膜法处理回用农业排水的可行性研究.doc

膜法处理回用农业排水的可行性研究探讨景泰川电力提灌区,位于甘肃中部景泰县,灌区从黄河提水进行灌溉.一期灌区设计提水流量为10M3秒,设计灌溉面积为30万亩1.灌区上水前,地下水位都深.但上水后,由于种种原因,使地下水位迅速上升,改变了灌区的地下水平衡状态,逐渐发生了盐渍化,盐渍化荒地逐年增加,影响了灌区效益的发挥,也影响了农业的发展.在一期灌区的农业耕作区建立排水系统量很有必要的,这不但防止土壤盐渍化,而且利用规划设计合理的排水系统起到收集农业排水的功能.对农业排水的回收处理包括技术环境方面的许多因素.废水的最小化及排水的回收再利用可减少从黄河的提水量,还可防止因土壤盐渍化而丢失大片的耕地面积.为了设计这样一个满足上述要求的农业排水处理工程需要对许多的设计参数进行仔细的优化计算,努力以最小的成本实现农业排水的回收再利用. 1.农业排水回收利用现状美国从71年开始在加利福尼亚Firebaugh进行农业排水回收利用试验研究 2.试验所用技术为反渗透,所用膜为手工浇铸醋酸纤维（CA）管式膜组体.通过试验对这种技术的可行性得到了证实.由于当时膜价高,及CA膜所需的高运行压力,使系统制水成本很高,无法推广应用.从1983至1987年,美国在加利福尼亚Los Baros又进行农业排水处理技术的第二阶段试验研究3.这次采用技术仍为反渗透,选用了80年代最为先进的复合膜.这个地区农业排水中含有几种无机有毒物质,如硒酸盐和硼酸盐.这个试验系统,因为环境保护政策的需要,于1987年最终关闭了.虽然这套系统只运行了较短的时间,但反渗透系统的总体性能还是说明了用膜法水处理技术进行农业排水回收利用的潜在可行性.到了九十年代,对农业排水回收利用问题的研究又得到了重视.主要是由于新一代苦咸水淡化膜的出现.这种膜称为纳滤膜(NF),操作压相当低,约为0.50.7Mpa,膜通量大,相当高的脱盐率4.与反渗透膜相比,它具有较好的经济性,在过去几年中,美国在实验室中已作了许多工作,首先是对纳滤膜在农业排水回收利用中的性能进行评价.当农业排水的含盐量为10000mg/l,运行压力为1.4Mpa时,测得的纳滤膜通量为18GPD,脱盐率可达90%4.这些数据说明,纳滤的处理费用与80年代的反渗透处理费用相比明显较低.其次,是对纳滤处理农业排水时的膜结垢污染进行了一系列的试验研究,并提出了合理的预处理措施.截止目前的工作努力,已可指导进行符合农业排水条件的纳滤处理系统的设计.通过对纳滤系统的经济评价,可以预言,纳滤将是经济有效的农业排水回收处理方法.2.农业排水回收处理方法2.1 反渗透技术反渗透是一种压力膜过程,工艺是指在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力,浓溶液中的水渗透过半透膜向清水侧移动,使水从浓溶液中分离出来.反渗透用于水处理能够从水中脱除98%以上的胶体,微生物,微粒,有机物及一些溶解性盐类 5.反渗透的能耗与脱盐量有关.反渗透系统的运行压力现已降到1Mpa左右.反渗透水处理系统一般由预处理,脱盐装置及反处理三部分组成.2.2 纳滤技术纳滤是一种新型的压力驱动过程.它的分离范围介于反渗透和超滤之间.纳滤膜的发展较反渗透晚了近二十年,但在水处理方面已逐渐取代反渗透而成为未来发展的主流.纳滤用于水处理,能够有效地脱除有机物,细菌,病毒,硬度,降低水中含盐量.纳滤在0.50.7Mpa的操作压力时,可脱除8595%的硬度和70%以上的一价离子4.纳滤系统一般由预处理,纳滤装置及后处理三部分组成.