城镇水务系统碳核算与减碳/降碳规划方法
刘然彬1，于文波1，张梦博1，郝晓地1，李爽2
（1.北京建筑大学 北京节能减排与城乡可持续发展省部共建协同创新中心，北京 100044；2.北京首创生态环保集团股份有限公司，北京 100044）
摘 要：随着我国《城乡建设领域碳达峰实施方案》的发布，城镇水务系统也将成为减碳/降碳的阵地之一。然而，城镇水务系统一方面面临扩容增量、支撑配套城镇化发展的重任，另一方面则面临减碳/降碳窗口期短、任务重的现状。因此，科学规划减碳/降碳措施以及先期步骤——碳足迹核算方法不仅是城镇水务走向良性发展的保障，也是实现绿色低碳转型的关键。通过对发达国家水务系统碳中和规划的梳理，尤其是对英国《水务净零排放路线图》（Net Zero 2030 Roadmap）进行分析，总结提炼出适合我国城镇水务系统制定碳中和规划的一般思路和方法，即“3C”流程（核算定线Carbon accounting→技术确定Cluster of technologies→方案实施Carrying out）。在此基础上，讨论分析了碳核算的发展及其在规划制定中的作用和意义；总结归纳了不同减碳/降碳工艺技术比选原则和方法，形成我国首部《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》，以期在双碳目标框架下指导我国城镇水务行业减碳/降碳行动与实践。
关键词：城镇水务；碳中和规划；碳足迹核算；3C流程；减碳/降碳；能源回收
本文发表于中国给水排水2023年第8期，页码：1-10.
开发区污水处理组合工艺系统及尾水再生回用
沈正栋1，王振中2，沈俊宏3，黄天寅1
（1.苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009；2.华昕设计集团有限公司，江苏 无锡 214072；3.福建工程学院 生态环境与城市建设学院，福建 福州 350118）
摘 要：为解决苏州市某工业开发区内食品及印染织机废水水质复杂、建设用地受限、资金少等难题，污水处理厂设计建设了两套相对独立、单元构筑物管线又可灵活进行调度的工艺方案。两套废水处理主体单元均为厌氧水解池+一体化AAO生化沉淀组合池+絮凝沉淀池+滤布滤池，其中通过前置气浮池对印染喷水织机废水中的油状乳浊液进行预处理。该污水厂设计规模为3×104 m3/d，出水水质指标全面达到《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB 32/1072—2018）中太湖流域一、二级保护区内主要水污染物排放限值要求，达标尾水再生回用于开发区内喷水织机生产过程。通过尾水的再生回用，不仅缓解了市政管网的供水压力，降低了企业的生产成本，同时也吸引了相关用水需求的企业入驻，具有一定的示范效应。
关键词：食品及印染织机废水；一体化AAO生化沉淀组合池；再生回用
本文发表于中国给水排水2023年第4期，页码：90-95.
安康江南半地下再生水厂改良AAO+深度处理工艺设计
高靖伟1,2，侯锋1，江乐勇1，韩磊1,2，葛英振1,2，杨茂东1,2，邵彦青1
（1.国投信开水环境投资有限公司，北京 101101；2.四川蓉信开工程设计有限公司，四川 成都 610000）
摘 要：安康江南再生水厂采用半地下建设形式，设计规模为8×104 m3/d，近期设备按6×104 m3/d安装。为满足汉江50年一遇防洪要求，箱体入口高于防洪水位0.52 m。通过集约化设计，将综合楼、科普馆、臭氧发生间布置于箱体顶部，其余空间打造景观公园。污水处理采用改良AAO加悬浮填料、臭氧接触氧化主体工艺，出水主要指标达到了《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类标准。污泥处理采用离心脱水+低温干化工艺，处理后污泥含水率≤60%。通水运行以来，实际出水水质稳定优于设计标准。
关键词：半地下建设形式；改良AAO加悬浮填料；臭氧接触氧化
本文发表于中国给水排水2022年第22期，页码：61-66.
双碳目标下城镇污水处理厂的绿色市政理念应用实践
宋瑞平1，陶如钧2，李智行2，周文明2，赵立佳2
（1.中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）
摘 要：仙居县污水处理厂二期工程是台州市“五水共治”重点工程，采用“预处理+二级生化处理+深度处理+人工湿地+消毒处理”多级污水处理组合工艺，出水水质可达到《台州市城镇污水处理厂出水指标及标准限值表（试行）》要求的准Ⅳ类水质标准。在能源回收与节能降耗方面，通过充分利用污水处理构筑物上部空间实施光伏发电技术实现厂内16%的电量自给，相应减少16%的外源CO2；利用人工湿地技术实现出水水质由一级A标准提升至准Ⅳ类标准的深度净化，所需电费和维护费在总运行成本中占比仅15%。而且人工湿地还是海绵城市建设的一部分，结合周边海绵厂区建设可实现对降雨的有效消纳和循环利用。此外，该工程通过全面推行BIM技术及数字化应用实现了数字孪生、智慧管理，确保设计内容高效实施。该工程充分展示了双碳目标下绿色市政理念在城镇污水处理厂中的成功应用与实践。
关键词：绿色市政设计理念；人工湿地；光伏发电
本文发表于中国给水排水2022年第16期，页码：61-65.
改良Bardenpho-臭氧-BAF处理工业园区污水
林达，赵询霞，覃晖
（湖南博世科环保科技有限公司，湖南 长沙 410005）
摘 要：广西某工业园区污水处理厂主要出水指标要求满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类标准（TN≤10 mg/L除外），设计采用“水解酸化+改良Bardenpho +高效沉淀池+臭氧接触氧化+BAF+反硝化滤池+接触消毒”工艺。其中水解酸化池采用脉冲布水方式，水力停留时间8.1 h；改良Bardenpho总停留时间24 h，混合液内回流比150%~250%，污泥龄15 d，采用可提升式曝气系统，气水比9.6∶1；二沉池表面负荷0.75 m3/（m2·h）；高效沉淀池表面负荷9.92 m3/（m2·h），总停留时间60.5 min；臭氧接触池停留时间60 min，投加浓度20 mg/L；曝气生物滤池水力负荷3.04 m3/（m2·h），COD去除负荷1.46 kg/（m2·d）；反硝化滤池正常滤速5.76 m/h，强制滤速7.2 m/h；接触消毒停留时间30 min，次氯酸钠投加浓度8~10 mg/L。实际出水水质满足设计要求。
关键词：工业园区；水解酸化；改良Bardenpho；臭氧接触氧化；曝气生物滤池；反硝化滤池
本文发表于中国给水排水2022年第14期，页码：79-92.
