中水回用在中国已有近30年历史,早在1973年东方红炼油厂就已经将二级处理过的部分污水回用于循环水系统,此后又有多家企业逐渐采用中水做系统补水,但由于受污水系统处理效果影响,中水水质不稳定,影响了中水回用的实际应用效果〔1〕。笔者所在厂于2009年在排水车间增加一套200 t/h的污水回用处理装置,主要工艺流程如图 1所示。
图 1 中水回用工艺流程
受中水水源及处理量等因素影响,2012年以来,中水主要作为一循系统补水使用,回用量根据生产需要,控制在50～90 t/h,回用率30%～60%。
1 中水回用对循环水系统产生的影响
中水作为补充水回用循环水系统时,需要控制各项指标合格,才能减小对循环水系统的水质影响,但在实际使用过程中,由于污水处理过程中不可控因素较多,中水回用时水质易频繁波动,短期内对循环水系统影响较小,若持续时间较长,则会引起循环水控制指标异常,给循环水的运行管理造成困难。回用控制指标如表 1所示。
1.1 氨氮的影响
笔者所在厂一般直接使用达标污水做中水处理水源,但当污水处理厂受到外部来水冲击时,氨氮处理效果将会受到影响,最终体现在中水处理环节时,就会引起中水氨氮超标。氨氮超标时,将会对循环水水质及加药控制等多方面产生影响。
(1)引起循环水pH偏低。氨氮会在细菌的作用下发生硝化反应,产生H+,造成循环水pH异常波动。统计2013年9月份回用中水氨氮含量与循环水pH数据如图 2所示。
图 2 中水氨氮质量浓度与循环水pH变化趋势
由图 2可见,循环水pH随着中水氨氮质量浓度的升高而降低,当氨氮质量浓度达到最高值21.70mg/L时,pH达到最低7.80,当氨氮值从9月18日开始缓慢降低后,循环水pH逐渐上升。从整体趋势来看,9月份中水氨氮平均质量浓度为3.79 mg/L,而循环水pH均值为8.15,接近于控制下限8.0运行,说明9月份pH受中水氨氮含量偏高影响较大,整体运行偏低,若不及时调整,会大大增加系统腐蚀风险。
(2)增加循环水异养菌控制难度。氮、磷本身即为菌藻类生长的必需营养元素,氨氮含量较高时,可以为细菌提供充足的营养物质,若在其适应的温度环境下,会大量繁殖,容易增加系统管道内生物黏泥量,这些生物黏泥附着在设备表面,不仅影响换热效果,还会促进垢下腐蚀现象的发生。
(3)增加循环水杀菌剂耗量。循环水场目前使用的杀菌剂主要为氧化性活性氯杀菌剂,而氨氮能与活性氯发生氧化还原反应,生成氯胺,从而使水体中直接起到杀菌作用的游离氯浓度降低,中水氨氮与循环水余氯质量浓度变化趋势如图 3所示。
由图 3可见,整个9月份循环水余氯平均质量浓度维持在0.13 mg/L左右,而正常夏季生产余氯值需保持在0.2 mg/L左右才能较好地保证杀菌效果。另一方面,为了保证杀菌效果,维持循环水中一定浓度的余氯浓度就必须加大杀菌剂的投加量,这样不仅增加了生产成本,而且水体中氯根过高,也会加剧设备腐蚀速率。
1.2 碱硬度的影响
钙硬度和甲基橙碱度之和称为循环水容忍度,是循环水结垢风险高低的一项重要判断指标,一般按照《工业循环水运行管理规定》要求,建议最适应的控制范围应小于1 100 mg/L。在实际生产过程中,根据一循运行多年的经验,最适应的控制范围应小于900 mg/L,若超过这个控制界限,将会导致系统结垢风险加剧,同时也会引起循环水pH等指标异常。中水回用后,引起了循环水碱度和硬度变化,产生了一些问题。
(1)增加结垢风险。中水水质指标正常时,容忍度基本维持在800 mg/L左右运行,而中水自身碱度偏高时,则会引起循环水容忍度上升。 2013年4月中水碱度超标时,循环水总碱度全月运行在500mg/L以上,容忍度也超过900 mg/L,且连续超标严重。
