双膜法在电镀废水深度处理中的应用

王晓明

(闽西职业技术学院 智能制造学院,福建 龙岩 364021)

电镀行业使用了大量有毒有害化学品,这些有毒有害物质的存在给环境带来了严重的污染。电镀行业的高用水量以及电镀废水存在成分复杂、毒性大、重金属离子含量高的特点,若不经处理直接排放,废水中的重金属对周围环境造成极大的污染[1]。随着电镀工艺的快速更新与发展以及国家对环保要求的日益提高,电镀废水已被列入零排放的行列。某电器有限公司是全球主要的继电器生产销售厂商之一。电镀,是该公司生产工艺中的一部分。电镀工艺中所产生的废水主要以镀铜、镀镍废水为主。该公司现有污水处理站主要对废水进行物化法、生物法处理。由于排放废水中含有污染物质以及电导率较高,无法进行回用。根据该废水的特点,采用“多介质过滤器+超滤+反渗透”为主的处理工艺,对排水处理系统出水进行深度处理,使废水达到回用的目的,不仅减少了污染物的排放,还减少了新鲜水的使用,符合国家节能减排的政策。

1 设计水量及水质

废水回用设计处理能力为1 200 m3/d,项目所处理回用水为厂区电镀工艺经过物化法、生物法处理后排放的综合废水,其主要特征表现为含盐量较高,电导率高于7 000 μs/cm;含有少量的高价离子,经过化学反应后,残余的重金属离子,如铜、镍等;SS较高,容易污堵过滤器以及容易在膜表面滋生细菌。SS较高,无法满足进膜要求。COD较高,易带来后续膜处理的有机污染和负荷。废水COD的主要组成是在电镀工艺中引入的各种类型的表面活性剂,这些物质组成对膜的稳定运行存在着巨大的安全隐患。工程设计回用率为60%。废水回用系统进出水水质要求见表1。

表1 废水回用系统进出水水质

2 废水处理工艺

回用水处理工艺流程如图1所示。

图1 回用水处理工艺流程

3 主要处理构筑物及设计参数

3.1 预处理系统

预处理系统的处理采用多介质过滤器+超滤组合工艺。原污水处理系统生化处理后的出水进入多介质过滤器进行过滤。多介质过滤器罐体采用碳钢衬胶,罐体内分层放置卵石、石英砂等不同的滤料,废水流经滤料时,经生化、二沉池工艺处理后残留的胶体物质以及比重比较大的固体污染物在滤料表面碰撞、拦截形成滤饼层得以去除。多介质过滤器通过PLC设定反冲洗的频率和时间启动程序,定期采用其产水进行短时间、大流量反向冲洗,一般中水系统约3～5 d,每次反洗约20 min。反冲洗水收集排放入反洗废水池。多介质的工艺特点是去除生化处理沉淀工艺中残留的比重较大的固体污物、部分胶体,从而减轻对后续处理构筑物的处理负荷[2]。多介质过滤器的产水进入产水池,供超滤继续处理。多介质滤罐体数量2台,直径2.8 m,材质为碳钢衬胶, 滤料采用石英砂、卵石,填充高度1 200 mm,设计压力0.6 MPa,设计流速9 m/h。