预处理+UASB+A/O组合工艺处理肝素钠生产废水
王新1，王玉庆2，孙嘉欣3，李红菊1
（1.枣庄市市中区排水事务中心，山东 枣庄 277103；2.山东省金乡县水利事业发展中心，山东 济宁 272200；3.广东海洋大学 海洋与气象学院，广东 湛江 524000）
摘 要：为了满足现阶段环保排放标准对全盐量及TN、TP等指标的更高要求，基于肝素钠生产废水有机污染物、氨氮、无机盐浓度高的特点，采用预处理+UASB+A/O组合工艺实施了处理规模为300 m3/d的废水处理工程。预处理单元以壳聚糖为絮凝剂回收蛋白质，投加MgCl2与废水中的氨氮、磷酸盐反应生成鸟粪石沉淀用作肥料，通过机械蒸汽再压缩（MVR）实现无机盐结晶分离，减轻了氨氮、无机盐对后续生化系统的抑制作用。UASB配有回流系统，对COD去除率可达75%。分段进水三级A/O工艺在外回流比为50%且不需要内回流的情况下，对TN去除率为75%。经该组合工艺处理后，对COD、NH3-N、TN、TP、全盐量等指标的去除率分别为99.7%、99.2%、98.8%、99.8%、99.2%，同时实现了蛋白质、氮、磷、沼气等的资源化利用。
关键词：肝素钠生产废水；全盐量；总氮；预处理；UASB；A/O
本文发表于中国给水排水2022年第18期，页码：120-124.
成都市“环城生态区”再生水用于农业灌溉符合性研究
朱钢，郑轶丽，王黎，刘鑫，谢鲁，魏婷
（成都市市政工程设计研究院有限公司，四川 成都 610023）
摘 要：成都市规划了以城市中心公园带“环城生态区”为主的一系列城市生态农业景观体系，为城市发展提供绿色生态隔离空间的屏障。农田面积的增加势必加剧城市生活、工业与环境用水的矛盾，因此利用再生水进行农田灌溉是水资源可持续利用的有效途径。对再生水利用于成都市“环城生态区”农业灌溉的可行性和实施策略等进行了研究。系统地整理和分析了再生水处理厂的工艺、出水水质等，得出了研究区域再生水用于农业灌溉的可行性和风险点；区域主要再生水厂出水水质符合相关规范标准要求，出厂水水质相对稳定，但需要重点关注总氮、总磷、氯化物、无机盐和重金属等污染项目，防止该类污染物富集对环境造成不利影响；同时结合研究区域的水环境、土壤环境和农作物种类，提出了相应的实施策略和监管体系。
关键词：环城生态区；水资源；再生水；农业灌溉
本文发表于中国给水排水2022年第20期，页码：65-72.
A2O+MBR+臭氧催化氧化用于化工园区污水厂升级改造
张方方，刘骁智，张波
（青岛水务碧水源科技发展有限公司，山东 青岛 266034）
摘 要：在山东省乐陵市铁营镇循环经济工业园1×104 m3/d规模污水处理厂提标改造工程设计中，针对来水水量不稳定且水质成分复杂、污染物含量高、有毒有害物质多、难生物降解物质多、色度高等特点，以及污水处理厂无水量水质调节工艺且生化出水可溶性难降解COD高等问题，采用了增加应急事故调节池、通过更换碳源等手段强化原有A2O+MBR工艺处理效果，并增加臭氧催化氧化工艺的改造思路。试运行结果表明，出水水质可以稳定达到地表水Ⅳ类标准（TN除外）。污水处理厂提标改造工程总投资1 900万元，提标改造后直接运行成本约为1.99元/m3（不包括污泥处置、折旧、维修、膜工艺材料更换等费用）。
关键词：化工园区污水处理厂；提标改造；臭氧催化氧化
本文发表于中国给水排水2022年第20期，页码：61-64.
两级A/O+超滤+两级反渗透处理焦化产业园区废水
樊佳
（上海电气集团国控环球工程有限公司，山西 太原 030006）
摘 要：针对废水种类多、氨氮及有机物浓度高等特点，山西某焦化产业园区废水处理系统采用除油+气浮+调节+厌氧+两级A/O+二沉池+混凝沉淀+机械过滤+超滤+树脂软化+有机物脱除+两级反渗透工艺处理3 000 m3/d园区焦化废水。当进水COD为3 000~5 000 mg/L、NH3-N为200~280 mg/L时，出水COD、NH3-N 分别降至3~8 mg/L和1~2 mg/L，出水水质达到《工业循环冷却水处理设计规范》（GB/T 50050—2017）中再生水用于间冷开式循环冷却水系统补充水的水质指标，全部回用。系统产生的高盐浓水进入三效蒸发结晶系统进行处理，产生的结晶盐园区统一外协处理，从而实现了焦化废水的“近零排放”。
关键词：焦化废水；两级A/O；深度处理；近零排放
本文发表于中国给水排水2022年第22期，页码：67-71.
