（化学工程专业论文）粘胶纤维车间空气冷却废水回用技术开发.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下。独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：酪吞，季日期：夕哕年舌月歹l e t 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学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。 本学位论文属于 l 、保密口，在 年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“寸) 作者签名：蒋方季 导师签名：襄 复幼 导师签名：教复 罐旌+ 日期沙7 年, - 9 岁1 3 i e i i i i i ：嘲年旯e l 2 浙江工业大学硕士学位论文 粘胶纤维车间空气冷却废水回用技术开发 中文摘要 本文针对我国化纤工业产生的大量废水急需寻求技术先进、经济可 行的回用方法这一热点问题，采用膜法技术对粘胶纤维车间空气冷却废 水进行处理回用。通过小试确定了示范工程的工艺流程，采用机械滤器 加精密滤器作预处理设备，膜技术采用反渗透技术，废水经反渗透膜处 理后采用脱气等后处理技术就可直接使用。小试中对工艺过程投加的药 剂进行了试验，确定了药剂的种类。 根据小试确定的工艺流程及示范工程的要求确定了1 2 0 0 0 吨天示 范工程的工艺流程，对流程中的各单元设备包括原水池、原水增压装置、 灭菌剂投加系统、絮凝剂和助凝剂投加系统、机械过滤器、还原剂投加 系统、阻垢剂投加系统、加酸系统、精密过滤器、化学清洗装置、脱气 塔、反渗透系统、控制系统等进行了设计。在示范工程投入运行后，对 6 套反渗透装置的运行数据进行了记录，对各种药剂的投加量进行调 试，确定了最经济有效的投加量。在运行一段时间后分别对5 套反渗透 装置进行了化学清洗的试验，确定了最佳的清洗工艺和清洗药剂。 小试和示范工程运行结果表明，通过膜技术处理粘胶纤维车间空气 冷却废水具有明显地节水效益和明显的社会、环境效益，对推动粘胶纤 维工业的可持续发展和其他类似产业清洁生产具有积极作用。 关键词：粘胶纤维、废水、膜、反渗透、化学清洗 6 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h er e u s et e c h n o l o g yo f a i r - c o o l i n gw a s t e w a t e rf r o mg l u ef i b e rw o r k s h o p a b s t r a c t a l a r g ea m o u n to fw a s t e w a t e ri sp r o d u c e di nc h e m i c a lf i b e ri n d u s t r y e a c hy e a r t h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e sa r en o te f f e c t i v ea n d e c o n o m i c a lf o rt h et r e a t m e n to ft h ec h e m i c a lf i b e rw a s t e w a t e r a d v a n c e d t e c h n o l o g i e sw i t hh i g he f f i c i e n c ya n de c o n o m i c sn e e dt ob ed e v e l o p e d i m p e r a t i v e l yf o rt h et r e a t m e n ta n dr e u s eo f t h ew a s t e w a t e rf r o mc h e m i c a l f i b e ri n d u s t r y t h i sp a p e rr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dt h et e c h n o l o g i e sf o rt h e t r e a t m e n ta n dr e u s eo fa i r - c o o l i n gw a s t e w a t e rf r o mg l u ef i b e rw o r k s h o p t h r o u g hm e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n i q u e ，a n dad e m o n s t r a t i o np r o j e c tw i t ha c a p a c i t yo f1 2 0 0 t dw a sa l s oc o n s t r u c t e db a s e do nt h er e s u l t so fs m a l