出水进一步处理后回用于 工业或生活杂用。2 0 世纪9 0 年代初，日本直接回用水的城市污水处理厂的出水量已达 3x1 0 8 m 3 年，虽不及总取水量的l ，但已成为城市中的一种稳定、可靠的水源，并制 定了相应的水质标准。1 9 9 0 年日本在全国范围内进行了污水再生利用的调查研究和工艺 设计，对污水再生利用在同本的应用进行了全面深入的调查和总结，并在严重缺水的地 区广泛推广污水再生利用技术，使同本近年来的取水量逐年减少。例如濑户内海地区污 水回用量已占该地区使用淡水总量的2 3 ，新鲜水取水量仅为使用淡水量的1 3 ，大大缓 解了濑户内海地区水资源严重短缺的问题。 ( 2 ) 在美国，城市污水再生利用工程主要集中于水资源短缺、地下水严重超采的 西南部和中南部的加利福尼亚州、亚利桑那州、得克萨斯州和佛罗旱达州等，其中的南 加利福尼亚州成绩最为显著。美国也是世界上采用污水再生利用最早的国家之一，2 0 世纪7 0 年代初开始大规模建设污水处理厂，随后即开始了污水再生的研究和应用。目 前，美国有3 0 0 多个城市的污水进行深度处理并回用于城市生活等其他方面，再生水总 量占用水量的1 0 左右。美国城市污水回用总量约为9 4 x1 0 9 m 3 年，包括灌溉用水、 大连理t 大学专业学位硕+ 学位论文 景观用水、工艺用水、工业冷却水、锅炉补水及回灌地下水等多种用途。其中，灌溉用 水为5 8 1 0 9 m 3 年，占总回用量的6 0 ；工业用水占总回用量的3 0 ；城市生活等其 他方面的再生水不足l 。 ( 3 )以色列污水再生利用状况 目前，以色列全国需水量达2 0 亿立方米，已超过了其水资源总量，因此以色列十 分重视水资源的合理利用，并根据地区条件和社会经济结构采取不同的水回用原则。至 1 9 8 7 年，以色列已有2 1 0 个市政污水回用工程，城市污水回用率达7 2 。以色列全国 污水处理总量4 6 的出水直接用于灌溉，其余3 3 3 和约2 0 的污水分别回灌于地下或 排人河道，最终又被回用于其他方面( 包括灌溉) 。另外，占取水量约8 未经处理排入河 道的污水，最终也被间接回用。 1 2 4 我国污水再生利用发展状况 我国污水再生利用起步较晚，因资金有限，结合国情发展以回用于农业、工业、市 政为主要目标，采用不同层次的人工与自然净化相结合的污水处理与再生利用系统。我 国污水再生利用的发展大致分三个阶段：1 9 8 5 年前的“六五期间是起步阶段；1 9 8 6 - 2 0 0 0 年的“七五 、“八五 、“九五 ，这1 5 年是技术储备，示范工程引导阶段； 2 0 0 1 年以“十五 纲要明确提出了污水再生利用为标志，国家进入了全面启动阶段。 建设部早在“六五”专项科技计划中，最先列入了城市污水回用课题，分别在青岛、 大连开展试验探索。大连的小试于1 9 8 3 年1 0 月2 7 日通过了建设部的鉴定，是国内首 次提出有关城市污水再生利用的有用成果。青岛也于1 9 8 4 年顺利完成了中试研究。我 国“七五 、“八五 期间相继在太原、大连、天津、泰安、淄博等城市建设了回用于 市政景观、工业冷却等污水回用示范工程。 “八五 期间的研究攻关是以污水净化及资源化技术为主，重点研究城市污水回用 技术，并分别以大连、太原、天津、泰安、燕山石化为依托工程，开展了工程性试验。 “十五期间的攻关内容为水资源安全保障，研究重点为污水资源化利用技术，主要包 括下列内容：城市污水回用于工业冷却、市政景观、农e r 灌溉、生活杂用的水质处理技 术；雨、污水地下回灌水质技术；油田废水及其他工业废水再生回用处理技术；水工业 关键技术设备的开发与产业化。 