楊海燕

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化分公司研究院防腐研究中心,新疆 獨(dú)山子 833699)

在中水回用循環(huán)水的運(yùn)行過(guò)程中，中水的水質(zhì)直接影響循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕、結(jié)垢傾向。研究開(kāi)發(fā)中水深度凈化工藝，進(jìn)一步提升中水水質(zhì)，可以提高中水回用循環(huán)水的回用效率和保障循環(huán)水系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，并能有效抑制系統(tǒng)的結(jié)垢、腐蝕等問(wèn)題。臭氧氧化-組合填料濾池工藝和電滲析工藝是常用的中水深度處理工藝，為了能進(jìn)一步提升中水水質(zhì)，單獨(dú)或聯(lián)用工藝采用以上兩種技術(shù)對(duì)中水進(jìn)行深度處理，可降低中水濁度、懸浮物、COD、電導(dǎo)率、鐵離子含量、氯離子含量和硫酸根含量等。

1 中水深度凈化技術(shù)方案

1.1 臭氧氧化-組合填料濾池工藝

1.1.1 工藝技術(shù)

臭氧氧化-組合填料濾池工藝是將臭氧氧化與組合填料(活性炭、陶粒、錳砂)的過(guò)濾、吸附相結(jié)合的組合工藝。此工藝先發(fā)揮臭氧的強(qiáng)氧化能力，將中水中有機(jī)物消解或氧化成可被生物降解的小分子有機(jī)物，再利用活性炭和陶粒良好的吸附能力將小分子有機(jī)物吸附、過(guò)濾；同時(shí)錳砂能將水中二價(jià)鐵離子氧化為三價(jià)鐵離子，再經(jīng)過(guò)吸附過(guò)濾從而去除水中鐵離子，最終達(dá)到降低水中濁度、COD和懸浮物、鐵離子含量的目的。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備:臭氧氧化-組合填料濾池；

設(shè)計(jì)處理量：10～30 L/h；

增壓泵額定揚(yáng)程：8 m；

臭氧反應(yīng)器容積：15 L；

臭氧發(fā)生量：5 g/h；

濾料用量：各5 kg。

1.1.3 分析用儀器

COD：DR2700分光光度計(jì)；

消解儀:DRB200；

濁度：2100N濁度儀；

pH計(jì)：S220酸度分析儀；

電導(dǎo)率：SG7電導(dǎo)率儀；

HM AP-2便攜式電導(dǎo)率測(cè)試筆；

鐵離子：DR2700分光光度計(jì)；

氯離子、硫酸根：DX-320離子色譜儀。

1.2 電滲析工藝

1.2.1 工藝技術(shù)

為提高循環(huán)水濃縮倍率，不但要降低中水的COD、濁度，還要降低其電導(dǎo)率及氯離子、硫酸根等易腐蝕或結(jié)垢離子的含量。電滲析脫鹽是利用離子交換膜的選擇透過(guò)性,陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)，阻擋陰離子通過(guò)，陰離子交換膜只允許陰離子通過(guò)，在外加直流電場(chǎng)的作用下，水中離子作定向遷移，使一路水中大部分離子遷移到另一路水中去，從而達(dá)到含鹽水淡化、降低電導(dǎo)率的目的。因此，為提高中水回用循環(huán)水的濃縮倍率，可采用電滲析技術(shù)降低中水中的含氯離子、硫酸根離子等可溶性無(wú)機(jī)鹽含量，減少循環(huán)水系統(tǒng)管道和換熱器等的腐蝕結(jié)垢。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備：小型電滲析設(shè)備；

設(shè)計(jì)處理量：10～30 L/h；

增壓泵額定揚(yáng)程：8 m；

電滲析電壓：0～50 V；

隔板尺寸：400×150 mm；

膜對(duì)總數(shù)：100對(duì)。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 臭氧氧化-組合填料濾池工藝

2.1.1 臭氧氧化試驗(yàn)

