高盐化工废水双膜法处理及回用的中试研究

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中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 课题背景 ................................................... 1

§1.2 高盐废水的处理方法 ......................................... 1

§1.2.1 生物法 ................................................. 1

§1.2.2 电化学法 ............................................... 2

§1.2.3 膜法 ................................................... 3

§1.3 水处理中的膜分离技术 ....................................... 3

§1.3.1 电渗析 ................................................. 4

§1.3.2 微滤 ................................................... 5

§1.3.3 超滤 ................................................... 6

§1.3.4 纳滤 .................................................. 10

§1.3.5 反渗透 ................................................ 11

§1.4 研究的意义和内容 .......................................... 14

§1.4.1 研究目的及意义 ........................................ 14

§1.4.2 研究内容 .............................................. 15

§1.5 关键技术与创新点 .......................................... 16

§1.5.1 关键技术 .............................................. 16

§1.5.2 创新点 ................................................ 16

第二章混凝试验与处理工艺研究 ....................................... 17

§2.1 试验概述 .................................................. 17

§2.2 水质指标及分析方法 ........................................ 17

§2.3 小试试验 .................................................. 17

§2.3.1 最佳混凝剂的确定 ...................................... 17

§2.3.2 混凝剂最佳投加量的确定 ................................ 19

§2.3.3 硬度去除试验 .......................................... 21

§2.3.4 小试试验结果 .......................................... 25

§2.4 中试试验 .................................................. 25

§2.4.1 进水水质 .............................................. 25

§2.4.2 处理工艺 .............................................. 25

§2.4.3 主要装置 .............................................. 27

§2.4.4 结果与分析 ............................................ 28

§2.5 本章小结 .................................................. 30

第三章超滤系统运行试验 ............................................. 31

§3.1 试验概述 .................................................. 31

§3.1.1 进水水质 .............................................. 31

§3.1.2 试验装置 .............................................. 31

§3.1.3 工艺流程 .............................................. 34

§3.1.4 超滤技术参数 .......................................... 34

§3.1.5 SDI 测定方法 .......................................... 35

§3.2 运行条件对超滤膜污染的影响 ................................ 35

§3.2.1 操作压力对膜污染的影响 ................................ 36

§3.2.2 周期冲洗对膜污染的影响 ................................ 38

§3.3 超滤系统运行效果分析 ...................................... 39

§3.3.1 对浊度的去除效果 ...................................... 39

§3.3.2 对有机物的去除效果 .................................... 40

§3.3.3 产水 SDI 变化 .......................................... 41

§3.4 本章小结 .................................................. 42

第四章反渗透系统运行试验 ........................................... 43

§4.1 试验概述 .................................................. 43

§4.1.1 进出水水质 ............................................ 43

