钢铁企业反渗透预处理工艺的研究姚力

钢铁企业反渗透预处理工艺的研究姚力1，2，李士琦1，高金涛1，庞永刚1，周春芳1（1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2.唐山钢铁集团有限责任公司，河北唐山063016）［摘要］针对唐钢综合废水的水质，采用混凝沉降—多介质过滤器—臭氧活性炭过滤器等预处理工艺对该水进行反渗透预处理。通过静、动态试验，调整混凝剂PAC，助凝剂PAM，其他助剂HCl、NaClO以及臭氧的投加量，最大限度地去除水中的悬浮物、胶体、有机物、金属离子等导致反渗透膜污染的物质，使处理后出水水质达到反渗透膜进水要求。［关键词］反渗透预处理工艺；混凝；臭氧；活性炭［中图分类号］P747.5；TU991.22［文献标识码］A［文章编号］1005-829X（2011）02-0021-04StudyontheROpretreatmentatironandsteelenterprisesYaoLi1，2，LiShiqi1，GaoJintao1，PangYonggang1，ZhouChunfang1（1.MetallurgicalandEcologicalEngineeringSchool，BeijingUniversityofScienceandTechnology，Beijing100083，China；2.TangshanIronandSteelGroupCo.，Ltd.，Tangshan063016，China）Abstract：AimingatintegratedqualityofwastewaterfromTangshanIronandSteelCo.，thepretreatmentprocesscoagulation-multimediafilter-ozoneactivatedcarbonfilterareusedforcarryingthroughtheROpretreatmentofthewastewater.Throughstaticanddynamictests，thedosagesofcoagulantPAC，coagulantPAM，otheradditivesHCl，NaClOandozoneareadjusted.Thefactorssuchassuspendedsolids，colloids，organicmatter，metalions，etc.inwater，whichresultsinROmembranefouling，areremovedtotheutmostextent，sothatthequalityofthetreatedeffluentcanmeettheinfluentwaterrequirementsofreverseosmosismembrane.Keywords：technologyofreverseosmosispretreatment；coagulation；ozone；activatedcarbon钢铁工业是我国国民经济基础产业和工业体系重要组成部分，每年用水量和排放废水量巨大。将钢铁企业的综合污水进行处理后回用，既可以解决用水短缺问题，又有效地利用了水资源，极大地减少了污水排放量，是一条低成本、见效快的节水减排途径〔1-3〕。目前钢铁行业净化工艺较为先进且常用的技术是反渗透膜法，它所具有的特点使其在水处理领域得到了广泛的应用〔4-8〕。反渗透装置要长期安全地运行，必须重视预处理，使预处理出水满足反渗透进水的要求。通常需要对原水进行适当的预处理以去除原水中存在的悬浮物、胶体、有机物等，预处理方式包括混凝、澄清、砂滤、活性炭过滤等〔9〕。唐山钢铁集团有限责任公司（以下简称唐钢）确定了以多介质过滤—活性炭过滤—微滤—反渗透为主的水处理技术路线。对废水的预处理工艺进行静、动态实验及现场试验研究，经过混凝、澄清、砂滤、活性炭过滤处理后，水的浊度能够降低到0.1~1NTU，污染指数（SDI）能够降低到1以下。