污水回用于农业灌溉和生产冷却水是当前研究的重点。1 9 9 2 年我国第一个污水再生 利用示范工程在大连市投产运行，该工程以污水处理厂二级出水为水源，增加深度处理 设施和输水管道，同处理量为l 万吨。再生水主要用作工厂冷却水。该工程基建投资为 3 5 0 万元，比从碧流河引用同等水量节省投资2 3 ，深度处理成本为0 1 5 元t ，比大连市 循环水排污水回用技术应用研究 自来水成本低4 5 ，具有较好的经济效益、环境效益和社会效益，城市污水经处理后用 于住宅冲厕、城市绿化、浇洒道路和河湖景观用水，也取得了初步成效。 综上所述，我国水资源紧缺问题日益严重，寻找替代水源成为当务之急，污水深度 处理实现再生利用的工作十分重要，它是我国国民经济持续发展的水资源基础条件。从 研究与工程实施情况看，污水再生利用在技术与经济上都是可行的。 1 3 污水处理技术及应用 1 3 1 污水传统处理技术及应用 传统的污水处理技术是借鉴给水处理技术发展起来的，主要有混凝、沉淀、澄清、 气浮、过滤等方法，目前这些技术被广泛地使用，对各类污水进行深度处理。 目前正在应用的污水处理技术分为预处理技术和深度处理技术。预处理技术包括化 学氧化和生物预处理技术。深度处理技术包括活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭、膜 技术等。 1 3 2 膜分离技术及在污水处理领域应用 膜分离是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力作用下，使原料中的某 种组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩目的的分离过程。 膜分离的应用十分广泛，可用于液一固分离、液一液分离、气一液分离、气一气分离。膜分 离的推动力可以是膜两侧的压力差、浓度差、电位差、温度差等。常见的几种膜分离方 法有：微滤( m i c r o f i i t r a t i o n ，m f ) 、超滤( u l t r a - f i i t r a t i o n ，u f ) 、纳滤( n a n o f i l t r a t i o n ， n f ) 、反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，r o ) 、渗析( d i a l y s i s ，d ) 、电渗析( e l e c t r o d i a l y s i s ， e d ) 。 ( 1 ) 微滤 微滤是世界上应用最早的膜分离技术。但在我国却起步较晚，直到2 0 世纪7 0 年代 中期才引起重视，开始有效的研制与开发。最早研制出的微滤膜是硝酸纤维素与醋酸纤 维素的混合膜，随后相继开发出二醋酸纤维素( c d a ) 、三醋酸纤维素( c t a ) 、聚砜、聚氯 乙烯、聚酰胺以及聚偏氟乙烯等微滤膜盯1 。2 0 世纪8 0 年代后期，又开发出具有圆孔的 和具有长方形的拉伸的聚丙烯、聚四氟乙烯膜和聚碳酸酯膜。2 0 世纪9 0 年代，在自己 研制和引进国外技术的基础上，实现了多种材质制膜工艺连续化生产h 1 。 近年来，我国的微滤技术已广泛应用于制药嘲、工业废水的处理四j 们，食品工业n l l 2 1 及饮用水方面n 3 1 。对于水质较好的工业排放水，m f 过程可以单独作为深度处理，能生产 一8 一 大连理t 大学专业学位硕+ 学位论文 高质量的回用中水。m f 也常常和絮凝沉淀等其他工艺组合使用，作为反渗透或纳滤的预 处理工序。