基于膜污染控制的双膜法中水深度处理改进工艺及装置的制作方法

本发明属于中水深度处理技术领域，具体涉及基于膜污染控制的双膜法中水深度处理改进工艺及装置。

背景技术：

全球水资源短缺、水污染及水生态进一步恶化，但用水量和用水标准却进一步提升，再生水已成为国际公认的“城市第二水源”。日本、新加坡、美国、欧盟等发达国家和地区开展再生水研究和应用已有超过半个世纪的历史，而我国中水回用起步较晚。近年来中水回用越来越得到重视，根据住建部2016年统计公报，目前国内城市污水处理率达93.44%，再生水上升能力和利用量分别达2.762×10⁷m³/d和4.53×10⁹m³，再生水回用率达到10%左右。2015年颁布的“水污染防治行动计划”（水十条）对城镇污水处理率、用水总量控制、重点行业废水治理与工业取水指标进行了严格限制，积极推进再生水利用。因此，随着我国污水处理率和污水处理与回用要求的不断提高及工业取水用水的限制，再生水将成为未来一个重要的工业用水水源。

再生水中仍然存在一定的悬浮物、营养盐、金属离子、有机物及微生物等污染物，回用过程会造成腐蚀、结垢及微生物滋生的问题。因此中水回用必须进行深度处理以去除中水中的污染物，减轻腐蚀、结垢和微生物滋生等问题，其核心过程包括防腐、阻垢、有机物去除、脱盐和杀菌等。中水深度处理是减缓腐蚀、结垢和微生物滋生问题的最根本手段，由于中水水质的复杂性与用水标准的严格性，一般需要组合不同工艺以保障系统的稳定运行。工艺流程通常为“预处理—主体工艺(—深度处理)”，同时结合阻垢和杀菌工艺以保障系统的稳定性及产水的水质。中水深度处理主体工艺经历了从过滤沉淀、石灰混凝到双膜工艺的演变，目前热电厂中水回用采用的主体深度处理工艺包括石灰混凝、膜分离、曝气生物滤池(baf)等。随着水处理技术的发展和用水标准特别是对脱盐和有机物去除要求的提高，其他新型工艺包括、高级氧化、膜生物反应器(mbr)、电渗析(ed)、离子交换、微生物燃料电池、电吸附、电去离子脱盐(edi)等也在热电厂中水回用的预处理或深度处理中得到了研究和应用。此外，随着热电厂内部水回用及零排放的要求，中水回用过程中浓水的深度脱盐以提高水回用率的需求也在增加，热法脱盐技术、膜蒸馏(md)、ed等技术也逐渐应用于热电厂中水回用深度处理系统。

总体而言，尽管处理工艺呈现不断发展百花齐放的局面，但目前就工程应用而言基于“微滤/超滤—反渗透”的双膜法是应用最广泛的工艺。其具有分离效果好、分离速率快、操作管理简单等优势。但中水含有的微量悬浮物、有机物、阴阳离子、硅类、微生物等物质会导致膜出现有机、无机、微生物的污染，造成显著的污堵现象。ro膜为致密无孔膜，操作压力高，污染物浓缩率高，更易出现膜污堵，导致反冲洗频繁，降低膜的使用效率，甚至出现膜破损的风险，是中水回用的限制因素。

ro对进水有严格的限制，一般要求sdi小于5、余氯低于0.1mg/l、浊度低于1ntu等。为了解决膜污染问题，一般需要进行针对反渗透过程的预处理，主要是降低中水的悬浮物、胶体、有机物、微生物等浓度，抑制和控制微溶盐、金属氧化物和硅的沉积，防止出现严重的膜污堵。目前预处理工艺主要包括混凝沉淀、膜过滤、mbr、吸附、高级氧化等。总体而言，目前最主流的双膜法中水深度处理工艺路线为“(石灰)混凝-活性炭-超滤-反渗透”。通过石灰混凝过程进行硬度物质、悬浮物和部分有机物的去除；通过活性炭进行有机物的削减，进而实现膜污染的控制。该工艺存在如下缺陷：1)活性炭的吸附能力有限，因此活性炭再生和更换的周期短，造成运行维护的复杂性和存在污染物穿透的风险；2)ro膜为致密无孔膜，操作压力高，污染物浓缩率高，更易出现膜污堵，导致反冲洗频繁，降低膜的使用效率，甚至出现膜破损的风险，是中水回用的限制因素；为了降低膜污染的风险，该工艺浓缩倍率无法进一步提升，浓水量大，导致水回用率较低；3）经石灰混凝后原水ph较高，经过反渗透浓缩后易出现无机结垢。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟在常规双膜工艺的基础上实现有机、无机及微生物污染的控制，具体而言，通过采用臭氧活性炭工艺、利用co2调节ph、浓水臭氧氧化与回流等策略，以实现以下发明目的：