(2)引起pH偏高。循环水pH主要受中水OH-、HCO3-和CO32-含量的影响,在同一个水系统中碱度的大小也间接反映pH的高低,即碱度高时,pH相对较大;碱度低时,pH相对较小。正常情况下,水体中的pH受OH-、HCO3-和CO32-三者制约,会达到一定的平衡状态：
2HCO3-→H2O+CO2+CO32-
当pH过高时,CO32-浓度增高,因为CaCO3的溶度积较小,势必会增加系统的结垢风险〔2〕。2013年4月中水碱度不达标时,引起循环水pH偏高,全月pH均值达到9.1左右,接近工艺控制上限运行。
1.3 电导率的影响
电导率反映了水中各种可导电离子的多少,过高的电导率表明水体中各种盐类含量较高,而含盐量高则会不可避免地增加系统腐蚀的潜在风险。
一循环在回用中水前电导率基本运行在1 800～2 000 μS/cm左右,但当引入达标中水后,由于其电导率一般是新鲜水作补水时的2～3倍,使得循环水电导率迅速上升至2 300～2 500 μS/cm运行。当中水电导率超过1 200 μS/cm的控制界限时,将会进一步导致循环水电导率大幅攀升,中水电导率与循环水电导率变化趋势如图 4所示。
图 4 中水电导率与循环水电导率变化趋势
由图 4可见,2013年4月循环水电导率随中水电导上升而上升,当中水电导率达到2 086 μS/cm时,循环水电导率达到最高值3 810 μS/cm。过高的电导率致循环水场必须进行适量排污换水,不仅浪费了新鲜水,而且增加了药剂费用。排污后循环水浓缩倍数降低,也将进一步增加后期水耗。
1.4 余氯的影响
中水在经提升泵送往循环水场前,也需要进行杀菌消毒,目前使用的杀菌剂为强氯精。由于化验分析计划仅对细菌含量做定期分析,余氯监测需要班组人员自行采样分析,这就造成中水余氯监测的不规律性,同时个人操作手法的差异也会造成余氯值检测的准确性降低,投加强氯精后容易引起中水余氯值的波动。通过观察2011年中水与循环水余氯变化趋势发现:2011年中水全年余氯控制整体偏高,均值达到8.0 mg/L,波动也较大,回用循环水场后,造成循环水余氯波动。
(1)引起循环水氯根升高。对于不锈钢钢材质换热器,氯离子质量是诱发换热器点蚀的重要因素,若金属材料的残余应力未消除或有较高温度时,氯离子质量的存在就会造成应力腐蚀开裂[3]。循环水场一般控制氯离子和硫酸根离子的浓度,但由于硫酸根对循环水系统的直接影响不大,大约为氯离子的1/10,且在日常生产中,中水带入的硫酸根数量较少,故需要重点关注氯离子的浓度。
在引入中水前,循环水中氯离子质量浓度普遍 维持在150～250 mg/L之间,但回用中水后,氯离子质量浓度则升至300～450 mg/L之间运行,当中水氯离子质量浓度超过200 mg/L时,则会引起循环水氯离子浓度进一步上升,2011年中水氯离子浓度偏高时,导致循环水氯离子质量浓度最高达536 mg/L,直接导致部分月份腐蚀速率超标。
(2)中水余氯波动增加循环水强氯精投加难度。根据生产需要,循环水场每日根据化验结果投加强 氯精杀菌剂。由于强氯精为块状固体,其在水体中的溶解度受水温、流速等多因素影响,很难像投加氯气杀菌剂那样定量控制投加。中水余氯值的波动,使得每日强氯精投加的难度增加,余氯值不易控制。
1.5 COD的影响
由于中水水源为达标污水,故COD是一个非常重要而又容易超标的控制指标。循环水场在回用COD超标的中水后,给循环水水质造成一定影响。
(1)增加了杀菌剂耗量。由于循环水场使用的是氧化性杀菌剂,容易和这些有机物质进行反应,为了保证杀菌剂的浓度,需要增加强氯精的投加量,无疑增加了运行成本。
(2)促进了微生物的滋生。有机物能给微生物提供丰富的营养,当环境温度适宜时,微生物大量繁殖,增加了系统黏泥量,容易造成冷换器换热效率下降,同时引起生物腐蚀。
2014年4月由于中水COD含量偏高,导致循环水试管黏附速率超标严重。