近年来，在传统微滤基础上发展起来的连续微滤技术( c m f ) 大大提高了微 滤膜分离工艺的效率和实用性，已开始应用于污水处理领域n 4 j 副。 ( 2 ) 超滤 超滤在我国的发展一开始就十分迅速，在完成了大量研究和开发之后，很快就推向 应用。醋酸纤维素膜、聚砜膜、聚丙烯脂膜、聚偏氟乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚醚砜膜、 聚砜酰胺膜等很快被研制出来并投入生产和使用。板式、管式、中空纤维、卷式、膜盒 式等组件相继开发出来。性能接近同类国际商品组件的水平。超滤技术在反渗透预处理 n e l 7 1 、饮用水制备n 8 、制药n 引、色素提取汹3 等众多领域都发挥着重要作用。超滤膜不仅 能够通过去除废水中的悬浮物、细菌和病毒而净化废水，而且还能够回收废水中有用的 大分子物质，因此超滤已成为工业废水处理中采用的主要膜分离技术心h 3 1 。 ( 3 ) 纳滤 我国纳滤膜的研究始于8 0 年代末，在实验室中相继开发c j 卜七t a 纳滤膜，s p e s 涂层纳滤膜和芳族聚酰胺复合纳滤膜等，并对其软化、染料和药物中除盐及特种分离等 方面性能进行了试验研究，取得了一批初步的成果。目前纳滤技术已经在食品、生化制 药、精细化工、水处理、污水处理等领域获得了应用。一般反渗透膜n a c l 的脱盐率均 在9 5 以上，而纳滤膜对n a c l 的脱盐率一般在9 0 以下口钔。纳滤膜目前主要运用于饮 用水净化汹脚3 和废水处理领域乜7 2 9 1 。 ( 4 ) 反渗透 2 0 世纪8 0 年代以来，我国在自己研制成功的醋酸纤维素( c a ) 膜与复合膜生产装置 的基础上，又相继引进了美国有关公司的反渗透膜生产线。目前生产的各种类型、不同 规格的商品反渗透膜组件，性能已接近同类国际水平，基本上可以满足国内的需要。 反渗透膜已广泛应用于海水及苦咸水淡化啪3 ，锅炉给水刽，工业纯水及电子级超 纯水制备埘1 ，饮用纯净水生产m 堋1 ，废水处理及特种分离等领域蚓。 ( 5 )电渗析 离子交换膜一般在其膜基材的有机高分子化合物的分子结构中带有荷正( 或负) 电 荷的取代基团。已产业化的电驱动膜包括离子交换膜、双极性膜以及用于质子燃料电池 和氯碱工业的：氟磺酸、全氟羧酸膜( 或它们的复合膜) 啪1 。 离子交换膜在应用中通常靠电场对溶液中的离子进行选择性透过，实现淡化或浓 缩。一般离子交换膜通过组装成电渗析( e d ) 器进行分离操作。 我国2 0 世纪6 0 年代开始生产异相离子交换膜，在大型电渗析膜堆的设计和工艺方 面取得了多项专利，是我国分离膜产业中自主知识产权占有率最高、国内产品占垄断地 一9 一 循环水排污水同用技术应用研究 位的唯一膜种。2 0 0 5 年我国离子交换膜产量约为7 0 万m 2 ，居世界第一位，相当于日本、 美国、俄罗斯产量的总和，并以1 5 - - 2 0 的年增长率发展。 离子交换膜技术在高含盐、高硬度废水的处理及酸碱废液治理方面的作用是其他膜 技术无法替代的，它对治理酸性气体排放，推进我国生物化工、食品、饮料等产业的循 环经济和清洁生产具有独特作用。循环水排污水的处理回用，主要目的是降低排污水中 的含盐量，使之满足补充水的标准，从而作为补水回用，因此，采用离子交换膜的电渗 析技术应用，是研究的主要方向。 污水处理中常见的膜分离技术主要有：微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( r 0 ) 、 电渗析( e d ) 等，它们有各自的分离范围。