循环经济产业园废水零排放的工艺优选与实践
王小兵，林岳
（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510150）
摘 要：循环经济产业园区主要包括生活垃圾焚烧、餐厨垃圾处理、粪便处理、市政污泥处置等产业，生产过程中会产生大量高浓度、高氨氮有机废水，且园区一般较为偏远，基础设施不完善，环境容量有限，对废水处理会提出严格的排放标准，具体项目甚至会要求处理后尾水零排放。某循环经济产业园的高、低浓度废水分别经过UASB厌氧+外置式MBR+反渗透、生化+沉淀+过滤+反渗透处理后，尾水全部回用于园区。RO浓缩液采用膜减量+芬顿高级氧化+混凝沉淀工艺处理，产生的清液回用，剩余浓缩液作为灰渣冷却水回用。该项目处理规模为3 250 m3/d，投资约95 400元/m3，占地面积为8.45 m2/m3。
关键词：循环经济产业园；零排放；外置式膜生物反应器；深度处理；芬顿氧化
本文发表于中国给水排水2022年第22期，页码：116-122.
多元催化氧化+改良A2/O工艺处理工业园区废水
胡双意1，訾茜1，邓先涛2，刘腾霄1
（1.武汉生物工程学院 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430415；2.武汉亚维环保科技有限公司，湖北 武汉 430415）
摘 要：赤壁市陆水工业园污水处理厂工程主要处理工业园的工业废水及周边村镇的生活污水，一期设计规模为2×104 m3/d，设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。工程进水中工业废水比例大、难降解有机物比例高、污水可生化性差，为此，采用多元催化氧化+水解酸化+改良A2/O+二沉池+高密度沉淀池+后臭氧接触池+曝气生物滤池+精密过滤器+接触消毒池处理工艺。实际运行结果表明，该组合工艺对可生化性差的工业废水处理效果良好，出水水质稳定达到设计标准。
关键词：工业园区；工业废水；多元催化氧化；改良A2/O
本文发表于中国给水排水2022年第18期，页码：68-71.
化工园区综合污水厂的工程改造及运行分析
曾明，郭庆贺，徐贵达，安永
（北京科泰兴达高新技术有限公司，北京 102403）
摘 要：某以医药中间体、农药中间体、石化产业为主的化工园区综合污水处理厂原采用Biodopp生化/高效沉淀池/纤维转盘滤池工艺，设计处理规模为5 000 m3/d，出水指标仅BOD5、SS和TP能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。针对此问题，采用微电解+芬顿+A2/O+MBBR+臭氧催化氧化+BAF工艺进行了工程改造，在保持处理规模不变的情况下，当进水COD、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP、Cl-平均浓度分别为263.8、16.7、107.2、12.22、42.36、4.8、3 998.16 mg/L时，处理出水COD、氨氮、总氮的平均浓度分别为29.17、0.16、7.86 mg/L，去除率分别达到89.11%、98.63%、81.44%，实际出水水质优于一级A排放标准，满足污水处理厂的废水排放标准，总处理费用为4.77元/m3。
关键词：化工园区；微电解；芬顿；臭氧催化氧化；升级改造
本文发表于中国给水排水2022年第18期，页码：101-106.
工业园含氟废水/综合废水分步治理工程设计
谭周权
(兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730050）
摘 要：针对绵阳市高端制造产业集中发展区废水含氟浓度高，有机物难以降解，氮、磷、SS处理要求较高的特点，吴家工业污水处理厂预先采用异核结晶混凝沉淀/吸附/离子交换组合工艺单独处理含氟废水，然后与其他废水合并一起采用水解酸化/多级多段AO/高效沉淀/深床滤池/臭氧接触工艺处理。分步进行针对性处理，可节省运行费用，且工艺布置合理、技术先进、集约化程度高。本项目设计规模为4×104 m3/d，当综合废水实际处理量平均值为35 520 m3/d时，出水污染物指标浓度优于排放标准。本工程直接运行成本为4.2 元/m3。
关键词：含氟废水；综合废水；运行成本
本文发表于中国给水排水2022年第14期，页码：71-76.
膜蒸馏技术处理工业废水研究进展
林旭1，刘彩虹1，刘乾亮2，宋丹3，聂铮1，周艺凡1，何强1，马军3
（1.重庆大学环境与生态学院 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045；2.哈尔滨理工大学 化学与环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；3.哈尔滨工业大学环境学院 城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090）
摘 要：膜蒸馏作为一种新型膜分离技术，具有操作温度低、设备简单、脱盐率高等特点，在处理高矿化度、水质变化大、可生化性差的工业废水领域具有良好的应用前景。首先对膜蒸馏技术的原理、特点及分类进行了简要概述，详细阐述了膜蒸馏技术在石化废水、燃煤电厂脱硫废水、印染废水等典型工业废水中应用的研究进展。最后，对当前膜蒸馏技术在工业废水处理领域面临的挑战进行了分析，并对其发展进行了展望。
关键词：膜蒸馏；工业废水；水处理
本文发表于中国给水排水2022年第10期，页码：46-55.
高出水标准要求下高含氟工业废水处理实践
王小兵1，曾佳玮1，汤钟2
（1.广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510150；2.深圳市城市规划设计研究院有限公司，广东 深圳 518000）
摘 要：某液晶面板厂的高含氟高硬度废水处理厂的进水分为含氟废水及有机废水两股，含氟废水经过混凝沉淀+MBBR硝化预处理，降低硬度、F-及NH3-N浓度后与有机废水混合，再采用生化处理+臭氧高级氧化+曝气生物滤池+高效沉淀+消毒组合工艺处理，最终出水水质稳定达到地表水Ⅳ类标准。该项目规模为6×104 m3/d，吨水投资约5 935元/m3，单位占地面积为0.619 m2/（m3·d-1）。
关键词：含氟废水；高硬度废水；除钙高效沉淀池；除氟高效沉淀池；深度处理
本文发表于中国给水排水2022年第10期，页码：83-89.