超滤膜系统处理利用新增加的进水泵抽取滤池产水池中的废水,通过设置保安过滤器,截留多介质过滤处理后可能残余的浮渣以及能穿透滤料的杂质,防止这些杂质对膜层的损伤。超滤系统采用全量过滤方式运行,废水中含有的微细胶体污染物被截留在膜丝外表面,产水全部进入超滤产水池。 超滤设置周期性的反洗和分散清洗,反洗周期大约为30～60 min,即运行产水30～60 min后启动一次反洗。通过UF反洗泵,将超滤产水从UF膜的产水侧进入,反向对膜面沉积物进行短时间冲洗,以恢复膜性能。反洗后超滤膜系统重新运行产水,重复“运行-反洗”8～12次后,再启动一次分散清洗,通过分散清洗去除反洗动作无法除去的累积污染物。反洗、分散洗的持续时间都非常短,整个超滤系统设计为全自动控制,设定程序进行“正常过滤”、“气洗”、“水反冲洗”和“分散化学清洗”等动作;超滤系统还设置离线化学清洗系统,可以对膜组进行化学清洗,膜组件不必要拆离设备本体。反冲洗水返回前段调节池,重新进入废水系统进行再处理,减少外排废水。废水通过提升泵,分别进入4组超滤膜组,流经中空纤维膜丝外侧后进入膜丝内侧,废水中含有微细的胶体污染物质被截留在膜丝的外表面,出水进入超滤产水池。工程选用新加坡美能超滤膜UF-0615ED 64支,超滤膜型式为中空纤维,外压式,8″膜,材料PVDF,单支元件膜面积为38 m2/根,设计单支产水量1.33 m3/h,设计系统产水83.7 m3/h,设计系统回收率86.4%。

3.2 反渗透系统

超滤产水通过泵提升进入5 μm保安过滤器,滤后出水进入反渗透膜,为了保证反渗透膜系统的稳定运行,进水进行酸碱调节pH值以及加入还原剂和阻垢剂,从而提高反渗透膜截留离子的能力。反渗透膜截留盐份以及大部分有机物后的透过液流入浓水池,再进一步经过深度处理后排放。RO单套产水量50 m3/h,回收率60%,单套设备采用美国DOW30-400/34i-FR,美国DOW是新一代抗污染反渗透复合膜,对膜表面进行了根本性的化学改进,即在传统的芳香族聚酰胺基础上,通过在膜表面进行PVA 复合涂层技术,将膜表面的电性由通常的负电性改为电中性,从而使进水中的负电、正电、中性、两性的污染物在膜表面上的吸附性大大减弱,使膜水通量保持稳定。通过改进给水格网,流道,改善水流状态,降低压力损失,减少死角等方式提高膜组件的流体性能降低污染。

工程配置90根抗污染反渗透膜芯,采用六芯装玻璃钢膜外管(工作压力耐压300PSI),分量段设置,共15支膜外管,排列设置方式为第一段采用10根膜管,第二段采用5根膜管,两段串联(简称10×5排列)。

3.3 二次废水的产生及其去向

3.3.1 反洗废水

本中水回用系统运行过程中,由于各工艺步骤自身截留的污染物质以及外加的药剂等,均造成一定量的污水(反洗水)外排。砂滤外排污水约占其产水之2%,超滤外排废水的约占其产水量的5%～8%,其主要污染物为:截留污染物,包括前段生化残余菌体、污泥、胶体类物质,絮凝剂反应产物、破碎滤料以及少量反洗加药剂,与原水性状类似,将这些反冲废水排入反冲洗废水池打回调节池。

3.3.2 反渗透浓水

超滤产水进入反渗透系统后,分流成两部分,80%部分为产水,另外20%包含截留的溶解性污染物,形成反渗透浓水。通过砂滤、UF过滤去除后,超滤出水约为50～70 mg/L,则RO浓缩后,RO浓水COD值约为80～100 mg/L。而其中的二价以上离子质量浓度约为10～20 mg/L,一价离子质量浓度约为15 000～30 000 mg/L。为避免离子在系统中循环,设计的化学沉淀处理工艺系统,使浓水达标外排。

4 工程运行时应注意的问题

废水处理系统由于排放的阶段性和物化处理系统自身存在的不稳定性,废水生化处理系统的最终排水时有波动的情况,且排放废水的水质成分较为复杂,在运行中为确保系统能够保持产水量稳定,工程运行时应注意控制以下几个方面:

1)超滤膜污染的控制。超滤设置周期性的反洗和分散清洗,反洗周期大约为30～60 min。通过超滤反洗泵,将超滤产水从超滤膜的产水侧进入,对膜面沉积物进行短时间反向冲洗,以达到恢复膜的性能。反洗后超滤膜系统重新运行产水,重复“运行-反洗”8～12次后,再启动一次分散清洗,通过分散清洗去除反洗动作无法除去的累积污染物。反洗、分散洗的持续时间都非常短,整个超滤系统设计为全自动控制,设定程序进行“正常过滤”、“气洗”、“水反冲洗”和“分散化学清洗”等动作;超滤系统还设置离线化学清洗系统,可以对膜组进行化学清洗,膜组件不必要拆离设备本体。