ls c a l e t e s t s ，t h ew a s t e w a t e rw a sf i l t r a t e dw i t hm e c h a n i c a lf i l t e ra n dc a r t r i d g ef i l t e r f i r s t l y ；t h er e v e r s eo s m o s i sm e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n i q u ew a su s e dt o t r e a tt h ep r e t r e a t e dw a s t e w a t e r t h ep e r m e a t eo ft h er e v e r s eo s m o s i sc o u l d b er e u s e dd i r e c t l yw i t ht h ep o s tt r e a t m e n ts u c ha sd e g a s i f i c a t i o n t h e c h e m i c a l sn e e d e dt ob ea d d e di nt h ep r o c e s sf l o ww e r ea l s os t u d i e da n d d e t e r m i n e d t h ep r o c e s sf l o w s h e e to ft h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c to ft h er e u s eo f a i r - e o o l i n gw a s t e w a t e rt h r o u g hm e m b r a n et e c h n i q u ew a sd e t e r m i n e db a s e d o nt h es m a l l s c a l et e s t i n ga n do t h e rr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t t h eu n i t o p e r a t i o ne q u i p m e n t si n c l u d i n gt h ef e e dw a s t e w a t e rs t o r a g ep o n d ，f e e d p r e s s u r ed e v i c e ，g e r m i c i d ea d d i n gd e v i c e ，f l o c c u l a n t sa n df l o c c u l a t i o n a s s i s t a n t a g e n t sa d d i n gs y s t e m , m e c h a n i c a lf i l t e r , r e d u c i n ga g e n ta n d a n t i s c a l e n ta d d i n gs y s t e m , a c i da d d i n gs y s t e m ，c a r t r i d g ef i l t e r , c h e m i c a l c l e a n i n gs y s t e m , d e g a s i f i c a t i o nt o w e r , r e v e r s eo s m o s i sd e v i c e ，a n d ， 浙扛工业大学硕士学位论文 c o n t r o l l i n gs y s t e me r e ，w e r ed e s i g n e da n ds e l e c t e di nt h ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c t t h ed e m o n s t r a t i o n p r o j e c tw a sc o n s t r u c t e da n dp l u n g e di n t or u n n i n gs u c c e s s f u l l y t h e p e r f o r m a n c ed a t ao ft h es i xr e v e r s eo s m o s i sd e v i c e so ft h ed e m o n s t r a t i o n p r o j e e tw e r er e c o r d e da n da n a l y z e d ；t h ed o s a g e so ft h ec h e m i c a l sa d d e di n t h et r e a t m e n tp r o c e s sw e r et e s t e da n da d j u s t e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft h e o p t i m u mv a l u e t h ee x p e r i m e n t so fc h e m i c a lc l e a n i n gw e r ec o n d u c t e do n t h ef i v er e v e r s eo s m o s i sd e v i c e so ft h ew h o l ew a s t e w a t e rr e u s es y s t e mf o r d e t e r m i n a t i o nt h ec l e a n i n gp r o c e s sf l o wa n dt h eo p t i m a lc l e a n i n ga g e n t s t h er e s u l t so ft h es m a l ls c a l et e s t sa n dt h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c th a v e s h o w nt h a tt h em e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n i q u ec o u l db eu s e dt ot r e a tt h e a i r - c o o l i n gw a s t e w a t e rf r o mg l u e f i b e r w o r k s h o ps u c c e s s f u l l y t h e a d v a n c e dm e t h o db a s e do nm e m b r a n et e c h n i q u ew a so fg r e a tw a t e r - s a v i n g , s o c i a la n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s i tw o u l da l s op l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n p r o m o t i n g t h e d e v e l o p m e n t o fc h e m i c a lf i b e r i n d u s t r y , d e v e l o p i n g c l e a n l i n e s sm a n u f a c t u r et e c h n i q u e so fo t h e rf i e l d s a n da c t i v ec o n t r i b u t i o n t ot h e s u s t a i n i n gd e v e l o p m e n to ft h es u p p o r t i n gi n d u s t r yo fn a t i o n a l e c o n o m y k e yw o r d s ：g l u ef i b e r ；w a s t e w a t e r ；m e m b r a n e ；r e v e r s eo s m o s i s ； c h e m i c a lc l e a n i n g 3 第一章综述 1 1 项目背景 我国拥有丰富的棉花资源。利用棉仔短绒作原料生产粘胶纤维，年 产量约1 0 0 万吨，占世界总产量的五分之二，部分出口换取外汇。 我国有3 0 余家生产粘胶纤维的工厂n 1 ，每生产1 吨纺丝车间空气 冷却水量为8 0 吨，最后一道淋洗废丝的工序用水量为1 9 0 吨。现采用 的工艺是把空气冷却废水用作冲洗地板和反冲树脂软化器等低品质用 水2 3c a 3 0 用于淋洗工艺的水是石灰软化加树脂软化的水，含盐量较高， 有机物含量也高，因此，生产出来的丝品质较差，在国内的销售价格低， 更达不到出口的标准。将空气冷却废水处理成纯净水用于最后一道工序 淋洗丝饼，既提高了水的回用率，减少废水排放量，又可得到高品质的 丝产品，可谓一举多得。 由于国家对环境治理的要求愈来愈紧迫，在各级政府的大力推动 下，随着“三废”治理力度的加大，经费投入的增加和环保科技成果的推 广应用，我国工业企业常规污染问题已基本得到有效控制。我国水资源 短缺，尤其是北方显得更为突出，而化纤工业又是耗水大户，水资源短 缺，已经制约了化纤工业的发展，现在考虑回收空气冷却废水，具有十 分重要现实意义。 1 2 粘胶纤维国内外发展情况 从世界范围看粘胶纤维的生产仍然可以分为两种情况：一种是发达 的工业化国家强调生产高附加值、高品质的粘胶产品；另一种则是发展 中国家通过增加产量来满足内部需要。预计在今后5 巧年内，西欧、 9 浙江工业大学硕士学位论文 美国、日本倾向于发展生产溶剂法粘胶纤维( 如l y o c e l l 纤维) ，其总 产量有望突破4 0 万吨，普通粘胶纤维在这些国家的生产则会稳中有降。 东欧地区( 包括俄罗斯) 粘胶纤维产量还会减少3 0 以上，这就为今 后远东地区继续扩大生产提供了市场机遇，加上发展中国家本身所具有 的人力和资源的优势，将导致全球粘胶纤维生产的持续增长。 