中水回用在中國已有近30年歷史,早在1973年東方紅煉油廠就已經將二級處理過的部分污水回用于循環水系統,此后又有多家企業逐漸采用中水做系統補水,但由于受污水系統處理效果影響,中水水質不穩定,影響了中水回用的實際應用效果〔1〕。筆者所在廠于2009年在排水車間增加一套200 t/h的污水回用處理裝置,主要工藝流程如圖 1所示。
?圖 1 中水回用工藝流程
受中水水源及處理量等因素影響,2012年以來,中水主要作為一循系統補水使用,回用量根據生產需要,控制在50~90 t/h,回用率30%~60%。
1 中水回用對循環水系統產生的影響
中水作為補充水回用循環水系統時,需要控制各項指標合格,才能減小對循環水系統的水質影響,但在實際使用過程中,由于污水處理過程中不可控因素較多,中水回用時水質易頻繁波動,短期內對循環水系統影響較小,若持續時間較長,則會引起循環水控制指標異常,給循環水的運行管理造成困難。回用控制指標如表 1所示。
1.1 氨氮的影響
筆者所在廠一般直接使用達標污水做中水處理水源,但當污水處理廠受到外部來水沖擊時,氨氮處理效果將會受到影響,最終體現在中水處理環節時,就會引起中水氨氮超標。氨氮超標時,將會對循環水水質及加藥控制等多方面產生影響。
(1)引起循環水pH偏低。氨氮會在細菌的作用下發生硝化反應,產生H+,造成循環水pH異常波動。統計2013年9月份回用中水氨氮含量與循環水pH數據如圖 2所示。
?圖 2 中水氨氮質量濃度與循環水pH變化趨勢
由圖 2可見,循環水pH隨著中水氨氮質量濃度的升高而降低,當氨氮質量濃度達到最高值21.70mg/L時,pH達到最低7.80,當氨氮值從9月18日開始緩慢降低后,循環水pH逐漸上升。從整體趨勢來看,9月份中水氨氮平均質量濃度為3.79 mg/L,而循環水pH均值為8.15,接近于控制下限8.0運行,說明9月份pH受中水氨氮含量偏高影響較大,整體運行偏低,若不及時調整,會大大增加系統腐蝕風險。
(2)增加循環水異養菌控制難度。氮、磷本身即為菌藻類生長的必需營養元素,氨氮含量較高時,可以為細菌提供充足的營養物質,若在其適應的溫度環境下,會大量繁殖,容易增加系統管道內生物黏泥量,這些生物黏泥附著在設備表面,不僅影響換熱效果,還會促進垢下腐蝕現象的發生。
(3)增加循環水殺菌劑耗量。循環水場目前使用的殺菌劑主要為氧化性活性氯殺菌劑,而氨氮能與活性氯發生氧化還原反應,生成氯胺,從而使水體中直接起到殺菌作用的游離氯濃度降低,中水氨氮與循環水余氯質量濃度變化趨勢如圖 3所示。
圖 3 中水氨氮與循環水余氯質量濃度變化趨勢
由圖 3可見,整個9月份循環水余氯平均質量濃度維持在0.13 mg/L左右,而正常夏季生產余氯值需保持在0.2 mg/L左右才能較好地保證殺菌效果。另一方面,為了保證殺菌效果,維持循環水中一定濃度的余氯濃度就必須加大殺菌劑的投加量,這樣不僅增加了生產成本,而且水體中氯根過高,也會加劇設備腐蝕速率。
1.2 堿硬度的影響
鈣硬度和甲基橙堿度之和稱為循環水容忍度,是循環水結垢風險高低的一項重要判斷指標,一般按照《工業循環水運行管理規定》要求,建議最適應的控制范圍應小于1 100 mg/L。在實際生產過程中,根據一循運行多年的經驗,最適應的控制范圍應小于900 mg/L,若超過這個控制界限,將會導致系統結垢風險加劇,同時也會引起循環水pH等指標異常。中水回用后,引起了循環水堿度和硬度變化,產生了一些問題。
(1)增加結垢風險。中水水質指標正常時,容忍度基本維持在800 mg/L左右運行,而中水自身堿度偏高時,則會引起循環水容忍度上升。 2013年4月中水堿度超標時,循環水總堿度全月運行在500mg/L以上,容忍度也超過900 mg/L,且連續超標嚴重。