在原水水质较差时，可以为反渗透提供最大限度的保护，大大延长下游工艺中反渗透膜的寿命。1反渗透预处理工艺1.1唐钢综合污水水质分析唐钢综合废水是典型的钢铁工业废水，集炼铁、炼钢、连铸、轧钢、煤气洗涤等工艺用水为一体，并混有少量生活污水，含有大量的悬浮物、胶体、有机物、金属离子和无机盐，并且水质变化幅度大，具体水质状况如下：pH=9.2、钙硬度60mg/L、镁硬度20mg/L、总硬度400mg/L、总碱度150mg/L、总Fe12mg/L试验研究工业水处理IndustrialWaterTreatmentVol．31No．2Feb．，2011第31卷第2期2011年2月21（质量浓度，下同）、Cl-232mg/L、SiO218.5mg/L、油18.9mg/L、TDS1000mg/L、SS170mg/L、COD80mg/L、BOD511mg/L、电导率2500μS/cm。1.2反渗透预处理工艺针对上述原水水质情况及反渗透膜进水水质要求，确定预处理工艺流程见图1。其作用是去除原水中的悬浮物、胶体、有机物及微生物、重金属离子等容易引起膜污染的物质，使处理后的出水满足要求。图1反渗透预处理工艺流程由于胶体悬浮物细小、与介质电荷排斥等缘故，单独使用过滤器对胶体的去除所起的作用很小。在这种情况下，必须在过滤前向原水中投加混凝剂、助凝剂，以大幅度地提高多介质过滤器效率〔18〕。1.3试验方法及仪器（1）试验方法：碘量法测臭氧量；高锰酸钾法测COD；分光光度法测铁、锰含量。（2）试验仪器：pH计，SDI测定仪，浊度测定仪，静态混凝装置，油含量测定仪，722分光光度计。2结果与讨论2.1混凝处理对多介质过滤器出水水质的影响首先通过静态烧杯试验初步确定混凝剂、助凝剂种类和加入量范围。在原水中投加混凝剂、助凝剂有助于增大污染颗粒的几何尺寸和改变污染颗粒的表面化学特性，从而提高多介质过滤器的截留效率。混凝效果决定了多介质过滤器产水水质，应根据水处理工艺要求，选择合适的混凝剂和助凝剂。本次试验选用的混凝剂有聚合氯化铝（PAC）和三氯化铁（FeCl3），助凝剂选用了聚丙烯酰胺（PAM）。2.1.1静态试验不同加入量的PAC和FeCl3对原水的静态混凝效果不同。试验可以看出：上清液浊度随着混凝剂投入量增加而降低，矾花逐渐增多增大；当投入量＞15mg/L以后，浊度降幅缓慢；PAC加入量在15~20mg/L之间形成的矾花较大而且沉降速度快。初步确定PAC的投入量为15mg/L。比较PAC和FeCl3的絮凝效果，投加FeCl3的矾花细小，上清液色度大，浊度高。单加混凝剂烧杯试验结果表明，PAC的混凝效果要优于FeCl3。由前一轮试验确定以PAC作为混凝剂，投加量为15～20mg/L。根据经验和试验数据比较后选定PAC投加量为15mg/L，在水样温度为28℃，水样浊度为5.84NTU情况下，改变PAM投加量，观察不同剂量PAM的混凝效果。结果见表1。表1PAM加入量对混凝效果的影响由表1可知，随着PAM剂量的增加，上清液浊度逐渐降低；当PAM剂量达到0.4mg/L时，矾花大且沉淀速度最快；剂量继续增大时，上清液浊度出现上升趋势。确定PAM的投加质量浓度为0.4mg/L。2.1.2动态试验静态试验确定了混凝剂和助凝剂的加药质量浓度：PAC为15mg/L，PAM为0.4mg/L。由于静态试验加药量一般比动态运行（实际运行）加药量偏高，还需要在动态试验中进一步确定多介质过滤器的运行参数。根据原水的特点和反渗透的进水要求，动态试验中将SDI和出水浊度作为多介质过滤器产水水质的重要评价指标。设定多介质过滤器的产水量为240m3/h，反洗时间定在30min条件下运行，每个运行周期为9h，前10个周期PAC的投加质量浓度是10mg/L，中间10个周期PAC的投加质量浓度是15mg/L，后10个周期的PAC的投加质量浓度为20mg/L。每个周期PAC的加量对多介质过滤器出水水质的影响见图2。