烟台市套子湾污水厂双膜法再生水工程设计
刘晓军
（烟台市城市排水服务中心，山东 烟台 264000）
摘 要：为了缓解烟台市水资源紧缺的局面，满足万华工业园百万吨大乙烯建设及烟台发电厂等项目对再生水的需求，实现水资源的合理利用，开展了套子湾污水厂再生水回用工程建设。一期新建规模为5×104 m3/d，利用污水处理厂原有反渗透设施，一期工程建成后再生水总规模达到10×104 m3/d。再生水进水来源为套子湾污水厂出水，进水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。基于进水水质特点和出水使用要求，采用超滤+反渗透再生水回用处理工艺。建成后出水水质优于《城市污水再生利用 工业用水水质》（GB/T 19923—2005）各项指标要求，出水浊度平均值为0.3 NTU，TDS平均值为110 mg/L。
关键词：再生水；超滤；反渗透
本文发表于中国给水排水2022年第10期，页码：79-82.
抗生素生产废水处理工程实例
曾慧卿，古志豪，王白杨，田宪锋，李庆
（南昌大学 资源环境与化工学院，江西 南昌 330031）
摘 要：某制药公司通过化学合成法生产抗生素原料药，其废水中有机物含量高且难生物降解，原有处理工艺出水水质无法满足排放标准。根据废水特性，对原有处理工艺进行改进，用铁碳微电解+芬顿+混凝沉淀组合工艺对高浓度废水进行预处理，再与综合废水混合后进入生化处理段。运行结果表明，该处理系统对抗生素废水降解性能良好，预处理段COD去除率达到50.23%，生化段COD去除率达到94.2%，NH3-N平均去除率为79%以上，出水水质符合园区污水厂纳管标准。
关键词：抗生素废水；微电解；芬顿工艺；生化处理
本文发表于中国给水排水2022年第6期，页码：99-102.
北排清河第二再生水厂低碳运行实践
时玉龙，鲍海鹏，李伟，张荣兵，李广路，白煜，李杰，王之敏，葛勇涛，刘利群，刘屹坤，宋垚，王宇，吴雪松，段长江
（北京城市排水集团有限责任公司，北京 100044）
摘 要：“双碳”目标的达成，对再生水厂低碳运行提出新的更高的要求。2021年清河第二再生水厂聚焦水区节能降耗与泥区消化产能提升重点工作，包括：发挥流域化运营优势，通过流域水量联调，稳定进水负荷；对鼓风机、进水泵等重点耗能设备开展节能优化，保障设备工况与工艺需求及时匹配，实现药耗、电耗双降，水区日均电耗0.353 kW·h/m3，较2020年降低20.7%，节电对应CO2减排比例26.1%；针对泥质与消化池氨氮负荷变化，通过保证初沉泥比例、稳定消化负荷、调控进泥含水率等措施，消化系统沼气产量稳步提升，9月—11月沼气产量均值298 m3/tDS，较1月—8月增幅为21.6%，沼气发电、光伏发电、水源热泵等三项可再生能源利用项目CO2减排比例近22%。清河第二再生水厂将继续以节能降耗与可再生能源利用为抓手引领行业绿色低碳转型。
关键词：污水再生；污泥处理；节能降耗；碳减排；厌氧消化；可再生能源
本文发表于中国给水排水2022年第14期，页码：99-105.
芬顿预氧化+MBR工艺处理制药等化工废水
李志雷1，张开海2
（1.山东省建筑设计研究院有限公司，山东 济南 250021；2.山东省城建设计院，山东 济南 250021）
摘 要：山东省潍坊市某化工园污水处理厂设计处理规模为1×104 m3/d，其中制药等化工废水5 000 m3/d，非化工废水5 000 m3/d，设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。采用分质处理，化工废水采用芬顿预氧化+脉冲水解酸化+两级AO+MBR组合工艺，非化工废水采用预处理+AAO生化+三沉池组合工艺。该项目从2014年1月开始运营，处理效果良好，出水水质稳定达标。
关键词：制药废水；分质处理；芬顿预氧化；MBR工艺
本文发表于中国给水排水2022年第10期，页码：160-165.
氧化/陶瓷膜过滤组合工艺处理石化废水研究
黄文靓，付宛宜，张锡辉
（清华大学 深圳国际研究生院，广东 深圳 518055）
摘 要：以天津某油田开采废水为原水，采用氧化/陶瓷膜过滤组合工艺对混凝预处理后的上清液进行处理，对比了H2O2、NaClO和O3三种氧化剂分别与陶瓷膜组合的处理效果。结果表明，O3氧化效果最好，在O3投加量为80 mg/L条件下，O3/陶瓷膜组合工艺对浊度、石油类物质、COD、DOC、UV254及荧光类有机物的去除率分别达到99.69%、86.52%、71.03%、46.02%、58.79%和94.14%，并且O3与陶瓷膜之间存在协同作用。陶瓷膜纳米膜孔催化臭氧氧化，可提高有机污染物的降解效率，同时O3能够有效缓解陶瓷膜污染。将臭氧/陶瓷膜组合工艺应用于石化废水处理领域，具有较高的技术可行性和应用价值。
关键词：石化废水；氧化；陶瓷膜过滤；臭氧
本文发表于中国给水排水2022年第8期，页码：65-72.