(2)引起pH偏高。循環水pH主要受中水OH-、HCO3-和CO32-含量的影響,在同一個水系統中堿度的大小也間接反映pH的高低,即堿度高時,pH相對較大;堿度低時,pH相對較小。正常情況下,水體中的pH受OH-、HCO3-和CO32-三者制約,會達到一定的平衡狀態：
2HCO3-→H2O+CO2+CO32-
當pH過高時,CO32-濃度增高,因為CaCO3的溶度積較小,勢必會增加系統的結垢風險〔2〕。2013年4月中水堿度不達標時,引起循環水pH偏高,全月pH均值達到9.1左右,接近工藝控制上限運行。
1.3 電導率的影響
電導率反映了水中各種可導電離子的多少,過高的電導率表明水體中各種鹽類含量較高,而含鹽量高則會不可避免地增加系統腐蝕的潛在風險。
一循環在回用中水前電導率基本運行在1 800~2 000 μS/cm左右,但當引入達標中水后,由于其電導率一般是新鮮水作補水時的2~3倍,使得循環水電導率迅速上升至2 300~2 500 μS/cm運行。當中水電導率超過1 200 μS/cm的控制界限時,將會進一步導致循環水電導率大幅攀升,中水電導率與循環水電導率變化趨勢如圖 4所示。
?圖 4 中水電導率與循環水電導率變化趨勢
由圖 4可見,2013年4月循環水電導率隨中水電導上升而上升,當中水電導率達到2 086 μS/cm時,循環水電導率達到最高值3 810 μS/cm。過高的電導率致循環水場必須進行適量排污換水,不僅浪費了新鮮水,而且增加了藥劑費用。排污后循環水濃縮倍數降低,也將進一步增加后期水耗。
1.4 余氯的影響
中水在經提升泵送往循環水場前,也需要進行殺菌消毒,目前使用的殺菌劑為強氯精。由于化驗分析計劃僅對細菌含量做定期分析,余氯監測需要班組人員自行采樣分析,這就造成中水余氯監測的不規律性,同時個人操作手法的差異也會造成余氯值檢測的準確性降低,投加強氯精后容易引起中水余氯值的波動。通過觀察2011年中水與循環水余氯變化趨勢發現:2011年中水全年余氯控制整體偏高,均值達到8.0 mg/L,波動也較大,回用循環水場后,造成循環水余氯波動。
(1)引起循環水氯根升高。對于不銹鋼鋼材質換熱器,氯離子質量是誘發換熱器點蝕的重要因素,若金屬材料的殘余應力未消除或有較高溫度時,氯離子質量的存在就會造成應力腐蝕開裂[3]。循環水場一般控制氯離子和硫酸根離子的濃度,但由于硫酸根對循環水系統的直接影響不大,大約為氯離子的1/10,且在日常生產中,中水帶入的硫酸根數量較少,故需要重點關注氯離子的濃度。
在引入中水前,循環水中氯離子質量濃度普遍 維持在150~250 mg/L之間,但回用中水后,氯離子質量濃度則升至300~450 mg/L之間運行,當中水氯離子質量濃度超過200 mg/L時,則會引起循環水氯離子濃度進一步上升,2011年中水氯離子濃度偏高時,導致循環水氯離子質量濃度最高達536 mg/L,直接導致部分月份腐蝕速率超標。
(2)中水余氯波動增加循環水強氯精投加難度。根據生產需要,循環水場每日根據化驗結果投加強 氯精殺菌劑。由于強氯精為塊狀固體,其在水體中的溶解度受水溫、流速等多因素影響,很難像投加氯氣殺菌劑那樣定量控制投加。中水余氯值的波動,使得每日強氯精投加的難度增加,余氯值不易控制。
1.5 COD的影響
由于中水水源為達標污水,故COD是一個非常重要而又容易超標的控制指標。循環水場在回用COD超標的中水后,給循環水水質造成一定影響。
(1)增加了殺菌劑耗量。由于循環水場使用的是氧化性殺菌劑,容易和這些有機物質進行反應,為了保證殺菌劑的濃度,需要增加強氯精的投加量,無疑增加了運行成本。
(2)促進了微生物的滋生。有機物能給微生物提供豐富的營養,當環境溫度適宜時,微生物大量繁殖,增加了系統黏泥量,容易造成冷換器換熱效率下降,同時引起生物腐蝕。
2014年4月由于中水COD含量偏高,導致循環水試管黏附速率超標嚴重。
2 加強中水回用的日常管理措施