图2PAC加药量对出水水质的影响由图2可看出，PAC投加质量浓度为15mg/L时比10mg/L的出水浊度和SDI小，但与投加质量浓度为20mg/L的情况相差不大，确定PAC的投加质量浓度为15mg/L。单加PAC的多介质过滤器出水SDI较高，虽然能满足反渗透进水SDI＜5的要求，但是还存在着风险。由于原水水质偏碱性，而PAC投加质量浓度为PAM剂量/(mg·L-1)0.10.20.30.40.50.6上清液浊度/NTU2.972.422.081.831.972.21矾花效果差较好好好较好一般试验研究工业水处理2011－02，31（2）2215mg/L，在pH为6～8时才有较好的混凝效果，加盐酸调节pH为7左右后，对水质的影响见图3。由图3可知，多介质过滤器出水的浊度有所下降，但是SDI仍然偏高。图3用HCl调pH对出水水质的影响原水平均温度为30℃左右，水与空气接触且阳光充足、营养物质丰富，为微生物生长创造了有利条件。因此，考虑在多介质过滤器前投加杀菌剂NaClO。在PAC的投加质量浓度为15mg/L、盐酸调pH至7左右的条件下，在原水中投加NaClO，不同投加量的NaClO对出水水质的影响见图4。图4NaClO投加量对出水水质的影响从图4可以看出，当NaClO投加质量浓度在5～6mg/L时，出水浊度稳定在0.2NTU，SDI明显降低，且稳定＜3，已基本满足了反渗透的进水要求。在静态试验中，投加PAM后多介质过滤器对浊度的去除效果良好，继续考察在动态试验中加PAM对混凝效果起到的作用。在投加盐酸将pH调至7左右，PAC的投加质量浓度为15mg/L，NaClO为6mg/L的条件下，考察了不同PAM投加量对多介质过滤器出水水质的影响，结果见图5。图5PAM投加量对出水水质的影响从图5可以看出，相比没有投加PAM，投加了PAM后，出水的浊度、SDI都增大了。初步分析投加了助凝剂后反而会使出水水质变差的原因：聚丙烯酰胺是高分子物质，在处理高浊度水时具有很好的絮凝效果；而其用于高温、低浊废水时则絮凝效果减弱，转为对胶体产生保护作用，使胶粒电荷变号或使胶粒被包卷而重新稳定（常称作“再稳”现象）。另外，在多介质过滤器前继续投加PAM，将会造成污染颗粒在反渗透膜上沉积，堵塞反渗透膜。2.2臭氧活性炭技术对污染物的控制目前国内水处理使用的活性炭能有效地去除小分子有机物，较难去除大分子有机物，而水中大多为大分子有机物，所以活性炭孔的表面积得不到充分的利用，势必加速处理水有机物饱和，造成周期的缩短。但在炭前或炭层中投加臭氧后，改变其分子结构形态，使水中的大分子转化为小分子，提供了有机物进入较小孔隙的可能性，使大孔内与炭表面的有机物得到氧化分解，减轻了活性炭的负担，使活性炭可以充分吸附未被氧化的有机物，更好地发挥活性炭的吸附作用，从而达到水质深度净化之目的〔10-13〕。2.2.1臭氧活性炭深度处理单元对色度的去除针对原水水质，将臭氧投加质量浓度确定为1.5mg/L，臭氧活性炭对色度的去除效果见图6。图6臭氧活性炭工艺色度变化曲线由图6可以看出，臭氧活性炭工艺对滤后水色度的平均去除率达到70%以上，平均色度从15度降到4度以下，说明臭氧生物活性炭工艺有很好的脱色效果。2.2.2臭氧活性炭深度处理单元对臭味的去除唐钢循环冷却排污水的二级处理出水有一定的异臭味，经过臭氧活性炭工艺的深度处理，异臭物质降低85%左右，水中臭味已明显得到去除，对臭味的去除效率非常高，水的感官性状明显得到改善。2.2.3臭氧活性炭深度处理单元对有机物的去除（1）CODMn的去除。臭氧活性炭对CODMn的去除效果见图7。由图7可知，进水的平均CODMn为15mg/L，臭工业水处理2011－02，31（2）姚力，等：钢铁企业反渗透预处理工艺的研究23氧活性炭出水CODMn为5mg/L，对CODMn的平均去除率为67％。图7臭氧活性炭对CODMn的去除效果（2）油的去除。单是从出水的情况来看，臭氧活性炭工艺对钢铁工业废水中的油污染有很好的去除作用，平均油质量浓度从原水的4mg/L降到活性炭过滤器出水的0.5