如微滤可脱除污水中的悬浮物、微生物( 细菌、 病毒等) ；超滤可脱除污水中的大分子，如蛋白质、腐殖酸、三氯甲烷的前驱物和染料； 经微滤和超滤处理后，溶解盐及大部分离子仍难以脱除，必须经纳滤或反渗透才能将这 些组分脱除。选择适宜的膜分离技术几乎可以完全脱除s s 、一般的细菌、病毒等，且可 以脱色，出水水质优良。在污水处理领域，膜分离应用范围很广泛【4 】。 在城市污水深度处理中会应用到许多单元技术，如混凝、沉淀、过滤、消毒等技术。 混凝，沉淀的目的是去除悬浮物、色度、浊度等；过滤是进一步去除细小的颗粒，消毒 的目的是去除污水中含有的微生物；这些过程实际上是要实现物质的分离。用膜分离代 替传统深度处理中的混凝、沉淀、过滤、消毒等处理，可以简化处理流程，减少占地面 积。 膜技术作为在污水深度处理与回用中的一项实用技术，出水水质优良，近年得到了 飞速的发展，在一些缺水的国家和地区已开始建立大规模的应用膜技术的再生水厂，在 这些处理厂中多以反渗透作为最后一道处理工序。反渗透可有效地脱除溶盐及部分有机 物，对悬浮物的脱除更彻底，其出水水质可以达到饮用水标准，可回用于工业生产和城 市生活用水。但由于反渗透( r 0 ) 对进水的要求比较严格，必须进行有效的预处理，否则 严重的膜污染使反渗透过程难以进行。常规的预处理常用混凝、沉淀和过滤等方法，流 程复杂，占地面积大。近年来开始用微滤( m f ) 和超滤( u f ) 作为r o 前的预处理，可以便 r 0 进水水质得到较好的控制，减少r 0 膜的清洗频率，也简化了预处理工序。美国加利 福尼亚州w i z 水厂十多年的运行表明：m f r o 双膜工艺技术已日趋成熟，是今后城市污 水深度处理、回用的发展方向。 对工业废水进行处理和回用。工业废水的组成复杂，将膜技术与其他处理技术相结 合，可以用于多种工业废水的处理，一方面可以从这些废水中回收一些有价值的成分， 另一方面可以提高出水水质，脱除了杂质的透过水能够重新回用到有关工序中去。既节 大连理t 大学专业学位硕十学位论文 约资源，又避免污染环境。膜技术在工业废水处理中已经有一些成功的应用实例，如： r o 或e d 技术处理电镀废水，从中回收金属离子，如镍、铬等；n f 、u f r o 用于亚硫酸 纸浆废液的处理等1 。 进行建筑中水回用。办公室、宾馆、饭店和生活小区等较为集中排放的生活污水就 地净化处理后回用于冲厕、洗车、消防、绿地灌溉等，这是一种较为分散、规模较小的 污水回用工程，具有灵活、易建、无需长距离输水等优点。由于膜装置占用的空间很小， 处理效果优良且运行管理方便，应用于建筑中水回用是比较适宜的。 与其他传统的处理技术相比，膜分离技术具有一些明显的优点： 处理效率高，设备易于放大； 可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质的分离浓缩； 无相转变，节省能量； 有相当好的选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化目的； 适应性强，操作方便，易于实现自动化控制； 不外加化学药剂，透过液可循环使用，降低了成本，并减少了对环境的污染。 膜技术的这些优点使它在许多领域得到了广泛的应用。作为一种高效的分离技术， 在水和废水处理中也占有重要地位，利用膜的选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分 纯化目的；膜技术的这些优点使它在许多领域得到了广泛的应用。作为一种高效的分离 技术，在水和废水处理中也占有重要地位i 7 1 。 