目前我国仍然属于发展中国家，自二十世纪八十年代改革开放以 来，国民经济快速发展，逐步摆脱了贫穷落后的生产面貌，但地广人稠 的基本国情仍未改变，与世界上发达国家的消费水平相比还存在很大差 距，而且区域间经济发展不平衡，农业在国民经济中仍占有较大比例。 为此，我国政府一直都非常重视粘胶纤维的生产，特别是近二十年来粘 胶工业在数量和质量上均得到较快发展，但至今仍未满足国内外用户的 需要，预计今后的几年问，随着我国经济结构的调整和西部大开发战略 步伐的加快，粘胶纤维的产量仍会逐年增长，到2 0 1 0 年粘胶纤维总产 量可望突破7 0 万吨。这样一来不仅大大缓解了国内需要，而且还能增 强在国际市场上的竞争能力n 】。 上世纪7 0 年代以来，传统粘胶纤维生产技术没有根本性的变革， 生产中耗用的二硫化碳、酸、碱等化工原料全部转化为三废形式排放的 技术特征依旧。粘胶纤维生产对生态环境的严重污染，是纤维业界中环 境与发展最为突出的矛盾。因此，限制、停止粘胶纤维生产和开发绿色 无污染l y o c e l l 纤维就成为人们的选择。2 0 0 2 年世界l y o c e l l 纤维产量 达8 5 万吨。国内3 万如生产装置引进也在进行中。近代的经济发展多 是建立在自然环境破坏和天然资源过度开发基础之上的。社会发展已使 人类生存条件和持续发展愈来愈陷入困境。进入新世纪，不可抗拒的清 浙江工业大学硬士学位论文 洁生产趋势，加速了传统粘胶纤维工厂的关停拆除。2 0 0 2 年北美包括 墨西哥在内，粘胶纤维产量降n 5 万吨，重点粘胶纤维生产地区，东欧 产量仅为8 6 万吨，日本5 2 万吨，据悉日本2 0 0 3 年已全部停止了粘胶纤 维生产。亚洲其他地域的粘胶纤维产量则略有增加，这是由于局部企业 利润诱惑，环保意识淡薄及国家工业发展水平所致，并非是粘胶纤维生 产布局向亚洲转移。伴随着全球粘胶纤维产量的稳定下降，工业发达国 家的纤维素纤维结构也进行了相应调整。 我国纤维素纤维生产单一品种的格局没有变化，而粘胶纤维产量 呈现了高速增长的态势。我国粘胶纤维产量，1 9 8 2 年为1 4 3 万吨，1 9 9 2 年产2 4 9 l 万吨，2 0 0 3 年8 0 2 万吨，每1 0 年产量翻一番。目前，我国粘 胶纤维产量居世界第一位，占全球粘胶纤维产量的1 4 ，并以每年1 6 的速度增长d 】。其中，2 0 0 2 年粘胶长丝的增长率为2 8 ，超过了涤纶 成为国内化纤品种中增长速度最高的品种。目前，粘胶纤维产量已占据 我国化纤品种第二位。 近2 0 年中，我国粘胶纤维产量的高速增长，与全球粘胶纤维发展趋 势形成了鲜明反差。近几年，美国粘胶纤维急速减产，日本( 东洋纺) 出 售波里诺西p - ( p o l y n o s i c ) 设备技术并全部停止粘胶纤维生产，奥地利 兰精公司的经营也连年陷入困境。但国内粘胶纤维产量仍保持高增长态 势，究其原因是：( 1 ) 有市场；( 2 ) 有利润；( 3 ) 使用并不先进的国 产设备或增加几台进口连续纺丝机即可生产，设备较为简单：( 4 ) 不需 要科研开发投入，几乎不存在投资风险；( 5 ) 虽然污染严重，但目前的 投资环境尚还允许。基于上述原因，企业选择扩大粘胶纤维产量的投资 方向是客观实用的。加入w r o 后，我国经济发展己融入世界市场，随 浙扛工业大学硕士学位论文 着新世纪全球清洁生产趋势深入，摆脱条块管理的束缚，行业和投资环 境管理状况也会有所变化，国内粘胶纤维不正常发展态势应会受到抑 制。 1 3 反渗透原理及反渗透技术发展 反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，简称r 0 ) 是以压力为推动力，利用反渗透 膜只能透过水而不能透过溶质的选择透过性，从某一含有各种无机物、 有机物和微生物的水中，提取纯水的物质分离过程。对透过的物质具有 选择性的薄膜称为半透膜，一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜 称之为理想的半透膜。当把相同体积的稀溶液( 例如淡水) 和相同的体积 的浓溶液( 例如盐水) 分别置于半透膜的两侧时稀溶液的溶剂将自发的 向浓溶液的一侧流动，这一现象称为渗透。当渗透过程达到平衡时，浓 溶液侧的液面将会比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一个压差，称 为渗透压。渗透压的大小取决于溶液的固有性质，即与溶液的种类、浓 度和温度有关而与半透膜的性质无关。若在浓溶液的一侧施加一个大于 渗透压的压力，溶剂的流动方向将与原来的渗透方向相反，开始从浓溶 液向稀溶液一侧流动，这一现象称为反渗透。一般反渗透膜操作压力为 1 0 1 0 o m p a ，切割分子量小于5 0 0 ，能截留盐或小分子量有机物，可使 水中离子的含量降低9 6 9 9 。