（1）提高活性炭再生周期；

（2）降低膜的污染，延长膜清洗周期；

（3）提高中水回用率；

（4）降低无机盐结垢，减缓无机膜污染。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

基于膜污染控制的双膜法中水深度处理改进工艺，包括预处理、臭氧活性炭处理、超滤处理、co2调节ph值、反渗透、反渗透浓水部分回流；所述反渗透浓水部分回流，反渗透浓水部分采用臭氧氧化后回流。

所述臭氧活性炭处理，臭氧投加量为2-5mg/l；所述co2处理，采用co2进行ph调节后，反渗透进水ph控制5.6-7.0。

所述反渗透浓水部分回流，反渗透浓水的回流比为1:4～1:1，采用臭氧氧化处理后，与原水混合，回流的反渗透浓水浓水和原水的混合比例为1:5～1:2；所述臭氧氧化处理，臭氧的投加量为2-5mg/l。

所述预处理，采用石灰混凝和砂滤进行中水预处理，包含絮凝剂/助凝剂和石灰的投加、混凝搅拌过程、沉淀或澄清过程、砂滤过程。

所述的混凝和砂滤过程具体操作参数根据中水水质进行调节，选用的絮凝剂为聚体类物质；选用的固液分离池为沉淀池、斜板沉淀池、机械加速澄清池、变孔隙滤池中的一种。

所述絮凝剂为氯化铝、氯化铁、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合氯化铁、聚合氯化铝铁、壳聚糖中的一种；所述助凝剂为聚丙烯酰胺。

所述预处理，石灰投加量为300-600mg/l，絮凝剂的投加量为200-300mg/l。

所述活性炭为工业活性炭、生物炭、改性活性炭、复合活性炭中的一种；

所述超滤，采用的超滤膜为中空纤维膜、平板膜或卷式膜，膜材料为醋酸纤维素、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯；

所述反渗透为低压反渗透膜工艺，膜组件为卷式膜组件。

所述装置包括混凝池、沉淀/澄清池、砂滤池、活性炭滤池、超滤装置、co2投加装置、保安过滤器、反渗透装置、臭氧发生及投加装置、混凝剂加药装置、石灰加药装置、排泥装置；所述混凝池、沉淀/澄清池、砂滤池、活性炭滤池、超滤装置、保安过滤器、反渗透装置依次连接，所述反渗透装置包括第一出口和第二出口；所述第一出口输出纯水，第二出口输出渗透浓水；所述第二出口通过反渗透浓水输送管道与混凝池连接，用于将反渗透浓水输送到混凝池，进一步和原水混合；

所述臭氧发生及投加装置，与活性炭滤池入口和反渗透浓水输送管道连接；所述臭氧发生及投加装置产生的臭氧分别投加到活性炭滤池和反渗透浓水输送管道；

所述co2投加装置的出口与中水输送管道连接，连接点位于超滤池和反渗透池之间；

所述混凝剂加药装置和石灰加药装置与混凝池连接；所述排泥装置连接沉淀/澄清池。

与现有技术相比，本发明取得以下技术效果：

(1)本发明考虑到活性炭的吸附能力有限，将臭氧作为氧化剂应用到活性炭滤池实现有机物的氧化，恢复活性炭吸附性能，因而提高活性炭再生周期，再生周期可由原来的1周提升至4-6周；同时提高有机物的处理效果，降低有机污染物穿透的风险，减缓有机膜污染；另外，臭氧可以作为杀菌剂，可以实现微生物的控制，一定程度上控制微生物污染。

（2）本发明可以显著的实现有机与无机污染的控制，保障膜过程的稳定运行，延长膜清洗周期，在夏季有机和微生物污染爆发的高峰期，膜的清洗周期由1个月延长到1.5-2个月，显著的实现了膜污染的控制。

（3）本发明可以有效减缓膜污染的发生、提高中水回用率达80%，降低运行投资费用约40%等。

本发明将反渗透浓水部分回流，通过臭氧进行浓水有机物的部分去除，然后与原水混合进行处理，可以显著提高中水回用率，降低整体中水深度处理过程的投资运行费用。

（4）本发明采用co2调节ph，降低无机盐结垢的潜势，减缓无机膜污染；同时，co2是工业行业的主要排放气体，可以实现废气的利用和碳减排。

（5）本发明采用低压反渗透过程，可以在保障回用水质的条件下降低运行能耗、减缓膜污染。

附图说明

图1：本发明采用的中水深度处理工艺及装置流程图

图中：1-混凝池、2-沉淀/澄清池、3-砂滤池、4-活性炭滤池、5-超滤装置、6-反渗透装置、7-混凝剂加药装置、8-石灰加药装置、9-排泥装置、10-臭氧发生及投加装置、11-co2投加装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1基于膜污染控制的双膜法中水深度处理改进工艺