以臭氧為氧化劑，消解水中的有機(jī)物,控制臭氧發(fā)生器的臭氧產(chǎn)量為5 g/h,調(diào)節(jié)中水進(jìn)水流量分別為10,15,20,25,30 L/h，測(cè)量臭氧發(fā)生器出水的COD，考察在臭氧曝氣量恒定條件下，出水COD隨進(jìn)水流量的變化(見(jiàn)圖1)，探索最佳停留時(shí)間。由圖1可以看出,隨著進(jìn)水流量的降低，進(jìn)水在臭氧反應(yīng)器中的停留時(shí)間增加,出水COD呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。流量20 L/h處為一個(gè)拐點(diǎn)，其后隨著流量繼續(xù)降低，出水COD下降趨勢(shì)減緩，考慮到臭氧氧化處理效率，選擇20 L/h為最佳進(jìn)水流量，即水體在臭氧環(huán)境中停留時(shí)間為45 min。

2.1.2 組合填料濾池試驗(yàn)

將流量為20 L/h水進(jìn)入臭氧反應(yīng)器，其出水分別進(jìn)入活性炭、陶粒、錳砂三種過(guò)濾介質(zhì)，測(cè)量各組合出水的COD、濁度和鐵離子質(zhì)量濃度(見(jiàn)圖2)，考察各組合的出水水質(zhì)。由圖2可以看出臭氧氧化出水只經(jīng)過(guò)活性炭過(guò)濾后的水質(zhì)優(yōu)于其他各組合，陶粒和錳砂分別被廣泛用來(lái)降低濁度和鐵離子含量，但在該試驗(yàn)中效果卻不好，主要原因是試驗(yàn)裝置進(jìn)水量小，試驗(yàn)時(shí)間較短，無(wú)法將陶粒和錳砂中的粉末徹底沖洗去除而影響水質(zhì)分析結(jié)果。針對(duì)該試驗(yàn)處理體系，選擇臭氧氧化+活性炭組合工藝已能夠滿足中水處理要求，處理后COD、濁度、鐵離子質(zhì)量濃度等均明顯降低，但處理前后電導(dǎo)率沒(méi)有明顯變化。

圖2 組合工藝的出水水質(zhì)

2.1.3 試驗(yàn)小結(jié)

采用臭氧氧化+活性炭組合工藝，在臭氧發(fā)生量5 g/h、進(jìn)水流量20 L/h(即水體在臭氧環(huán)境中停留45 min)的操作條件下，中水經(jīng)處理后COD、濁度、鐵離子濃度明顯降低，但電導(dǎo)率沒(méi)有明顯變化，還需要電滲析脫鹽工藝才能降低電導(dǎo)率。

2.2 電滲析試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

將電滲析儀濃水箱和極水箱各注滿一半體積(36 L)的水。通過(guò)流量計(jì)調(diào)節(jié)原水、濃水、極水三股水流量一致，水流量在10～30 L/h可調(diào)節(jié)。打開(kāi)電滲析的直流電源，電壓在10～50 V可調(diào)節(jié)，不同電壓下，電滲析電流不同。電滲析產(chǎn)水外排到自來(lái)水的水槽，濃水和極水循環(huán)回到濃水箱和極水箱，每隔2 h倒極運(yùn)行5 min以減輕膜污染。測(cè)量原水和不同流量(10,15,20,25,30 L/h)及不同電壓(10,20,30,40,50 V)下產(chǎn)水的電導(dǎo)率，探索電滲析脫鹽率與電壓、進(jìn)水流量之間的關(guān)系(見(jiàn)表1)。

表1 不同電壓和流量下的產(chǎn)水電導(dǎo)率 μS/cm

從表1可見(jiàn)，雙因素方差分析結(jié)果表明電滲析電壓和進(jìn)水流量對(duì)脫鹽率均有明顯影響，但電壓的影響比進(jìn)水流量更明顯，因試驗(yàn)裝置的電壓可調(diào)范圍為0～50 V，因而選擇50 V為最佳操作電壓。在50 V操作電壓下，從綜合分析數(shù)據(jù)及脫鹽率考慮，選擇20 L/h為最佳進(jìn)水流量，電導(dǎo)率可降低60%左右。

通過(guò)測(cè)量10 min內(nèi)進(jìn)入電滲析的原水體積和電滲析的產(chǎn)水體積可以測(cè)得電滲析裝置的產(chǎn)水率，在上述最佳操作條件下，電滲析產(chǎn)水率高達(dá)96%，一小部分的損失可能是測(cè)量誤差或者電滲析膜部分漏水所導(dǎo)致。

不同操作條件下的水質(zhì)與能耗關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 不同操作條件下水質(zhì)與能耗