硫自养并联异氧深床反硝化滤池+臭氧氧化工艺在工业园污水处理厂的应用
张开海1，高宗仁1，孙召强2，刘增军1，赵银河3
（1.山东省城建设计院，山东 济南 250021；2.北京泰科智康环保科技有限公司，北京 102200；3.山东省建筑大学，山东 济南 250101）
摘 要：将硫自养并联异氧深床反硝化滤池+臭氧氧化应用于某工业园污水处理厂提标改造工程中，工程建成运行一段时间，运行效果良好，对COD、TN具有良好的去除效果。改造后出水COD平均下降13.2 mg/L，平均TN下降6.65 mg/L，硫自养反硝化滤池比改造前下降9.42 mg/L。
关键词：硫自养反硝化；深床反硝化；臭氧氧化；脱氮除磷
1 工程概况
山东某工业园污水处理厂，工程设计规模为6×104 m3/d，主要处理石油化工、印染、纺织等工业废水，原出水设计标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918－2002），采用粗格栅提升泵站+细格栅曝气沉砂池+水解酸化+氧化沟（多级A/O）+二沉池+二次提升泵站+高效沉淀池+滤布滤池+次氯酸钠消毒池工艺，提标改造工程二次提升后采用硫自养并联异氧深床反硝化滤池+臭氧氧化工艺，提标改造后出水水质COD、NH3-N、TP达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类标准，TN达到12 mg/L。设计进水水质和出水水质见表1：
表1 进、出水水质
|
项目 |
CODcr (mg/L) |
BOD5 (mg/L) |
NH3-N (mg/L) |
TN (mg/L) |
TP (mg/L) |
|
进水 |
500 |
150 |
50 |
80 |
8 |
|
出水 |
≤30 |
≤6 |
≤1.5 |
≤12 |
≤0.3 |
1.1 硫自养并联异氧深床反硝化滤池
深床异氧反硝化滤池是集生物脱氮及过滤功能合二为一的处理单元，反硝化深床滤池采用2~3 mm石英砂介质滤料，滤床深度通常为1.83~2.44 m。反硝化深床滤池系统在介质固体表面生长的脱氮卫生物，在兼氧-无氧条件下将污水中的硝态氮转化为氮气[1]。作用是反硝化细菌的厌氧呼吸过程，硝酸盐是电子受体，氮气是代谢产物，要完成这一厌氧过程，必须提供电子供体（外加碳源）。一般深床异氧反硝化应用于污水深度处理，进水碳源缺乏，溶解氧较高，去除总氮不能太多，否则投加碳源较多，出水COD、SS容易超标[2]。
硫自养反硝化生物滤池是一种新型的固定床降流式生物膜反应器，脱氮硫杆菌微生物利用无机碳（CO2、HCO3-、CO32-）作为碳源，主要以无机物（S、S2-、S2O32-等）作为硝酸盐氮还原的电子供体完成微生物新陈代谢，将硝酸盐氮污染的水中的NO3-N还原为N2释放到大气中，最终实现TN的去除。硫自养反硝化生物滤池不需要外加碳源。典型的代谢过程如下[3]：
以单质硫为电子供体的自养反硝化计量化学公式：
55S+50NO3-+38H2O+20CO2+4NH4+→C5H7O2N+25N2+55SO4-+64H+
计算后去掉1 gN消耗2.51 gS，产生7.54 g硫酸根。
以硫铁矿为电子供体的自养反硝化计量化学公式：
2FeS2+6NO3-+4H2O→6N2+4SO4-+2H++2Fe(OH)3
计算后去掉1 gN，消耗1.42 gFeS2，产生2.28 g硫酸根。
将硫自养反硝化生物滤池和深床异氧反硝化滤池相结合，硫自养反硝化生物滤池和异氧反硝化深床滤池并联运行，可以互相切换运行，可以扬长弊端，节省碳源、取得良好TN、SS去除效果的同时可保证出水COD不超标（见图1和图2）。
图1 自养及异养反硝化池
图2 工艺流程
1.2 臭氧氧化原理
臭氧是一种强氧化剂，与还原态污染物反应时速度快，使用方便，不产生二次污染，可用于污水的消毒、除色、除臭、去除有机物和降低COD等。
臭氧在化学性质上主要呈现强氧化性，氧化能力仅次于氟、·OH和O(原子氧)，其氧化能力是单质氯的1.52倍。
2 主要构筑物设计
①预处理构筑物
②氧化沟（多级A/O）
主要功能：前端设厌氧池，后设缺氧、好氧池为一体，利用生化池内各类微生物降解污水中的有机物、总氮和总磷。其中，好氧池内混合液回流至缺氧池，二沉池污泥回流至厌氧池。
缺氧池停留时间4 h，好氧池停留时间16 h（好氧池采用氧化沟沟型，采用分段曝气组成多级A/O），污泥浓度4 000 mg/L，污泥负荷0.06 kgBOD5/（kgMLSS·d），硝化液回流比300%，污泥回流比100%。
③二次沉淀池、二次提升泵站
直径为38m，数量4座，沉淀池表面负荷qave=0.55 m3/(m2·h)。
④硫自养并联异氧深床反硝化滤池
主要功能：反硝化生物滤池是利用附着在生物滤料上的含有大量反硝化细菌的生物膜在将硝态氮（NO3-N）转化为N2。
设计8格，硫自养和异养各4格。单格尺寸L×B =24.0 m×3.56 m。同时配套废水池和清水池。反洗水泵自清水池取水，用于滤池反冲洗；废水池用于缓冲滤池反冲洗废水量；滤池反冲洗系统设备含反冲洗水泵、反冲洗风机和反冲洗废水排放泵等。设计进水TN≤18 mg/L, SS≤20 mg/L，出水TN ≤8 mg/L, SS ≤10 mg/L。
滤池水头损失小于2.0 m，填料层高度为2.4 m，平均滤速为3.66 m/h，峰值滤速为5.34 m/h，强制滤速为4.18 m/h。自养反硝化滤池：格数4格，滤料体积为820 m³，反硝化负荷为0.37 kgNOx-N/(m³·d)。异养反硝化滤池：格数为4格，滤料体积为820 m³，反硝化负荷为0.37 kgNOx-N/(m³·d)。
⑤臭氧氧化池