反渗透的去除性能一般有如下规律： ( 1 ) 高价离子去除率大于低价离子 a 1 “ f e “ m 9 2 + c a 2 + l i + ( 2 ) 去除有机物的特性受分子构造与膜亲和性影响 分子量：高分子量 低分子量 亲和性：醛类 酸类 胺类 浙江工业大学醺士学位论文 侧链结构：第三级 异位 第二级 第一级 ( 3 ) 对分子量 3 0 0 的电解质、非电解质都可有效的除去，其中分子量 在1 0 0 3 0 0 之间的去除率为9 0 以上。 反渗透技术是2 0 世纪6 0 年代初发展起来的以压力为驱动力的膜分 离技术。该技术是从海水、苦咸水淡化而发展起来的，通常称为“淡化 技术”。由于反渗透技术具有无相变、组件化、流程简单、操作方便、 占地面积小、投资省、耗电低等优点，发展十分迅速。据国际脱盐协会 统计，1 9 9 9 年底，全球单机日产量l o o m 3 以上的装置有1 3 6 0 0 台，每天生 产淡水2 5 9 0 x1 0 4 m 3 。反渗透和多级闪蒸是主要的海水淡化技术，各占大 约4 3 的市场份额。各种淡化技术在长期的工程应用中都在不断改善和 提高，如改善工程和设备本身的用材、改进原水预处理和运行管理计算 机化。然而，由于反渗透技术适用范围广，从事反渗透技术研究的单位 和成套工程的公司多，近年来，其发展速度相对于其他技术快得多“1 。 我国反渗透技术开发始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 7 - - - 1 9 6 9 年全国海水 淡化会战为醋酸纤维素不对称反渗透膜的开发打下了基础，7 0 年代进行 中空纤维和卷式反渗透组件的研究开发，8 0 年代进行反渗透复合膜的研 究开发，开始步入产业化，在我国水处理行业得到了广泛应用。尤其 近些年来，在国家开放政策的引导下，世界发达国家高性能膜组器大量 涌入国门，带动了国内反渗透工程应用的高速发展。国内相关研发单位 在高性能反渗透、纳滤复合膜的研究方面也已取得突破，正在实施水膜 的产业化计划。经过3 0 多年的发展，尤其“七五”以来，通过连续实施 国家4 个五年科技计划，我国的反渗透技术有了快速的发展，产业初具 规模。反渗透技术已广泛应用于海水苦咸水淡化，纯水、超纯水制各， 浙江工业大学硬士学位论文 化工分离、浓缩、提纯等领域嘲。工程遍布电力、电子、化工、轻工、 煤炭、环保、医药、食品等行业。 反渗透膜技术及其工程应用的发展方向主要集中予研究开发具有 低能耗、抗污染、耐高温、高压和特种分离等性能的反渗透膜组器。超 低压反渗透膜能在保持原脱盐率的情况下，操作压力下降2 5 4 0 ， 从而降低了系统的能耗和设备材料的要求。抗污染反渗透膜的开发， 减少了膜清洗的药耗，延长了膜的使用寿命，广泛地应用于污水回用和 化工原材料的浓缩提纯。带正电荷反渗透膜可直接应用于二级、三级 反渗透系统制备1 - - v 4 tq 、l o 1 5 mq 电阻率的纯水、超纯水，实现无酸 碱废水污染的洁净工艺。耐高温反渗透膜具有9 0 c 耐温性能，可用于食 品、医药等行业需采用高温杀菌消毒的反渗透装置。近2 0 年来，多种高 性能和特殊用途的新型反渗透膜组器的研制成功，有力地推进了反渗透 应用工程的发展朝。 1 4 反渗透技术在废水处理中的应用情况 反渗透技术在废水处理方面的应用正在兴起，越来越多的成功应用 实例证明了反渗透技术在环保领域的应用发展潜力。在环境工程中反渗 透技术可被用于去除废水中的污染物、有用物质回收和水循环利用。传 统的废水处理只有负的经济效益，因为废水处理是非生产性环节。然而， 随着排放浓度限制的日趋严格，物质回收的必要性及其价值，水资源的 日趋短缺和水价的提高，水的循环再利用等都将日益显示出其价值，从 而使膜技术在处理废水工艺中产生经济效益。近年来国内学者提出“水 工业”的概念，即把水的供给与再净化回用结合起来，使之由福利事业 浙江工业大学硕士学位论文 转变为赢利性企业口1 。然而用传统的和常规的处理技术很难使处理后 的水满足回用要求，而用膜技术处理废水，完全能够实现水的循环利用。 因此推广膜技术在废水处理中的应用，可促进废水再净化与再利用的发 展，使我国水资源走上可持续发展的道路咖嘲。 废水资源化具有开发淡水资源与保护环境双重目的。无机系废水处 理与海水淡化采用同类装置并具有较多共性工艺技术，反渗透可使废液 中的铜、铅、汞、镍、锑、铍、砷、铬、银、硒、铊、锌等离子脱除9 0 9 9 。用反渗透处理胶片加工废水，银的回收率可达9 9 。美国芝加哥a p i 工艺公司采用b _ 9 芳香族聚酰胺中空纤维膜组件处理w a t t n i 漂洗水，废 水含n i “6 5 0 m g l ，经r o 浓缩到2 0 倍达到1 3 0 0 0 m g l ，n i “的分离率为 9 2 。北京广播器材厂用醋酸纤维素膜处理亮镍和黑镍的漂洗废水( n i 2 + 含量为1 5 1 0 2 4 0 0 m g l ) ，n i 2 + 的回收率 9 9 。我国西部石油天然气开 发中，从深井涌出的含盐量1 0 3 0 9 l 的卤水，用反渗透一电渗析一三效蒸 发( 浸没燃烧) 的处理工艺正计划开发。反渗透将卤水脱盐至4 0 0 m g l 以 下，成为优质饮用水，浓水浓缩到5 0 6 0 9 l ，可回灌井中，或再用电渗 析浓缩到1 2 0 l ，蒸发喷雾干燥，制成固体盐。目前，反渗透在城市污 水深度处理方面的应用受到了高度重视，包括中水回用和污水处理厂二 级出水的深度处理制取优质淡水。