由表2可以看出：?jiǎn)渭円悦擕}率為指標(biāo)，電滲析的流量10 L/h，電壓50 V，電滲析設(shè)備的脫鹽率達(dá)到66.31%，噸水能耗為0.31 kW·h。脫鹽率固定在50%左右，以噸水能耗為指標(biāo)，流量20 L/h，電壓30 V為最優(yōu)操作條件，此時(shí)的噸水能耗為 0.11 kW·h。脫鹽率固定在60%左右，以噸水能耗為指標(biāo)，流量15 L/h，電壓40 V為最優(yōu)操作條件，此時(shí)的噸水能耗為0.16 kW·h。

另外，在電滲析操作中，還可以用中水回收率為指標(biāo)。選定濃水流量為10 L/h，脫鹽水流量為30 L/h，這樣中水的回收率為75%。選定脫鹽率為50%，此時(shí)的優(yōu)化條件，操作電壓為40 V比較合適。

2.2.2 試驗(yàn)小結(jié)

電滲析裝置能有效降低中水的電導(dǎo)率，雙因素方差分析結(jié)果表明:電滲析電壓和進(jìn)水流量對(duì)脫鹽率均有明顯影響，但電壓的影響比進(jìn)水流量更大，最佳操作條件為電壓50 V，進(jìn)水流量20 L/h，電導(dǎo)率可降低60%左右。

2.3 組合工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

將臭氧氧化-活性炭組合工藝和電滲析工藝探索出的最佳操作條件進(jìn)行聯(lián)用，即中水經(jīng)過(guò)臭氧氧化-活性炭組合工藝后進(jìn)入電滲析裝置，或者中水先經(jīng)過(guò)電滲析再進(jìn)入臭氧氧化-活性炭組合裝置?？刂瞥粞跹趸?活性炭組合裝置的運(yùn)行條件為臭氧發(fā)生量5 g/h、進(jìn)水流量20 L/h，控制電滲析裝置的運(yùn)行條件為電滲析電壓50 V、進(jìn)水流量20 L/h，測(cè)量中水和經(jīng)過(guò)兩個(gè)裝置處理后的出水水質(zhì),結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 中水經(jīng)過(guò)兩個(gè)裝置后的出水水質(zhì)

從表3可以看出，臭氧氧化-活性炭吸附工藝對(duì)濁度、COD、鐵離子含量有些降低，但效果不如電滲析，且其對(duì)降低電導(dǎo)率、氯離子含量和硫酸根含量沒(méi)有作用。電滲析工藝不但對(duì)降低電導(dǎo)率、氯離子含量和硫酸根含量效果顯著，而且還能有效降低濁度、COD和鐵離子含量。但電滲析出水再經(jīng)過(guò)臭氧氧化-活性炭工藝后，水質(zhì)反倒變得差一些，電導(dǎo)率、濁度、COD、硫酸根等均有少量上升，可能是因?yàn)榛钚蕴抠|(zhì)量較差。組合工藝驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明:單獨(dú)的電滲析工藝就可以很好地提升中水水質(zhì)，尤其是在脫鹽效果方面，脫鹽率能達(dá)到60%，因而在后續(xù)中試試驗(yàn)中單獨(dú)采用電滲析工藝。

電滲析裝置濃水池36 L新水在處理100 L中水后，因?yàn)闈馑h(huán)過(guò)程中，中水中的離子在直流電場(chǎng)作用下不斷往濃水中遷移，電導(dǎo)率從261 μS/cm上升到436 μS/cm；另外在電滲析運(yùn)行過(guò)程中中水的COD降低，濃水側(cè)的COD也會(huì)逐漸上升，處理100 L中水后濃水COD從最初的不足0.3 mg/L上升到6.75 mg/L。

3 結(jié) 論

(1)從降低電導(dǎo)率和COD等方面綜合分析表明：電滲析工藝的水處理效果優(yōu)于臭氧氧化-組合填料濾池工藝。電滲析技術(shù)既可以降低中水電導(dǎo)率，又可有效降低COD。

(2)電滲析試驗(yàn)結(jié)果表明：電滲析法能有效降低中水的電導(dǎo)率，最佳操作條件為電壓50 V，進(jìn)水流量20 L/h，電導(dǎo)率可降低60%左右。