纳滤技术在饮用水净化处理,污废水排放处理,各种水溶液的浓缩与精滤等领域的优越性已逐渐为人们所认识,随着膜成本的下降及工程经验的积累,预计纳滤技术在今后会有很大发展.3.工艺评价景泰川电力提灌区芦阳排水试验站的水质分析资料详见表1.根据此水质资料,模拟计算以估计农业排水回收处理系统的工艺参数,这里选择的处理方法为纳滤技术.预处理工艺中包括快速综合净水器、砂滤器及精滤器.纳滤脱盐装置采用二级脱盐工艺,并使部分浓水反循环利用并将部分经过预处理的原水与纳滤出水进行掺合,提高系统水利用率,降低运行成本.纳滤膜采用美国海德能公司生产的高性能芳香族聚酰胺纳滤膜。此膜通量大,可在超低压下操作,从而实现节能,降低投资和操作费用的目的.为了控制膜污染结垢,需要在纳滤进水中加入阻垢剂.4.纳滤处理农业排水系统评价4.1水质评价表1表示原水水质,纳滤处理后水质及农业灌溉用水水质标准.经纳滤处理后的水质指标已满足农业灌溉用水水质标准.处理后的水含盐量为1080mg/l4.2工艺参数评价表2列出了纳滤处理工艺的所所有工艺参数.由表2可见,在农业排水处理系统产水量30M3/h的情况下,整个系统的水利用率为85%.当纳滤的运行压力为0.50.7Mpa时,系统脱盐率70%以上.系统运行中,需要填加一定量的混凝剂及阻垢剂.4.3费用评价表3列出纳滤农业排水回收处理系统的投资,运行成本等各项费用.从表中可见,系统的综合运行成本为1.23元/M3.与高扬程提灌区的政策性单方水价0.15元/M3要高，但是干旱缺水地区这样的价格还是很有吸引力的。表1 各类水质指标项目单位原水水质指标处理后水质指标农业用水水质指标Camg/l145.814.78 Mgmg/l177.818 Kmg/l4.70.05 Namg/l838344.3 Fmg/l0.50.372.0-3.0CO3mg/l0.1 HCO3mg/l142.7137 SO4mg/l980129 Clmg/l1263431250NO3mg/l3.05.2 PH 7.46.95.5-8.5TDSmg/l3556108070表3系统投资及运行成本项目单位数量项目单位数量系统投资万元304.阻垢剂费用元/T0.062电价元/度0.55.杀菌剂费用元/T0.10膜价元/根50006.滤芯更换费用元/T0.05系统产水量T/H307.预处理费用元/T0.10系统水利用率%708.人工费用元/T0.10运行成本核算元/T1.3259.系统维修费用元/T0.041.膜更换费用元/T0.2511.运行成本合计元/T1.3252.能耗费用元/T0.3553.混凝剂费用元/T0.055.结论(1)在纳滤农业排水回收处理系统中,适当填加阻垢剂时, 并采用部分浓水反循环及掺合一部分原水,有利于提高系统水利用率,降低系统运行成本.可成功地将系统水利用率提高到85%左右.(2) 在高扬程提灌区,建设竖向排水井,不但可减少排水工程投资,又可为排水的处理利用创造基础条件.从竖井中抽出的水,浊度低,可减少膜系统的预处理工艺,从而减少排水回收处理系统的投资,降低处理水成本.(3)? 纳滤农业排水处理系统的单方水成本为1.23元/M3,这样的价格在干旱缺水地区还是有吸引力的。当种植的作物价值较高时,就具有一定的可行性.(4)纳滤技术处理农业排水并回用,在技术上是安全可靠的。随着水资源矛盾的日益突生和膜技术的不断进步以及膜处理成本的不断下降,农业排水纳滤处理成本还会进一步的降低.随着工业的发展,水资源的污染日益严重,缺水现象会越来越严重,农业排水回收利用问题将会受到人们的关注,农业排水的处理也将会提到仪事日程。