中东不少缺水国家，在大量采用反渗 透海水淡化技术的同时，引入反渗透技术处理二级污水，一级反渗透出 水水质含盐8 0 m g l ，二级反渗透出水达到1 0 m g l ，以扩大淡水水源。一 个典型例子是1 9 9 9 年在新加坡裕廊工业区建成的反渗透污水处理厂，以 三级生化处理的城市废水为原水，用反渗透系统制取高级工业用水。该 工程在预处理方面做了大量实验，进行了双介质过滤与微孔膜过滤的比 浙江工业大学硕士学位论文 较，最后选用二级双介质过滤一反渗透系统”。 综上，反渗透技术在工业废水处理领域已有广泛的研究和探索，作 为一种高新技术，其分离效率高、节能环保、设备简单、操作简便等特 点使其在水处理领域具有相当的技术优势，已成为工业废水处理不可缺 少的技术之一，研究和应用也获得了长足的进展。但是，它毕竟还是一 门年轻的发展中的技术，成功的工业化的大规模的膜分离过程仍然较 少，多数分离技术还处于探索和研究中n “。其存在的主要问题，首先 是膜污染、膜稳定性；其次，膜组件的造价成本高。这两个问题限制了 模技术的在废水处理中大规模应用。可以预见随着膜技术的发展，膜组 件成本及膜污染、清洗问题的解决，在不久的将来，膜技术在废水处理 中将越来越广泛的应用，在解决全球水资源危机中发挥重要的作用n “。 1 5 国内外粘胶纤维车间空气冷却废水研究情况 目前我国的的化纤厂的粘胶纤维车间空气冷却废水一般只是经过 简单处理直接排放，每天需要排放大量的废水n “。前苏联、波兰、印 度等国，在1 9 7 5 年至1 9 9 4 年间，采用电渗析工艺研究处理粘胶纤维生 产中的淋洗废水和二次废水，目的是寻求使淋洗废水循环使用，可以回 收4 0 * ( 3 左右的水，对二次废水的处理，既可回收其中的n a 2 s 0 4 、z n s 0 4 和h 2 s 0 4 ，又减少对环境的污染。但该技术废水回收率低，能耗高，运 行成本大，操作困难，因此该技术推广难度大，国内尚未使用该技术的 厂家m 1 嘲“小”。膜法废水处理、回用和资源化技术，是近十几年迅速 发展起来的高效、节能、环境友好的工业废水处理高新技术f 2 0 应用 该技术可望解决上述采用常规技术难以解决的化纤工业废水治理难题， 从而改善化纤工业生产环境、生态环境，逐步消除水荒威胁。而且，通 浙江工业大学硕士学位论文 过该项高新技术，可使大部分废水得到回用，产生较好的经济效益“3 嘲。这无疑是对推动化纤工业的持续发展和其他类似产业清洁生产 具有积极作用。 1 6 研究内容 以粘胶纤维纺丝车间排放的空气冷却废水为处理对象，采用膜分离与 工业水处理集成工艺，开发膜法废水资源化新技术，建设工业化应用示范 工程。通过新型膜组器、辅助配套设备、在线自动监控设备、水处理化学 品( 清洗剂、阻垢剂、混凝剂、氧化剂、还原剂等) 硬件技术和工程设计、 优化、管理运行方面的技术软件，最终实现产业化。 第二章小试 2 1 引言 河南新乡化纤股份有限公司粘胶纤维纺丝车间的空气冷却废水是 该问用地下水进行低温冷却和净化空气，达到车间里恒温恒湿的环境， 升温的水经过空气冷却塔降温后再用作空气冷却水，这样反复用几次以 后的水。废水中含大量的粘胶纤维、化学物质、细菌。这类废水的常规 处理方法为石灰水软化，但用该法处理后的水含盐量较高，有机物残留 量也高，一般只有直接排放，无法回用，勉强用于淋洗丝时，生产丝的 质量很差，影响销售和价格，显然不是一种经济可取的办法。 膜分离过程是一种可在常温常压无相交的条件下节能和实现物质 分离的工艺过程。经过反渗透膜一次处理后的产品水，几乎百分之百的 有机物、细菌之类的杂质被除掉；小分子的无机盐类，也能除掉9 7 以上，对丝的质量影响最大的钙、镁、硅之类的硬度组份能被除掉9 9 以上。因此，用膜法处理过的水已经非常纯净，7 5 的废水可以回收利 用，用于丝的淋洗，可以将丝表面上附着的杂质洗的更干净，从而得到 光亮而柔软的丝产品，比用常规方法制软化水淋洗丝所得的产品，其质 量高出几个档次。 为了能开发一条适合于膜法处理又经济可行的工艺路线，本论文首 先设计制造了一套小型试验装置，在新乡化纤股份有限公司进行空气冷 却废水的回收实验。 2 2 设计依据 2 2 1 废水水质报告 浙江工业大学硕士学位论文 表1 纺丝车间空气冷却废水的水质 序号分析项目单位结果序号分析项目单位结果 1 电导率 l ls1 4 7 0l o游离c 0 2 m g l 2 2 3 2 总硬度( c a o )m g l 3 4 0l l 氯离子 m g l 2 3 7 5 3 总碱度 m g l 2 7 6 51 2 硫酸根 m g l 2 6 1 9 4 铁 m g l o 0 51 3 氟化物 m g l o 3 5钾离子k + m g l 1 3 31 4 硝酸盐 m g l 未检出 6 钙离子c a 2 + m g l 1 2 81 5 耗氧量 m g l o 5 7 镁离子m 9 2 +m g l 7 31 6 悬浮物 m g l 8 钠离子n a + m g l 7 1 81 7 浊度 m g l 1 4 8 9 氨氮 m g l o 3 1 8 p h 值m g l 7 5 2 2 2 产品水的水质指标 电导率8 0 9 s c m ，p h 值7 - 8 ，总硬度5m g l ( 以c a o 计) ，系 统脱盐率9 7 ( 三年之内) 。 