臭氧接触池：反应时间90 min，有效水深6.0 m，臭氧设计投加量20 mg/L，臭氧最大投加量30 mg/L，采用射流曝气。
⑥高效沉淀池
平均表面负荷：6.66 m3/（m2·h）。
⑦次氯酸钠消毒池
接触反应时间30 min。
3 运行效果分析和经济分析
3.1 运行效果
该污水处理厂提标改造工程于2020年9月10日开工，2021年2月30日完成全部土建施工和设备安装，2021年3月开始系统的试运行和调试。
2021年COD运行监测数据见图3。2021年全年进水COD平均为297 mg/L，最小83 mg/L，最大909 mg/L，90%覆盖率和95%覆盖率分别为420 mg/L和489 mg/L，出水最小11.7 mg/L，最大57.8 mg/L，平均出水浓度27.9 mg/L，4月份之前原有工艺运行，出水COD平均为37.8 mg/L，最小20.8 mg/L，最大27.8 mg/L，4月份之后采用新工艺运行，出水COD平均为24.6 mg/L，最小11.7 mg/L，改造后出水平均COD下降13.2 mg/L。
a. 进出水COD
b. 出水COD
图3 2021年COD运行监测数据
2021年TN运行监测数据见图4。2021年全年进水TN平均为44.9 mg/L，最小10.6 mg/L，最大106.2 mg/L，90%覆盖率和95%覆盖率分别为58和62 mg/L，出水最小1.48 mg/L，最大23.4 mg/L，出水平均浓度7.4 mg/L，采用新工艺之前，出水TN平均为12.9 mg/L，最小6.3 mg/L，最大23.4 mg/L，采用新工艺运行后，出水TN平均为6.25 mg/L，最小1.49 mg/L，改造后出水TN平均下降6.65 mg/L。
硫自养滤池出水总氮较低，滤池平均进水、出水分别为9.75和3.48 mg/L，异氧滤池由于没有投加碳源，几乎没有去除，硫自养滤池和异氧反硝化滤池混合后出水平均TN为6.3 mg/L。
同时考察硫自养滤池总氮降低，进出水硫酸盐、碱度、COD变化情况，总氮平均去除6.27 mg/L，出水硫酸根平均增加22.70 mg/L，碱度平均下降22.33 mg/L，COD平均增加3.58 mg/L。
硫自养滤池出水COD增加，可能由于二氧化碳的加入反应引起，碱度降低由于硫自养反应产酸所致，出水硫酸盐有所增加，去除一个氮约增加3.6 mg/L硫酸根，比计算的7.54 mg/L偏低较多，分析原因，可能进水有一定的悬浮物，水中和填料中含有一定的二价硫，离子态的硫酸根和负二价硫离子在酸性环境下发生如下反应：3H2S+H2SO4→4H2O+3S
|
a. 进出水TN b. 出水TN |
|
|
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c. 工艺段进出水TN 图3 2021年运行监测数据 |
3.2 经济分析
本项目工程总投资约为6 800万元[4]，深床反硝化未加碳源，去除单位TN消耗的滤料质量比约为1:3，按去除6 mg/L NOx-N计算滤料消耗量为18 mg/L，自养脱氮滤料价格按5 000 元/t计算，折合吨水0.09元。而常规反硝化深床滤池需投加乙酸钠碳源，去除6 mg/L NOx-N计算乙酸钠消耗量为35 mg/L，25%乙酸钠按照1 500元/t计算，药剂费折合吨水0.21元。
本项目将硫自养反硝化生物滤池和深床异氧反硝化滤池相结合，硫自养反硝化生物滤池和异氧反硝化深床滤池并联运行，可以互相切换运行，可以扬长弊端，节省碳源、取得良好TN、SS去除效果的同时可保证出水COD不超标。硫自养反硝化生物滤池对TN去除效果良好，大约有6~7 mg/L去除，硫自养出水总氮较低，平均为3.48 mg/L，能够实现极限脱氮。
采用射流曝气臭氧氧化，氧化效果良好，对COD约有5~10 mg/L的去除，采用射流曝气效果良好，臭氧:COD约为2:1~4:1，能够节约一定的运行成本。
4 结论与建议
①将硫自养并联异氧深床反硝化滤池+臭氧氧化+高效沉淀池工艺应用于某工业园污水处理厂提标改造工程去除TN和COD效果明显，稳定达到准四类标准，大大降低碳源投加，有一定的推广价值。
②硫自养滤池总氮降低，进出水硫酸盐增加比例计算偏低，约为理论计算的一半左右，硫酸盐降低的机理需进一步研究，以产生更少的硫酸盐，消耗更低的硫填料，进一步降低对环境的影响和运行费用。
③需进一步研究硫自养产生硫酸盐和硫化氢的研究，确保生产安全。
参考文献：
[1]杨晨宵，盛铭军，黄继会，等.“准Ⅳ类”标准下城镇污水厂提标改造的难点与举措[J]. 工业水处理，2020，40（11）：15-21．
[2]吕瑞滨，汪喜生，沈怡雯，等．反硝化深床滤池工艺在污水处理厂的应用效果[J]. 净水技术，2020，39（2）：106-108
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[4]高宗仁，张开海. 自养型反硝化+臭氧催化氧化应用于污水厂准Ⅳ类出水提标[J]. 工业水处理，2022，42（9）：190-195
反渗透系统硅酸盐结垢的特征及控制
刘超1，邹高辉2，朱列平1，赵杰1，李永国1
（1.蓝星东丽膜科技<北京>有限公司，北京 101318；2.东丽TARC水处理研究所，上海 201109）
摘 要：本文系统阐述了反渗透（RO）系统运行过程中硅酸盐结垢的形成机理及影响因素，结合煤化工行业的典型案例对RO系统中硅酸盐结垢的特征及危害性进行了详细说明，以及对硅酸盐结垢的预防和清洗提出了建议措施。
关键词：反渗透：硅酸盐结垢：煤化工