(5)对农业排水进行处理回用,不但可防止土壤盐渍化,又可使农业排水资源化。应该说,它是一种水资源再生的希望方法。从环境保护方面讲,对农业排水进行回收处理再利用具有非常重要的环境意义.(6) 对农业排水的处理回用进行研究,对保护宝贵的水资源并以合理的方法进行再循环而供人们更好地使用,回起到重要的作用.膜法处理造纸废水一 前言造纸工业是一个耗水大户，排放的废水量很大，对环境的污染也相当严重。因而，造纸废水的处理已普遍受到各国政府和企业部门的高度重视。纸浆造纸工业因各个工艺产生的废水成分不同，处理方法有所不同（如表1所示）1。而量大、成分最复杂、污染最甚者为精选、漂白等工艺的废水。目前，处理这些废水大多采用化学沉淀、活性污泥、药浮、气浮等方法。但是，经这些方法处理后的废水往往达不到严格的排放标准，特别是活性污泥法，由于在夏季几个月的高温影响了活性污泥处理的效率，而活性污泥厂消化处理造纸废水中的芳香族化合物尤为困难。近年来，以半透膜为分离介质的超滤（UF）、反渗透（RO）、电渗析（ED）等方法处理纸浆、造纸废水，在国内外都普遍地进行了开发研究3。废水中许多有价值的化工产品，如木质素、木质素磺酸盐、香兰素等，在膜法处理过程中得以回收，净化的水可回用于造纸过程。因而，十多年来膜法处理工厂在世界许多国家的造纸工业中陆续建立并投入运行。表2列出了丹麦DDS公司生产的膜装置在世界国家造纸工业中运行的部分情况3、4。据报道4，到1980年底，仅DDS公司的UF、RO膜用于造纸工业的面积已经达到约2787m2，通过UF法回收的副产物（以固体计）达15000-20000吨/年，回用的水约达454.6m3/天。由此可见，膜法处理造纸废水是一种进行深度处理的大有前途的新型技术，已产生惊人的社会效益、环境效益和经济效益。表1 不同工艺的废水成分和一般处理方法工艺产生污染的物质废水水质成分*处理方法SSBODCOD色度工艺内部排放的废液湿式粉碎树皮木屑千化凝聚沉淀，上浮蒸解木质素，半纤维素等提高蒸解废液的回收率浓缩燃烧精选成束纤维，微细纤维，木质素等封闭化，半封闭化筛网过滤，凝聚沉淀，上浮漂白氯化木质素，还原糖，有机酸反洗，氧漂白等凝聚沉淀，活性污泥，超滤抄纸微细纤维，填料回收SS，节水凝聚沉淀，上浮本文比较分析膜法工艺方案与不同的工艺流程，描述处理造纸废水的膜系统特征及其相对于常规法的优越性，着重对列举的大量膜法处理造纸废水的研究成果与膜法工厂的设计、运行、效益进行详细描述，并在初步评论的基础上，展望膜法处理造纸废水的前景。表2 DDS公司的膜装置在造纸工业中的应用按装年份膜系统使用国家废水类型或回收的产品1974-1979UF挪威木质素磺酸盐1976RO挪威铵基亚硫酸盐1978UF北美木质素磺酸盐1978RO加拿大钙基亚硫酸盐1978UF瑞典牛皮纸漂白废液1980UF芬兰牛皮纸黑液1980UF芬兰木质素磺酸盐1980UF日本牛皮纸漂白废液1980RO意大利钙基亚硫酸盐1980RO阿根廷中性亚硫酸盐，半化学纸浆废液1986UF+RO中国钙基亚硫酸盐，回收木质二、膜法处理造纸废水的工艺1、膜系统的设计膜和装置类型的选择，由于造纸废水的温度较高、pH值范围较宽，因此应选用耐温和化学药品的膜，如聚砚、聚砚酰胺、含氟聚合物及其他 一些聚合物制成的UF、RO膜，以及聚乙烯异相阴、阳离子交换膜等。由于废水成分复杂且含量较高，因此应选用流动状态较好的管式、板式膜UF、RO装置，才能获得较满意的处理效果。膜系统设计的选择选用 无论是UF膜法或RO膜法，在恒定操作参数下处理造纸废水时，透水量均随溶液浓缩倍数的增加而明显地下降。