2 3 实验流程及实验装置 图l 实验工艺流程 根据原水水质报告，考虑到空气冷却系统回用水水质容易发生波 浙江工业大学硕士学位论文 动，我们设计了一套含预处理、超滤、反渗透的实验装置。为了准确了 解各处理环节的效果，在各处理环节中设中间水箱。 预处理装置主要由机械滤器和加药装置组成。机械滤器直径中 6 0 0 r a m ，内部填装石英砂和无烟煤。加药装置有两套，一套为絮凝剂加 药装置，一套为氧化剂药装置。 超滤装置由超滤组件、运行水泵和反冲水泵组成。本系统中采用两 根5 ”中空内压式组件，采用目前国际流行的全量超滤工艺。 反渗透装置由加药装置、高压泵、反渗透组件组成，加药装置为三 套，分别投加还原剂、盐酸、阻垢剂。反渗透组件有三根，一段两根， 二段一根，每根里装有两支4 ”d o w 膜元件。 2 4 实验结果 2 4 1 第一阶段 第一阶段原水为二次冷却回水，实验时间一个月。 2 4 1 1 机械滤器 机械滤器开始运行时，在原水中投加s t 絮凝剂和次氯酸酸钠溶液， s d i 值达到2 左右，十天后停加s t 絮凝剂，污染指数逐渐上升，升至 2 5 左右趋于稳定。 多介质滤器于7 月2 6 日、8 月8 日、8 月1 8 日各反洗一次，反洗 周期约为1 0 天，反洗时间3 0 分钟，反洗结束后正洗1 5 分钟后，开始 测s d i 值，均能达到2 5 左右。 2 4 1 2 全量超滤装置 全量超滤装置于7 月1 7 日开始运行，其自用水量较小，整机回收 浙江工业大学硕士学位论文 率 9 0 9 6 。现反洗间隔时间为2 0 分钟，反洗时间1 0 秒。其运行压力在 0 0 7 m p a ，产水量1 6 m 3 h 。 图2 、图3 是全量超滤装置7 月2 3 日至8 月1 6 日的流量、压力趋 势图，其中流量和压力均以标准水温2 5 c 校正。从图中可看出，经过 短时间( 7 月2 3 日至7 月2 7 日) 操作压力上升后全量超滤装置运行趋 于稳定。 z 薹 罄 蛙 委 专 i带 1 s z 4 嘶。 i 一 ；- 一- _ 一一一_ - - _ 曩_ 蕾- 删 。 l i i ， 霜 器是鑫嚣冀鼍簟2篁=芝篓 o 暂站 z 王 日期 o i 0 8 0 6 0 4 0 2 图2 产水流量趋势图 飞9 ，、穸飞9 飞9 飞兮每 每 2 4 1 3 反渗透装置 电9 七，奄嗲每p 奄p 七奄9 日j j ；l 图3 操作压力趋势图 浙江工业大学硕士学位论文 反渗透装置于7 月2 3 日开始连续运行，8 月l o 日前反渗透装置进 水压力在1 0 7 m p a 左右，产水量1 0 2 m 3 h 。8 月1 0 日后调整反渗透装 置运行参数，进水压力提至i 2 5 m p a 左右，产水量升至1 2 m 3 h 。8 月 l o 日调整前后，反渗透装置脱盐率均大于9 8 5 ，回收率i 7 5 。 图4 、图5 是反渗透装置7 月2 3 日至8 月1 6 日的流量、压力趋势 图，其中流量和压力均以标准水温2 5 校正。 翟 鞠 璜 图4 产水流量趋势图 图5 操作压力趋势图 2 4 2 第二阶段 第二阶段原水为三次冷却回水。这次试验将超滤装置从流程中断 开，时间4 5 天。 2 2 3 2 l l 9 8 7 l 二l 仉乳钆以 是寒穴磁 浙扛工业大学硕士学位论文 2 4 2 1 机械滤器 机械滤器运行情况与第一阶段大致相同，在不加絮凝剂的情况下， s d i 值均在2 0 以下。 2 4 2 2 反渗透装置 图6 和图7 是反渗透装置8 月2 4 日至9 月2 7 日压力和流量趋势图。 在第二阶段试验过程中，产水量调节至1 3 m 3 m 水温有所下降，其操作 压力上升至1 3 5 1 4 m p a ，脱盐率大于9 8 5 ，回收率7 5 。9 月l1 日 9 月1 7 日，反渗透连续运行7 天，中间未进行低压冲洗，压力从 1 3 5 m p a 上升至1 4 8 m p a ，产水量一直维持在1 3 m 3 h 。9 月1 7 日停机， 进行3 0 分钟低压冲洗后，压力恢复至正常水平。9 月1 7 日后，反渗透 装置每天停机两次，每次l o 分钟，进行低压冲洗，此现象没有再发生。 9 月2 0 日后，原水水温下降较快，平均下降2 c - 3 。c ，此时在保持产水 量不变时，操作压力上升。 l5 1 哇 姜1 3 r 蹬1 2 1 1 l 蒿蕊霜昌= ：鼍t2 = 黑管22 高霜器高 硒硝西西口a 。晶d 尊；口；d d 口；d 西i 日期 图6 操作压力趋势图 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 5 罴1 3 赛1 2 5 1 2 磊要簧是薯鼍一。! = 篁譬22 高簧戋瓮 茹毯。言妄西采s g 基。；。； 日期 图7 产水流量趋势图 2 5 实验结论 从这次为期三个月的空气冷却回用水脱盐试验中，我们可以得到以 结论。 l 、机械滤器作为该水源的预处理是可行的，污染指数( s d i ) 可有 效控制在2 0 以下，达到反渗透进水要求。 