硅酸化合物也是天然水中的一种主要杂质，往往是由于水和含有硅酸盐和铝硅酸盐的岩石相接触后溶解在水中，一般地下水的硅酸化合物含量比地面水含量多，常规的水源中SiO2的含量<50 mg/L[1]。在工业废水回用项目中，特别是煤化工废水回用系统，由于废水中的SiO2含量一般较高，造成RO系统易发生硅酸盐结垢，从而严重影响了RO膜的使用寿命及系统的稳定运行。在国内目前热门的零排放领域，由于SiO2的难以去除性，RO系统经常发生硅酸盐结垢问题，因此硅酸盐结垢已成为目前最难解决的难题之一。本文以内蒙古某煤化工企业废水回用系统RO故障为例介绍硅酸盐结垢的特点和解决方案。
1 RO系统硅酸盐结垢的特征及控制
1.1 RO系统硅酸盐结垢机理
RO系统中对于SiO2的含量较为敏感，原因是由于SiO2在饱和的状态下能聚合为非常难溶解的胶体硅沉积于膜表面且难以清洗。SiO2在RO浓水段的浓度允许值取决于SiO2的溶度积，同时受水温和pH影响很大。SiO2的溶解度与水温成正比，如25 ℃时溶解度为100 mg/L，40 ℃时则为160 mg/L[2]。SiO2的溶解度与pH的关系：
H2SiO3≒H++HSiO3- （1）
HSiO3- ≒H++SiO32- （2）
其中K1=〔H+〕×〔HSiO3-〕（25 ℃时，K1=1×10-11），K2=〔H+〕×〔SiO32-〕/〔HSiO3-〕（25 ℃时，K2=1×10-13）。根据这2个常数可算出不同pH时各种硅酸化合物的相对百分含量。
pH=7~8时SiO2呈溶解态硅酸，水中同时有H2SiO3和HSiO3-；pH较低时，呈游离酸的溶液，或钙镁硅酸盐胶溶状态存在；当pH较高时，如水中有钙镁离子则呈钙镁硅酸盐的胶溶状态。
RO进水中SiO2浓度根据浓水侧最大溶解度和浓缩倍数决定，一般规定RO进水SiO2浓度为20 ppm。进水中铁、铝离子含量对硅酸盐结垢影响较大，因此前提条件设定为水中含氧量（DO）<0.5 mg/L、当pH<6时，铁离子、铝离子<0.05 mg/L。实际运行中发现，硅结垢的发生大多数为水中存在铝或铁离子。铁和铝离子会与硅发生反应，形成难溶金属硅酸盐（硅酸铝和硅酸铁），而且所形成的金属硅酸盐会改变SiO2溶解度，从而进一步快速污堵膜元件。研究表明，即使水中的硅浓度较低（10 ppm），50 ppb浓度的铝，也会引起系统性能的下降[3]。RO进水中如果存在SiO2的话，应尽量保证进水中没有铝或铁，并且推荐使用1 μm的保安滤器滤芯，同时采取预防性的酸性清洗措施，或增加预处理工艺尽量降低SiO2浓度并采用合适的阻垢剂以降低硅酸盐结垢的可能性。
内蒙古某煤化工企业废水回用项目工艺为高密池+V型滤池+超滤+阳离子交换树脂+中压RO、高压RO，其中高压RO系统用于处理中压RO系统浓水。项目水质检测结果如表1所示。从水质检测结果中可以看出，项目原水和RO进水中Al和SiO2的含量均比较高。
表1 项目水质检测结果
|
测试项目 |
单位 |
原水 |
高密产水 |
V滤产水 |
RO进水 |
一段产水 |
二段产水 |
|
浊度 |
NTU |
12.3 |
18.6 |
0.38 |
1.15 |
0.12 |
0.21 |
|
pH |
— |
8.11 |
9.64 |
8.87 |
8.79 |
9.08 |
8.67 |
|
DOC |
mg/L |
8.4 |
8.0 |
7.8 |
7.7 |
1.2 |
4.5 |
|
EC |
μs/cm |
7710 |
8380 |
8150 |
8150 |
3850 |
7280 |
|
CODcr |
mg/L |
62 |
58 |
68 |
56 |
16 |
40 |
|
总硬度(以 CaCO3 计) |
mg/L |
317 |
43 |
52 |
8 |
2 |
3 |
|
K |
mg/L |
52.7 |
51.6 |
54.7 |
53.7 |
20.7 |
45.1 |
|
Na |
mg/L |
1460 |
1670 |
1590 |
1610 |
538 |
1450 |
|
Ca |
mg/L |
85.6 |
10.0 |
14.0 |
2.37 |
0.55 |
1.05 |
|
Mg |
mg/L |
24.6 |
4.26 |
4.02 |
0.46 |
0.08 |
0.19 |
|
Al |
mg/L |
0.140 |
0.058 |
0.126 |
0.100 |
0.011 |
0.026 |
|
Fe |
mg/L |
0.15 |
<0.01 |
<0.01 |
0.02 |
<0.01 |
<0.01 |
|
Mn |
mg/L |
0.03 |
<0.01 |
<0.01 |
<0.01 |
<0.01 |
<0.01 |
|
Si(以 SiO2计) |
mg/L |
38.5 |
27.7 |
28.5 |
28.2 |
18.7 |
15.8 |
|
F- |
mg/L |
21.3 |
20.5 |
17.4 |
19.2 |
5.0 |
16.1 |
|
Cl- |
mg/L |
2019 |
2318 |
2222 |
2206 |
735.3 |
2091 |
|
NO3- |
mg/L |
120.2 |
123.3 |
117.4 |
116.3 |
81.8 |
86.9 |
|
NO2- |
mg/L |
0.70 |
1.10 |
0.80 |
1.10 |
0.60 |
0.90 |
|
PO43- |
mg/L |
0.56 |
0.09 |
0.08 |
0.08 |
<0.01 |
0.04 |
|
SO42- |
mg/L |
348.5 |
346.8 |
326.2 |
327.5 |
16.2 |
207.1 |
|
TN |
mg/L |
175.2 |
172.3 |
167.6 |
155.4 |