鉴于膜法这一特征，有几种不同的设计方案（如图1所示2）可供选择。 图1（a）是最有效的设计，通常RO工厂都使用这种运行方式。对于浓度较低的废水，效果特别显著，当料液逐个通过膜组件时，往往可除去料液中5-20%的稀溶液。图1（b）的方式对于小型的UF系统较为合适，因为系统中组件数目少，回路中的溶液可以连续不断地循环，一直浓缩到所要求的最终要浓度。但是这种方式的运行效益不高，因为膜几乎一直处于与最浓的溶液接触之中。图1（c）是一个多段连续系统，供给液在每一段都经过一定循环浓缩，最终逐段被浓缩到所要求的浓度。由此可见，图1（c）的运行方式对于UF和RO系统都是合适的。2、处理工艺流程膜系统的工艺流程图2是按照图1（c）的概念而设计的多段连续过滤膜系统工艺流程的一个便子。在图2中，废水经过滤后被泵入每一段的组件中，透过液和浓缩液分别汇集到各自的出口处。系统中带有可用蒸汽或冷却水进行恒温控制的热交换器。通过生产线上膜系统末端的折光仪或者通过控制料液和浓缩液流量比例的控制器来控制浓缩液的流量和固体含量。部分渗透与清洗剂混合作为定期清洗膜的清洗液。造纸废水处理流程表1已经表明，凝聚沉淀、活性污泥、上浮过滤等常规的处理方法，对于不同的造纸工艺排放的废水处理一般上都是适用的。但是，欲进行高效的处理，则要结合膜法.图3给出了一些目前结合膜法使用的处理流程1，2，4。从图3可见，有的流程冗长，设置较多，投资费用高；有的流程效率较低，处理不彻底。因此，尽管目前已有许多种处理流程，但是人们还在不断地探讨新的高级流程。从纸浆造纸废水处理过程中产生的污泥、无机物、纤维类以及燃烧产生的灰渣等，都要进行妥善的处置.许多有效利用最终废弃物的方法1，可以避免造成二次污染。3.膜法处理的特点膜法处理造纸废水，与常规法相比，有如下明显的优点：设备投资省，占地面积少。运行管理简单，维修保养方便。由于操作容易自动化，投入劳力少，因此可以由其他岗位的运行人员兼任进行定期巡视管理。由于膜系统的多组件多段设计，因此可以在系统连续工作情况下更换某个组件。清洗某一段组件时，其他几段的组件不必停机，不会影响系统的连续工作。操作环境卫生。由于膜法是一个密闭运行的系统，因此没有污水流溢和臭味散发。能耗低。膜法是无相变的分离技术，仅消耗泵送料液时的电能。如：RO法处理亚硫酸盐废液（SSL）的能量约是蒸发法的1/41/30（见表34）。显然，RO浓缩SSL是一个经济的方法。表3 RO法与蒸发浓缩SSL 的能量比较浓缩系统去除1000LBS水的能量（Btu）*1效蒸气压缩500006段多效蒸发2150005段多效蒸发2700004段多效蒸发3450003段多效蒸发430000RO15000处理效益高。常规法的C0D去除率最高值分别是：凝聚沉淀法50，凝聚沉淀活性污泥法6070左右，而膜法可达80左右.色度去除率，常规法跟度为80， 而膜法可达95左右5。无污泥产生。膜法处理不像常规法产生大量淤泥，因此节省了处理淤泥的费用和劳力。如图3(g)、(h)两个流程所表示，浓缩物作为燃料，回收的热量再用于蒸发浓缩，体现了膜法省能的优越性。三、膜法处理造纸废水的实例1.牛皮纸洗涤废水的处理 日本大王造纸工业有限公司于1981年6月在三岛造纸厂建造了一座世界上规模最大的处理该厂牛皮纸洗涤废水的管式膜超滤厂2，5，6。该厂由日本三菱化工机械有限公司 设计，使用日本日东电气有限工业公司生产 的管式膜和组件。 大王造纸厂的造纸产量约3000吨天，排放的废水约220000吨天。