2 、从这次实验可看出；机械滤器在不投加絮凝剂情况下s d i 值小 于2 。系统放大后，流体分布情况变差，加上原水水质可能发生的波动， 建议大系统中需配备絮凝剂投加装置。 3 、通过这次实验，可看出投加氧化剂( n a c l 0 ) 的重要性。在实 验装置中可看到在没有余氯的管道和水箱中有绿藻产生，这说明该水源 一 有机物含量较高。投加氧化剂，可抑制有机物的繁殖。 4 、超滤装置在该水源运行结果是稳定的，通过第二阶段的运行， 该水源脱盐系统可取消超滤装置。从冷却水水质相对不稳定性的角度 看，增加超滤装置可以更加保证系统长期稳定运行。 5 、反渗透运行超过1 5 0 0 小时，脱盐率、产水量未发现下降现象， 这说明控制好反渗透进水指标，投加合适的阻垢剂，在合理的操作参数 下，反渗透装置可以长期稳定运行。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章示范工程装置的设计 3 1 项目设计规模 根据河南新乡化纤股份有限公司粘胶纤维纺丝车间的空气冷却废 水水量和淋洗水的实际使用量并结合用水水质要求，确定设计规模为 1 2 0 0 0 吨天。反渗透装置单台产水量为l o o m ，共六台，开五台，备 一台，2 4 小时连续供水。 3 2 项目的工艺流程 根据小型实验的结果，确定了示范工程的工艺流程如下( 详见附录 中的带控制点工艺流程图) ： 3 3 单元设备的设计 3 3 1 原水池 由于粘胶纤维纺丝车间的空气冷却水为间隙运行，所有排放的冷却 废水经地沟集中在一个地下式水池中储存，水池采用地混凝土结构，水 2 5 浙江工业大学硕士学位论文 池容积为2 0 0 0 m 3 ，可调节进水量的变化，保证系统供水量稳定，水池 设液位传感器，可随时监控水池的液位，该水池由新乡化纤股份有限公 司白行设计建造。 3 3 2 原增医装置 该系统设置3 台原水泵，原水泵选用国产品牌的离心泵，型号为 k q w 2 0 0 4 0 0 7 5 4 ，流量4 0 0 m 3 h ，扬程为5 0 米。原水泵开2 台，备l 台，所有水泵进出口设置阀门。 3 3 3 灭菌剂投加系统 为了抑制废水中细菌和微生物生长，防止水中细菌和微生物繁殖， 当水中有机物含量很高时，加氯处理可除去7 0 8 0 左右有机物，在 项目中设计灭菌剂投加系统，采用投加强氧化剂二氧化氯灭菌，每吨水 加2 3 9 ，以保持机械滤器出水余氯量为o 1 m g l 为标准。投加系统包 括计量箱、计量泵、压力表、管道阀门、支架、计算箱上配备液位开关。 3 3 4 絮凝剂和助凝剂投加系统 絮凝剂和助凝剂主要作用是进一步凝絮水中有机胶体，使水中难以 过滤除去的较小有机胶体凝絮长大，以便在进入机械滤器除去，达到进 一步净化水的目的。投加系统包括计量箱、计量泵、压力表、管道阀门、 支架、计算箱上配备液位开关。 3 3 5 机械过滤器 除盐水系统中设置1 4 台( 1 2 开2 备) 0 3 2 0 0 钢衬胶机械滤器，系 统总进水量为8 0 0 m 3 h ，每台机械滤器空塔流速为8 3 3 m h 。其主要作 用是除去水中悬浮物质以及凝絮的有机胶体，使出水量满足反渗透装置 浙江工业大学硕士学位论文 进水要求，保证反渗透装置进水s d i l 5 o 0 5 o 0 7 m p a ) 时，需要反洗。 a 反冲松层：开启下进阀后，再开启上排阀，控制进水量一般为正 常进水量的2 3 倍，反冲时间为3 5 m i n 。 b 放水：开启排气阀及下排阀，将水排至机械滤器内滤层以上2 0 3 0 c m 处后关闭下排阀。 浙江工业大学硕士学位论文 c 气擦洗：保持排气阀和上排阀打开，然后开启进气阀，用气( 无 油压缩空气或氮气) 磨擦清洗滤料，进气压力为4 9 k p a ，进气量为1 8 2 0 l ，( m 2 s ) ，擦洗时间为3 5 m i n 。 d 气水擦洗：当气擦洗完毕后，开启下进阀，用气水同时反清洗， 控制进水量3 5l ( m 2 s ) ，进气量1 6 1 8l ( m 2 s ) ，通常控制滤料膨 胀率2 0 3 0 左右，一般擦洗3 5 m i n 。 e 大水反洗：关闭进气阀，调节下进阀，使反洗流量尽可能大， 一般反洗流量为1 4 1 6l ( m 2 s ) ，冲至水清澈，反冲洗结束。反冲洗结 束时，反洗流量应逐渐缓慢减少，使滤料按粒径分层次地沉降。 3 3 5 3 机械过滤器正洗 a 关闭下进阀、排气阀，开启上进阀和下排阀，同时开启絮凝计量 泵，滤器开始正洗。 b 正洗流量为工作流量，正洗时间一般为1 0 3 0 m i n ，当出水s d i l 5 4 时，正洗完毕，滤器可投入正常运行。 浙江工业大学硕士学位论文 3 3 5 4 机械过滤器阀门工作程序表 阀门 上上下下出进排 进排进排水气气 程序工艺条件 阀阀阀阀阀阀阀 v v v v v v v i234567 排气 直到排气阀出水为止 运行 - 流量6 7 m 3 m ，s d i l 5 4 流量由小至大1 3 0 反冲松层 0 2 0 0 m 3 h ，约1 5 3 0 m i n 放水 降至滤层上2 0 3 0 c m 处 进气量为1 8 2 0l ( m 2 s ) ，