中水回用增加了循環水運行管理的難度,但隨著水資源的緊缺,節水減排是企業今后發展的趨勢,可以通過加強日常現場的管理、不斷優化工藝操作等方式進一步降低回用中水帶來的各種問題,將中水對循環水系統的影響降至最低。
2.1 加強中水裝置水源控制
污水回用的關鍵是回用達標中水,而筆者所在廠污水回用裝置在設計時忽略了含鹽量對循環水系統的影響,而且現有條件下,污水處理廠對含鹽污水的處理能力較弱,單純的依靠處理后的達標污水作為中水裝置水源無法保證含鹽量達標。為此,鋪設了一條應急池至排水的DN 200專用管線,將應急池收集的清凈廢水輸送至排水車間,用于稀釋中水水源,一定程度上降低中水裝置的含鹽、氨氮和COD含量。
水源改善后的中水裝置出水水質有了明顯的好轉,但由于目前各裝置都在推行節水減排,日常真正能夠被應急池收集的清凈廢水越來越少,當污水處理場被沖擊,生產異常時,清凈廢水用量的減少容易造成中水水質的不穩定。因此確保中水裝置進水水源的穩定是保證中水水質達標的關鍵,建議應加強各裝置的清污分流管理,污水處理場應加強水質監控,水質異常時,及時增加清凈廢水的稀釋量,保證出水合格。
2.2 加強中水水質監控
由于循環水場關于中水水質的分析項目每周只有一次,但排水車間每天都有關于中水主要水質指標的分析,日常操作中,班組人員除了要關注中水回用量外,還應每天關注中水氨氮、COD的情況,若相關指標超標或者偏高,則應聯系排水裝置調整,連續超標時應暫停中水使用,避免對循環水水質造成沖擊,絕不能為了保證中水使用量而使用未達標的中水。
2.3 制定合理的藥劑投加方案
藥劑投加對穩定循環水質至關重要。使用中水后首先要及時關注循環水水質變化趨勢,當中水相關指標偏高時,應該有預見性地調整緩蝕阻垢劑或殺菌劑的用量和頻次;其次要逐步制定常見水質異常時的藥劑投加控制方案,如pH偏低或偏高時的投堿、投酸量控制,余氯偏低時強氯精的投加方式等,盡可能地使藥劑投加操作在結合經驗的同時,做到精確、平穩;再次要根據循環水系統的運行情況,定期評估現有水處理藥劑配方是否適合目前中水回用量和回用水質,不斷提高緩蝕阻垢劑的性能,降低系統腐蝕結垢的風險。
2.4 加強循環水日常運行管理
(1)管好、用好旁濾設施,提高循環水的過濾水量,保證大于3.0%。摸索濾池的最佳反洗周期,根據水質情況可適當提高反洗頻次和反洗時間。
(2)針對中水含鹽量高、易形成積垢、引起垢下腐蝕的特點,每季度定期對循環水場進行黏泥剝離清洗,加強過程監控,保證清洗效果。
(3)針對循環水濃縮倍數上升過快的問題,可采取連續少量換水的方式保持濃縮倍數的穩定。
2.5 分階段提升中水回用量
中水回用量的大小要與循環水系統的管理和水質承受能力掛鉤,絕不是量越大越好,維持水中各離子的平衡狀態才是最重要的。實際使用中,應該采用分階段調整中水用量的方式,逐步調整回用比例,每個階段都要重點關注循環水細菌、腐蝕率、加藥量等指標的變化情況,為以后提升用量做好經驗儲備。具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。
3 結語
(1)隨著水資源的緊缺,中水回用將是今后社會發展的大趨勢,同時也是企業節水減排的主要手段。經過近兩年生產實踐證明,回用合格的、品質較好的達標中水,不僅可以促進循環水水質達標,更極大地降低了新鮮水水耗,節能的經濟效益和社會效益明顯。
(2)一循現階段中水回用量維持在50%~60%,近兩年循環水水質綜合合格率為99.61%,今后仍需采取各種手段,進一步提高中水水質的達標率和中水供應的穩定性,加強中水使用期間的運行管理和水質監測,做好調整,爭取使中水回用率達到100%。
(3)關注國內中水深度處理的技術發展狀況,嘗試引入先進的中水處理工藝和設備,不斷提升中水處理量和出水水質穩定性,為今后其他循環水場回用中水打好基礎。