UF厂处理其中污染最严重的4000吨天的牛皮纸洗涤废水。UF厂由两条生产线组成。每一条生产线都按图1(c)概念设计，由6段构成，其中1一4段有224个膜组件(56个组件段)，56段有98个膜组件(49个组件段)，1台85m330kWh的供料泵，6台150m345kW.h的UF循环泵，1台4.2m35.5kW.h的升压泵，系统的运转压力1.00.5MPa.UF组件是由内装18根0.5时直径的聚砚膜管式NTU-3508-P18LP的不锈钢管和端板组成。每条生产线的有效膜面积为740m2(2.3M2个组件)，日处理废水2000m3，平均透水量为67gfd。两条生产线共用一套清洗设备。每一条生产线上正常运行的是五段膜组件，因为其中一段是备作维修或清洗时使用。清洗周期为1次2天，清洗时间23小时次。由于生产线的运行全部自控，实行了无人化操作，因此维修管理人员是由其他设备的运行人员兼任。UF厂的工艺流程如图3(g)所示。废水进入膜组件之前，用40目的金属丝筛网滤除木质纤维和大颗粒，然后供料泵将料液加压到G.61MPa，再用循环泵把料液泵送到系统的每个膜组件。UF浓缩液送到焚化炉，UF渗透液除部分送到储水池中与NaOH和清洗剂混合用于膜的定期清洗外，送到活性污泥厂再行处理。表4列出了UF厂处理牛皮纸厂洗涤废水的设计值与实际运行的性能。 从表4可以看到，尽管在较高温度和pH值下运行了两年。UF厂的性能无明显下降，膜的平均透水量维持在57gfd，COD、色度、SS等的去除率仍保持较高水平。由于运用了清洗技术，大大地延长了膜的初期目标寿命，UF渗透液(主要合溶解固体、低分子有机化合物)再经活性污泥厂处理后，整个牛皮纸洗涤废水已符合日本政府新的环境排放规则(pH5.88.0,SS38ppm，COD80ppm)，一改该造纸厂过去用常规法处理造纸废水不能达标的困难局面。2.亚硫酸盐废液的分离纯化RO预浓缩亚硫酸盐废液表4 日本三岛的UF厂处理牛皮纸洗涤废水水性能设计值实际值透过液*浓缩液去除率（%）*处理量（m3/日）400036003382（57gfd)218浓缩倍数2016.5COD（ppm)125019004302470077.4(79)色度（ppm）-650044013000093.2TS（ppm)-670046003900031.3SS（ppm）10010001650100pH10.510.510.8510.5温度（）45-5545-5545-5545-55 *()数字为运行两年的结果，其余均为运行一年的结果，去除率（%）=（进料液中含量透过液中含量）/进料液中含量100，TS溶解固体（主要为无机盐）。 亚硫酸盐废液（SSL）浓度较低，由于RO法去除低浓度废水的能耗大大小于蒸发器的值（见表3），因此，挪威的Toten亚硫酸盐浆厂和加拿大的Reed纤维浆厂分别于1976年和1978年使用丹麦DDS公司的平板状立式HF40-28组件，分别进行RO预浓缩铵基SSL和钙基SSL4。这两个厂的膜系统工艺流程如图2所示。经25m转盘式过滤器过滤后的废水被泵送到RO组件，RO浓缩液被送到蒸发器蒸发。虽然都使用醋酸纤维素膜，并且在pH范围的低限（Titen厂的废水pH值有时低于2）下使用，但是膜的寿命还是长达1年以上。这两个厂在运行过程中都存在由废液中的沥青、微细纤维、硫酸钙等引起的污染问题，通过每星期清洗2-6次之后，系统保持了良好的分离性能。表5给出了这两个厂于1980年8月15日测定RO预浓缩SSL的性能。表6给出了挪威Toten厂运行近两年后的分析数据7。从表5、表6可以看出，RO预浓缩SSL是有效的和经济的。