本实施例的中水原水水质指标如下：ph为7.68、电导为1804μs/cm、色度为60、cod为42mg/l、toc为12.46mg/l、氨氮含量为0.4mg/l、总氮含量为12.76mg/l、总磷含量为0.06mg/l。

所述中水深度处理过程具体步骤如下：

（1）预处理

采用石灰混凝和砂滤进行预处理，石灰投加量为500mg/l，絮凝剂为聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合氯化铁、聚合氯化铝铁等聚体类物质中的一种，投加量为250mg/l，助凝剂为聚丙烯酰胺（pam），投加量为2.5mg/l；

所述聚丙烯酰胺，cas号为9003-05-8，分子式为(c3h5no)n；

经预处理后水的ph为8.07、电导为1787μs/cm、色度为40、cod为35mg/l、toc为11.5mg/l、氨氮含量为0.381mg/l、总氮含量为12.422mg/l、总磷含量为0.01mg/l。

（2）臭氧活性炭处理

采用臭氧活性炭进行氧化处理和有机物吸附，臭氧投加量为3mg/l，经处理后水的ph为8.02、电导为1789μs/cm、色度为10、cod为21mg/l、toc为8.24mg/l、氨氮含量为0.362mg/l、总氮含量为10.601mg/l、总磷含量为0.02mg/l。

（3）超滤

采用超滤进行进一步处理，超滤采用的中空纤维膜组件，经超滤处理后水的ph为7.92、电导为1787μs/cm、色度为10、cod为23mg/l、toc为7.96mg/l、氨氮含量为0.311mg/l、总氮含量为10.533mg/l、总磷含量为0.01mg/l。

（4）co2调节ph

采用co2进行ph调节，反渗透进水ph控制6.8-7.5。

（5）保安过滤

保安过滤器为反渗透前的保安装置，本实施例选用的保安过滤滤芯为0.5μm。

（6）反渗透

反渗透采用的是两段式的反渗透，都采用的是卷式的膜组件，反渗透过程的混合出水ph为6.55、电导为51.9μs/cm、色度为0、cod≤1ppm、toc为≤1ppm、氨氮含量为≤1ppm、总氮含量为0.817mg/l、总磷含量为0.003mg/l；

反渗透浓水ph为8.10、电导为6530μs/cm、色度为90、cod为93mg/l、toc为26.2mg/l、氨氮含量为6.8mg/l、总氮含量为50.033mg/l、总磷含量为0.83mg/l。

（7）反渗透浓水的回流

将反渗透浓水部分回流，回流比为1:3～1:2，通过臭氧进行浓水有机物的部分去除，臭氧投加量为3mg/l，然后与原水混合进行处理，回流的浓水和原水的混合比例为1:4～1:3，可以显著提高中水回用率，中水回用率可由现有技术的的60%提升至80%，降低整体中水深度处理过程的投资运行费用。

采用上述运行策略，可以显著的实现有机与无机污染的控制，保障膜过程的稳定运行，延长膜清洗周期。与未经优化的对照组相比，在夏季有机和微生物污染爆发的高峰期膜的清洗周期由1个月增加到1.5-2个月，显著的实现了膜污染的控制。

实施例2基于膜污染控制的双膜法中水深度处理改进装置

所述装置包括混凝池1、沉淀/澄清池2、砂滤池3、活性炭滤池4、超滤装置5、co2投加装置11、反渗透装置6、臭氧发生及投加装置10、混凝剂加药装置7、石灰加药装置8、排泥装置9；所述混凝池1、沉淀/澄清池2、砂滤池3、活性炭滤池4、超滤装置5、保安过滤器、反渗透装置6依次连接，所述反渗透装置6包括第一出口和第二出口；所述第一出口输出纯水，第二出口输出渗透浓水；所述第二出口通过反渗透浓水输送管道与混凝池1连接，用于将反渗透浓水输送到混凝池1，进一步和原水混合；

所述臭氧发生及投加装置10，与活性炭滤池4入口和反渗透浓水输送管道连接；所述臭氧发生及投加装置10产生的臭氧分别投加到活性炭滤池4和反渗透浓水输送管道；

所述co2投加装置11的出口与中水输送管道连接，连接点位于超滤池和反渗透池之间；

所述混凝剂加药装置7和石灰加药装置8与混凝池1连接；所述排泥装置9连接沉淀/澄清池。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。