膜分离技术已逐渐成为水处理中的一项重要技术，但在应用中应注意如下几个问 题，以尽量发挥膜技术的优点，克服它的缺点。 不同来源的废水，其组成和浓度千变万化，处理、回用的要求也各不相同，应 选用合适的膜过程和膜材料、组件形式。 膜分离技术应用的时间较短，有时需要通过小试规模，中试规模、甚至是示范 工程，对使用的膜装置、工艺过程及其操作参数进行选择优化，以充分发挥膜技术的优 势。 膜污染使膜的分离能力下降，甚至难以进行，而且降低膜的使用寿命。在实际 应用中，只有控制好膜污染，才能使膜过程充分发挥作用。 膜分离是一个单纯的物理过程，有一定的分离对象，也有一定的适用条件，在 应用中，只有与其他技术合理组合，才能充分发挥作用，达到预期的分离效果。 循环水排污水回用技术应用研究 1 4 离子交换膜发展趋势 离子交换膜技术由于其独特的荷电特性，可以进行离子物系的分离分级，这在清洁 生产、环境保护、能量转化等方面发挥重要作用。特别适合于现代工业对节能、低品位 原料再利用和消除环境污染的需要，成为实现经济可持续发展的重要组成部分，其所面 向的国家重大需要是多目标、多方面的。 国内在石油化工废水、市政污水、工业废水为水源的处理回用工程中也较为普遍地 利用了离子交换膜技术，其工程规模正在向大型化和采用集成膜过程的方向发展。 1 4 1 离子交换膜的发展趋势 离子交换膜由于能够实现离子物种的定向可控迁移，在化工冶金、化学合成、食品 工业、能源领域中具有非常重要的作用。而这种应用又是在其他膜技术上不可取代的， 但是要真正推广这种技术还有很多工作要做，这既涉及了技术相关性，又涉及了商业上 的相关性，针对目前电膜过程的现状，一是发展均相膜并推进均相膜的规模化应用。异 相膜由于性能所限，只能用于初级水处理和一些要求不高的离子分离。在一些附加值高 的产业方面的应用如化工分离、清洁生产、e d i 等需要性能较好的均相膜。目前国际上 的均相膜主要是a s t o r m 公司的一些膜，由于膜的价格昂贵，推广应用较为困难。二是 发展双极膜技术。双极膜具有其独特的水解离和醇解离性能，在清洁生产和环境保护中 有着举足轻重的地位。目前无论是双极膜的产业化制备还是产业化应用都很少，并且由 于双极膜或者单极膜的选择性、耐溶剂性、装置的可靠性、过程的集成等基本问题没有 解决h 1 ，这些看似十分诱人的技术最终没有得到实施，需要以后去解决。三是电膜成套 装备的系统化、自动化和细胞化。目前的电渗析装置一直沿用着两隔室的板框式装置， 这种装置的缺点是难于密封，设备庞大，单位体积装填的膜面积小，自动化程度也不高。 随着科学技术的进步，对多隔室电渗析、双极膜电渗析、卷式电渗析或板式电渗析，全 自动e d i 等方向发展，也需要新型的均相膜如中空纤维离子膜、袋状离子膜、耐溶剂均 相膜等。五是研究膜的结构和性能的关联机理h 1 ，解决膜与材料微结构的设计依据问题， 实现膜应用工程的最优工况控制，推动膜技术和膜材料的开发，促进新膜技术和膜材料 的工程化进程。 1 4 2 离子交换膜设备基本类型 ( 1 ) 膜材料 膜是分离两相和作为选择性传递的屏障，膜材料是膜工艺的关键部分，也是膜法水 处理的基础。按膜的材料可以分为有机膜和无机膜两大类。 大连理- t 大学专业学位硕十学位论文 有机膜包括纤维素类、聚酰胺类、聚砜类、芳香杂环类等。 螺旋卷式膜组件包括陶瓷膜、微孔玻璃、金属膜和碳分子筛膜。 ( 2 ) 膜组件 膜组件主要的形式有板框式、螺旋卷式、管式、中空纤维式四种，各种膜组件都有 自身的特点。 单个膜单元需要组件化，才能付诸实际应用。将各种形式的膜制成一定构型的元件， 然后将元件置于容器中，并提供进水、浓水