§4.1.2 试验装置 .............................................. 44

§4.1.3 工艺流程 .............................................. 45

§4.2 反渗透膜性能的影响因素与分析 .............................. 45

§4.2.1 操作压力的影响 ........................................ 46

§4.2.2 阻垢剂投加的影响 ...................................... 47

§4.2.3 温度的影响 ............................................ 48

§4.2.4 pH 的影响 ............................................. 51

§4.2.5 进水 TDS 的影响 ........................................ 52

§4.2.6 进水 SDI 的影响 ........................................ 53

§4.3 反渗透系统运行效果分析 .................................... 54

§4.3.1 对浊度的去除 .......................................... 54

§4.3.2 对有机物的去除 ........................................ 55

§4.3.3 对盐类的去除 .......................................... 55

§4.3.4 反渗透出水 ............................................ 56

§4.4 反渗透膜的清洗 ............................................ 57

§4.4.1 常用的清洗方法 ........................................ 57

§4.4.2 水力清洗效果 .......................................... 58

§4.4.3 盐酸清洗效果 .......................................... 59

§4.5 本章小结 .................................................. 60

第五章反渗透数学模型研究 ........................................... 62

§5.1 概述 ...................................................... 62

§5.2 恒定进水水质条件下的数学模型 .............................. 62

§5.2.1 恒定进水水质条件下脱盐率模型 .......................... 62

§5.2.2 恒定进水水质条件下膜通量模型 .......................... 65

§5.2.3 模型验证 .............................................. 66

§5.3 恒定操作条件下的数学模型 .................................. 67

§5.3.1 恒定操作条件下脱盐率模型 .............................. 68

§5.3.2 恒定操作条件下膜通量模型 .............................. 70

§5.3.3 模型验证 .............................................. 71

§5.4 本章小结 .................................................. 72

第六章结论与建议 ................................................... 74

§6.1 结论 ...................................................... 74

§6.2 建议 ...................................................... 75

参考文献 ............................................................ 76

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 82

致谢 ............................................................. 83

第一章绪论

§1.1 课题背景

随着经济的发展水资源供需矛盾日益突出，为了解决水危机，许多国家和地

区积极研究城市与工业废水再生回用技术。回用技术首先在美国、日本、印度、

英国、约旦等国家得到迅速发展，且主要应用在城市外排污水深度处理与回用领

域，回用水主要用作非饮用的生活杂用水、灌溉用水等[1,2]。在我国回用技术也受

到政府及有关部门的重视，并开展了大量理论研究与实践，在城市污水与工业废

水回用领域都取得了显著的成果[3~5]。目前我国对于工业废水回用的研究多集中在

石化、钢铁及发电厂等行业，对于水质变化较大、含盐量高、可生化性差的化工

废水的研究相对较少。随着我国环境保护法规的日益严格和节能减排的大力提倡，

采用科学、经济、先进、可靠的污水处理新技术，来实现高盐化工废水的资源化

与回用化的需求日趋迫切。

天津渤天化工有限公司是国有独资大型的生产烧碱、聚氯乙烯、环氧氯丙烷

及四氯化钛等氯碱产品的生产基地之一，公司的排污系统和电厂冲渣系统日排放

水量约 2.1 万吨，废水的含盐量高、污染大，现该部分废水直接排放，造成了当地

环境的污染及水资源的大量浪费。本着保护环境、节约水资源的原则，必须寻求

一种高效低耗的可靠污水处理技术，以实现其废水的资源化，达到节能减排的目

的。

§1.2 高盐废水的处理方法

高盐废水是指含盐量为 1%以上的废水。目前，在对高盐废水处理方面，研究

及应用的主要处理技术为生物法、电化学法和膜法等。

§1.2.1 生物法

生物法是高盐废水最传统的处理方法，因管理操作简单以及二次污染少等优

点而广泛应用。

（1）SBR 法

SBR 结构简单，运行方式灵活，抗冲击负荷能力强，近年来在国内外得到广

泛的研究和应用。Lefebvre 等[6]利用好氧 SBR 反应器处理含盐量为 34000mg/L 的

工业废水，当水力停留时间为 5d，COD 有机负荷率为 0.6 kg/(m3·d)时，COD，

PO43-，

TKN 和SS 去除率分别为 95%，

93%，

96%和92%。张华等[7]利用 ABR+SBR