表5 RO预浓缩SSL的性能性能Toten厂Reed厂安装年份19761978有效膜面积（m2）39164475流程结构4段，连续式4段，连续式SSL类型NH4-SSLCa-SSL2-2.53-3.5供给液TDS（%）6-1010-12浓缩液TDS（%）1218料液最大流速（GPM）88132最大透水速度（GPM）4444平均透水速度（在最大料液流速时）（GPM）15(98.2m3/天)13(84.2m3/天）所需能量（kW)7590消耗能量（kWh/1000LBS滤液）3.44.0表6 挪威Toten厂RO处理SSL的分析数据供给液渗透液去除率（%）总固体（%）6.00.198.3BOD-5（ppm O2)20500237088.4COD(ppm O2)83300462094.5硫酸盐（ppm）7406191.8醋酸（ppm）6600420036.4pH2.22.1 亚硫酸盐废液中木质素磺酸盐的纯化膜法处理SSL时可以为染料工业提供重要的原料木质素磺酸盐（LS）。DDS公司用聚砜为膜材料的GR5P膜UF装置纯化SSL中的LS7。1974年以来，由于制造商的要求，LS的含量须达90%以上。当直接UFSSL时，尽管在较高浓缩比（1：4.5）情况下，LS的含量（占总固体）只能达85%。但是，在UF过程中，向料液添加去离子水（DF），如图2的流程，浓缩物中LS含量（占总固体）可达95%左右（见表7）。此时，虽然UF浓缩比有所下降，但是通过合理的膜系统结构和工艺流程，即“UFRO生物处理”7，可以从UF过程得到高含量、高纯度LS的浓缩物。UF渗透液由RO浓缩一倍以上，然后RO浓缩液送到发酵或生物处理厂，从而达到了膜法处理SSL和纯化LS的高效率。表7 UF处理SSL时的物料平衡组分（kg）供给液浓缩液渗透液未加DF加入DF未加DF加入DF未加DF加入DF100100+2522.215.9777.8109.03木质素磺酸盐5.65.64.63.751.01.85糖和有机酸3.23.20.60.152.63.05无机物1.21.20.20.071.01.13水90.0115.016.812.073.2103.0UF浓缩比未加DF1:4.5加入DF1：2.0 我国吉林省开山屯化学纤维浆厂为了处理该帮纸浆废水、回收木质素磺酸钙，1986年从凡麦引进了DDS公司生产的膜设计*。这套设备由卧式的16台UF36-19型和约8台UF37型以及立式的约20台RO35-19型组成，每年从8%废液中回收纯度为95%的木质素磺酸钙（干品）5000吨（设计值），然后将钙型改性成钠型作为染料分散剂。膜系统工艺流程如图4所示。每天用Ulstrasil10清洗剂对膜系统清洗一次，消除膜面污染。 3、碱提取纸张废水的净化在硫酸盐法造纸过程中，纸张需用NaOH漂白，从而排放出严重着色的含木质素化合物的白水。瑞曲Iggesund牛皮纸厂于1978年用DDS公司的膜设备安装了一个4段连续式的UF系统，用以处理碱提取纸张白水4。UF膜是用各种不同聚合物材料制成，可以在pH10-14范围的高、低限和高达约90的系统中运行。为维持膜在长期运行中的效率，该系统平均每隔三个星期用碱性或酸性的清洗剂（有时用强氧化剂H2O2和NaOCl溶液）清洗一次。系统中最后安装的一套膜设备连续运行8000小时后性能没有明显变化。运行两年后整个系统的性能见表8。表8 瑞典Iggesund牛皮纸厂的US处理碱提取纸张白水运行两年后的物料平衡组分（吨）供给液浓缩液渗透液去除率（%）6000m3250m35750m3固体401822