2)反渗透设计通量不宜过大。设计通量大,则污染物堵塞较快,系统处于不稳定状态。而且考虑到膜芯性能衰退,系统设计通量不宜过大。运行过程中应控制好膜元件的回收率以及膜通量。

3)段间增压的控制。为了均衡分配两段的流量,平衡两段的负荷,通过设置段间增压泵可以缓解后段膜的进水压力,使得前后两段膜的运行通量相差控制在2.5倍以内。工程设计增压2～3 bar。

4)pH值调整和结垢控制。根据水源水质,RO系统调酸有利于降低结垢倾向,但同时导致RO产水pH值偏低,有一定腐蚀性。工程通过添加碱性阻垢剂,使水源水在进膜之前pH值有初步调整,避免产水pH值过低。

5)杀菌的控制。由于水源富营养化,具有容易滋生细菌的作用,因此如何有效杀菌成为抗污染反渗透膜稳定运行的一个关键因素。如果在反渗透进水管连续加入杀菌剂,以杀灭膜面细菌。这样的杀菌方式容易导致管道、膜面的细菌因为长期接触药剂,而产生抗药性。根据原水的组成分析可知,原水滋生细菌的可能性比较小,工程使用“周期清洗”的方式进行杀菌,保证中水回用系统的有效性。

6)反渗透膜污染的控制。反渗透系统对截留的膜内部的污垢采用周期性的瞬时排出,以降低对反渗透膜表面的结垢污染。当反渗透系统出现停机时,应注意及时、自动对反渗透膜进行低压冲洗,从而防止浓缩废水中残留的污染物对膜造成污染。

5 运行效果

该处理设施经调试后,系统运行情况稳定,反渗透产水水质为:pH值为6～9,SS≤5 mg/L,COD ≤10 mg/L,电导率≤300 μs/cm,总镍≤0.1 mg/L,总铜≤0.3 mg/L。经过实际运用,对产水水质进行跟踪监测,产水中pH值、COD、SS、电导率检测指标均满足企业回用的要求。

6 工程效益分析

该项目运行成本费用包括电费、药剂和耗材费、人工费。每年(按360 d计),处理回用水量1 200 m3/d,工程总装机功率为163 kW,运行功率130 kW,电价按0.8元/kWh计算,则电费为2.08元/m3废水。药剂消耗包括盐酸、柠檬酸、氢氧化钠、次氯酸钠、阻垢剂、非氧化型杀菌剂、膜清洗剂及膜的更换费用,用量折合每吨水用量为6.42元/m3。拟配备工人1人,工资按3 200 元/(月·人)计,则人工费0.09元/m3,合计共计成本为8.59元/m3。工程实施后,中水回用系统所产生终端产水替代了原来使用的新鲜水,既有明显的经济效益,同时削减了COD排入水体的总量,对电镀企业的清洁生产也具有很好的参考意义[3]。

7 结论

1)多介质过滤器+超滤+反渗透的组合工艺应用于电镀生产废水的深度处理,反渗透产水水质中pH值、SS、COD、电导率检测指标均满足企业回用水的要求。产水回用于电镀生产用水,不仅减少了污水的总排放量,同时减少了企业对新鲜水的使用量,实现了电镀生产过程的清洁生产,具有一定的经济效益、社会效益和环境效益,在实际工程应用中具有借鉴意义。

2)在膜处理系统中,预处理是运行过程中的关键,不仅可以降低膜的污染,还减少了对膜的清洗频率,从而延长了膜的使用寿命,对膜系统能够正常稳定地运行起到保障作用。采用超滤和反渗透的双膜处理技术法应用于深度处理电镀废水,具有较好的抗污性和稳定性,对电镀行业的可持续发展具有重要意义。