组合生物工艺处理含盐量为 27400~31800mg/L，氯含量为 14000~15000mg/L 的采

油废水，出水的各项指标均达到《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)一级标准。

（2）好氧生物转盘法

生物转盘是以盘片作为微生物附着生长的载体，可承受负荷的突变，不易发

高盐化工废水双膜法处理及回用的中试研究

生堵塞或污泥膨胀、脱落的生物膜易沉淀、管理方便、运转费用低等，使其在废

水处理中得到广泛的应用与发展。鉴于其优越性国内外学者对其在高含盐废水中

的应用作了相关的研究，并取得了一定的成效。Windey 等[8]利用生物转盘处理含

盐量为 30000mg/L 的高盐废水时，COD 去除率达 84％。Fikret Kargil[9]在不同的

A/Q（转盘总面积与进水流量比值）、进水 COD 和盐浓度条件下，研究了转动式生

物转盘处理 COD 含量为 5000mg/L，盐度为 5%的废水，发现 A/Q 比值约为 3000m2/

（m3·h-1）时，整个系统能够有效运行，且可获得较高的 COD 去除率。

（3）生物接触氧化法

生物接触氧化法是在生物滤池的基础上，发展起来的一种净化废水的处理技

术，兼具活性污泥法和生物膜法的优点。因该工艺具有高效节能、占地面积小、

耐冲击负荷、运行管理方便等特点而被广泛应用于各行各业的污水处理系统。王

新刚等[10]采用水解酸化-生物接触氧化法处理高盐含油废水，系统中进水盐质量浓

度保持在<20000mg/L，总停留时间为 14h的时，COD 及油的去除率分别维持在

85%和88%，系统运行稳定，出水水质良好。马国斌等[11]对高温，高 pH，高盐度

及高含有机氯化物的环氧丙烷生产废水进行实验，先用有机氯化物配置的废水驯

化活性污泥，稳定后进水水质为 COD 990~1025 mg/L，CaCl216300~20000mg/L，

pH 值为 11.6，整个工艺 COD 去除率达 84.38％，取得了较好的效果。

（4）嗜盐微生物处理法

嗜盐微生物根据耐受盐度的不同，分为极端嗜盐菌，可在 NaC1 含量为 36%

的环境中生长，繁殖；另一种为耐盐菌，能在有盐环境和无盐环境中生长，繁殖，

耐盐度最高可达 20%[12]。近年来国内外学者对耐盐菌用于处理高盐度废水进行了

大量研究，取得了较好的成就。Peyton[13]利用耐盐微生物处理高盐度苯酚工业废水，

研究了高盐(10%)对生物降解苯酚性能的影响，结果表明为苯酚浓度(0~50mg/L)的

零级动力学。魏呐[14]从长期被炼油废水污染的土壤底泥中筛选出 5种优势菌，对

高盐大港油田开采废水进行有机物降解，结果显示在废水的含盐量为

20000~360000mg/L，COD 浓度为 1600~4000mg/L 范围内，五种优势复合菌对 COD

降解率都很高。

生物法在高含盐废水处理应用过程中，受盐浓度突变的影响较大，有时甚至

会使菌胶团解体，污泥上浮，出水 COD 升高，直接破坏生物系统的正常运行。鉴

于运行的稳定性生化法在高盐废水处理应用中受到一定的限制。

§1.2.2 电化学法

电化学法作为一种处理高盐废水的方法，在高盐环境下，水溶液中阴离子和

阳离子的存在使废水具有较高的导电性这一特点，为其近几年在高盐度废水处理

第一章绪论

方面的应用发展提供了良好的空间。电化学法能够有效地去除废水中大部分有机

污染物，且对去除废水的色度和 COD、总磷和总氮均具较好的效果。Raghu 等[15]

利用化学法与电化学法相结合的技术处理高盐印染废水，结果显示，试验对 COD

去除率为 92.31%。Sundarapandiyana 等[16]采用电化学氧化法处理回用 TKN 及COD

含量分别为 398 mg/L 及9472 mg/L 的高盐（30346mg/L）制革废水，在 pH 为中性

或碱性、电流密度为 0.012A/cm2条件下，对 TKN 及COD 的去除率分别为 86.4%

及90.8%，能够得到较好的处理回用效果。李松江等[17]在采用电化学法与生物法结

合的工艺对含盐量 3%、COD 为1100mg/L 的肠衣加工废水进行处理，其中微电解

-磁混凝净化单元对 COD 的去除率达 85%，处理出水达到国家一级排放标准。

电化学法处理高盐废水时不需要投加化学药剂，节省了运行费用；抗冲击负

荷较生化法强，运行过程中随时可通过调节电流密度，使出水达到处理要求。但

由于电化学法能耗高，费用高、设备易腐蚀，限制了其在处理回用高盐废水实际

工程中的大规模应用。

§1.2.3 膜法

膜法水处理技术在近几年迅速发展，广泛应用于城市生活污水、垃圾渗滤液、

工业废水等的处理，并且大规模工业应用也较多[18~20]。高盐废水的膜法处理技术

一般有反渗透、纳滤、电渗析等 [21]。膜法处理废水其优点是几乎可完全脱除 SS、

病毒、大肠杆菌等，且可脱色，同时还可以从废水中回收有价值的成份，且可将

处理出水重新回用到有关的工序中，即节约了资源，水源，又避免了污染环境。

如用反渗透法处理镀镍的电镀废水[22,23]，可以从废水中回收镍离子同时产水回用于

漂洗，不仅减少了废水排放量以及污染程度，而且回收的镍离子有较高的经济价

值。尽管膜法在水处理技术中已确立了常规技术难以比拟的优势，并在一定程度

上得到推广应用，但由于膜污染问题的制约，目前膜法处理难降解高盐工业废水

的应用实例较少[24]。膜污染是膜应用过程中面临的不可避免的问题，运行条件不

同，膜污染程度亦不同。现有低脱盐复合膜的耐污染性[25]较差，处理高盐废水和

其它高污染水时，膜的清洗较频繁，频繁的清洗将导致膜性能的下降。同时膜污

染将会加剧膜系统停机清洗、膜元件提前更换的频率，促使膜使用寿命变短以及

操作运行费用增加。因此研究耐污染的膜元件及优化膜运行的操作参数对于膜技

术在高盐废水回用中发挥更优越的性能具有促进作用。

§1.3 水处理中的膜分离技术

膜分离技术是一种在某种推动力作用下，利用特定膜的透过性能分离水中的

离子、分子和杂质的技术。膜分离过程按照膜对物质的分离范围和分离过程应用

的推动力来分，主要分为反渗透(RO)、纳滤(NF)、微滤(MF)、超滤(UF)和电渗析(ED)

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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论..........................................................1§1.1课题背景...................................................1§1.2高盐废水的处理方法.........................................1§1.2.1生物法.................................................1§1.2.2电化学法.........................................

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