2 加强中水回用的日常管理措施
中水回用增加了循环水运行管理的难度,但随着水资源的紧缺,节水减排是企业今后发展的趋势,可以通过加强日常现场的管理、不断优化工艺操作等方式进一步降低回用中水带来的各种问题,将中水对循环水系统的影响降至最低。
2.1 加强中水装置水源控制
污水回用的关键是回用达标中水,而笔者所在厂污水回用装置在设计时忽略了含盐量对循环水系统的影响,而且现有条件下,污水处理厂对含盐污水的处理能力较弱,单纯的依靠处理后的达标污水作为中水装置水源无法保证含盐量达标。为此,铺设了一条应急池至排水的DN 200专用管线,将应急池收集的清净废水输送至排水车间,用于稀释中水水源,一定程度上降低中水装置的含盐、氨氮和COD含量。
水源改善后的中水装置出水水质有了明显的好转,但由于目前各装置都在推行节水减排,日常真正能够被应急池收集的清净废水越来越少,当污水处理场被冲击,生产异常时,清净废水用量的减少容易造成中水水质的不稳定。因此确保中水装置进水水源的稳定是保证中水水质达标的关键,建议应加强各装置的清污分流管理,污水处理场应加强水质监控,水质异常时,及时增加清净废水的稀释量,保证出水合格。
2.2 加强中水水质监控
由于循环水场关于中水水质的分析项目每周只有一次,但排水车间每天都有关于中水主要水质指标的分析,日常操作中,班组人员除了要关注中水回用量外,还应每天关注中水氨氮、COD的情况,若相关指标超标或者偏高,则应联系排水装置调整,连续超标时应暂停中水使用,避免对循环水水质造成冲击,绝不能为了保证中水使用量而使用未达标的中水。
2.3 制定合理的药剂投加方案
药剂投加对稳定循环水质至关重要。使用中水后首先要及时关注循环水水质变化趋势,当中水相关指标偏高时,应该有预见性地调整缓蚀阻垢剂或杀菌剂的用量和频次;其次要逐步制定常见水质异常时的药剂投加控制方案,如pH偏低或偏高时的投碱、投酸量控制,余氯偏低时强氯精的投加方式等,尽可能地使药剂投加操作在结合经验的同时,做到精确、平稳;再次要根据循环水系统的运行情况,定期评估现有水处理药剂配方是否适合目前中水回用量和回用水质,不断提高缓蚀阻垢剂的性能,降低系统腐蚀结垢的风险。
2.4 加强循环水日常运行管理
(1)管好、用好旁滤设施,提高循环水的过滤水量,保证大于3.0%。摸索滤池的最佳反洗周期,根据水质情况可适当提高反洗频次和反洗时间。
(2)针对中水含盐量高、易形成积垢、引起垢下腐蚀的特点,每季度定期对循环水场进行黏泥剥离清洗,加强过程监控,保证清洗效果。
(3)针对循环水浓缩倍数上升过快的问题,可采取连续少量换水的方式保持浓缩倍数的稳定。
2.5 分阶段提升中水回用量
中水回用量的大小要与循环水系统的管理和水质承受能力挂钩,绝不是量越大越好,维持水中各离子的平衡状态才是最重要的。实际使用中,应该采用分阶段调整中水用量的方式,逐步调整回用比例,每个阶段都要重点关注循环水细菌、腐蚀率、加药量等指标的变化情况,为以后提升用量做好经验储备。。
3 结语
(1)随着水资源的紧缺,中水回用将是今后社会发展的大趋势,同时也是企业节水减排的主要手段。经过近两年生产实践证明,回用合格的、品质较好的达标中水,不仅可以促进循环水水质达标,更极大地降低了新鲜水水耗,节能的经济效益和社会效益明显。
(2)一循现阶段中水回用量维持在50%～60%,近两年循环水水质综合合格率为99.61%,今后仍需采取各种手段,进一步提高中水水质的达标率和中水供应的稳定性,加强中水使用期间的运行管理和水质监测,做好调整,争取使中水回用率达到100%。
(3)关注国内中水深度处理的技术发展状况,尝试引入先进的中水处理工艺和设备,不断提升中水处理量和出水水质稳定性,为今后其他循环水场回用中水打好基础。