99.7 |
125.7 |
|
TP |
mg/L |
3.32 |
0.94 |
0.84 |
0.76 |
0.22 |
0.43 |
1.2 RO系统硅酸盐结垢特征及危害性
RO系统一旦发生硅酸盐结垢，就会出现脱盐率快速下降，产水量快速下降，常规化学清洗后虽然系统产水量能够恢复，但系统脱盐率小幅下降约0.5%且不可逆。严重结垢时会出现压差快速上升，甚至发生浓水格网冲出现象。严重结垢的膜片在显微镜下观察，发现膜表面存在细小划痕（如图1所示），膜片已经出现不可逆的物理划伤。这主要是因为硅酸盐水垢是众多类型水垢中最为坚硬的，化学清洗过程中结垢物松脱，冲洗时硅酸盐垢随水流在膜表面移动，因而造成膜表面脱盐层划伤。典型结垢物中，碳酸钙的莫氏硬度（金刚石为10）约为3，氟化钙的莫氏硬度约为4，而硅酸盐的莫氏硬度与含水量有关，为4.5～7.5，因此硅酸盐结垢造成的物理损伤最为严重。硅酸盐结垢的电镜照片见图2。
图1 电子显微镜下膜片图像
图2 电子显微镜下污染物图像
该煤化工企业的废水回用RO系统最恶劣运行状态时，运行8 h即需要进行化学清洗，否则产水量不断下降进而造成RO浓水溢流并回流至进水，最终导致RO进水含盐量不断上升。对发生污堵的膜元件进行解剖分析发现，膜表面底层为黑色污染物而表层为灰色结垢物，灰色结垢物干燥后呈白色。对膜片进行染色后发现膜片背面存在刮伤渗漏点及点状面渗漏，说明已经出现物理损伤。对膜片不同部位进行性能评价，发现脱盐率和产水量分布不均且明显下降，平均脱盐率为68.27%，平均通量为0.16 m/d（如图3所示）。
图3 膜片性能评价结果
膜表面污染物能量色散X射线光谱法（EDX）分析结果见图4和表2。
图4 污染物EDX谱图
表2 污染物无机成分EDX分析结果
|
污染物状态 |
膜面刮取后污染物无机成分 |
|
元素 |
质量含量（%） |
|
O |
56.00 |
|
Si |
26.60 |
|
Al |
9.13 |
|
Na |
7.13 |
|
Cl |
1.14 |
值得注意的是，EDX法主要用于鉴别膜表面污染物，并且可以定量分析污染物的元素含量。通过分析污染物中元素的种类和含量来确定污染物的主要成分。图4和表2显示无机物比例为80.5%，主要为无机污染物，污染物无机成分主要含有O（56.00%），Si（26.60%）和Al（9.13%），即硅酸铝结垢。
1.3 RO系统硅酸盐结垢的预防和清洗
RO系统设计和运行中可采取以下措施预防或减缓硅酸盐结垢：
①控制进水SiO2浓度及控制RO系统的回收率，使浓水中的SiO2浓度降低，避免超过溶度积，是防止SiO2结垢的主要方法；
②采用增加或加强预处理工艺，如用石灰软化，可降低给水中约50%的SiO2，或是进行石灰－纯碱软化预处理时添加氧化镁或铝酸钠以减少进水中的SiO2浓度；
③适当提高水温（不得超过40℃），有助于提高SiO2的溶解度，减缓硅酸盐结垢；
④适当提高进水的pH有助于提高SiO2的溶解度，减缓硅酸盐结垢；
⑤预处理投加对硅结垢有针对性的阻垢分散剂，不同阻垢分散剂的浓水侧允许最大SiO2浓度不同，详情请咨询阻垢剂厂商；
⑥可使用强碱性阴离子交换树脂吸附或采用切割分子量小于10000的超滤膜去除胶体硅。
常规化学清洗一般可以恢复部分产水量，但清洗后系统脱盐率下降约0.5%且不可逆。实践中发现，氢氟酸可以用于清洗硅酸盐结垢，可采用0.1%的HF+0.4%HCI混合进行化学清洗，或采用0.1%NaF+0.4%HCI[4]，但清洗过程中须特别注意以下两点：（1）清洗液浓度须根据实际污堵情况进行调整，建议进行试验性清洗后确定适宜清洗浓度；（2）氢氟酸具有极强的腐蚀性，吸入蒸汽或接触皮肤均会造成难以治愈的灼伤甚至死亡，因此化学清洗时必须做好防护措施且须专业人员进行操作。
该煤化工企业的废水回用RO系统针对硅酸盐结垢问题首先进行了阻垢剂的调整，投加对硅结垢有针对性的阻垢剂，但效果并不明显。于是在后续技改中在预处理工艺段增加一套除硅高密池，因受场地限制采用部分原水除硅工艺，即部分原水经过新建除硅高密池后与原高密池产水混合进入后续工艺，新建高密池内投加氧化镁以降低硅酸盐浓度。目前RO进水SiO2浓度已降至20mg/L以下，化学清洗周期延长至3天左右。
2 结语
近年来随着零排放项目的不断增多，由于原水水质复杂、预处理效果不佳等问题频繁造成RO膜发生硅酸盐结垢问题，并造成运行成本的上升，因此如何避免或缓解硅酸盐结垢成为亟待解决的难题。运行过程中如发生硅酸盐结垢，须及时进行化学清洗并采取预防措施，否则RO膜会发生不可逆损伤。同时，有效的清洗药剂和易操作的清洗方案已成为RO领域专业人士研究开发的重要课题，以期延长RO膜的使用寿命。
参考文献
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渗滤液处理中膜法应用与反渗透应用故障浅析
高振
（蓝星东丽膜科技<北京>有限公司，天津 300073）
摘 要：本文从膜法工艺在垃圾渗滤液处理过程中的主要功能出发，结合本人在垃圾渗滤液项目中遇到的两个反渗透项目典型故障案例的实际情况进行了介绍，提出了垃圾渗滤液项目目前遇到的主要问题，并针对问题提出了改善方法。
关键词：垃圾渗滤液；膜法；反渗透
1 垃圾渗滤液危害与膜法垃圾渗滤液处理特点
垃圾渗滤液具有高浓度有毒有害物质，成分复杂，有机物含量高，水质和水量波动大，处理困难等特点，其对环境危害很大。目前主要处理垃圾渗滤液的方法有：并入城市污水厂处理、垃圾填埋场循环处理、到垃圾焚烧发电厂焚烧，废渣再处理等。膜法工艺由于其设备简单，操作方便，出水水质较好等特点，在垃圾渗滤液处理过程中得到越来越多的应用。
2 常见膜法处理工艺简介
目前常见的膜法垃圾渗滤液处理工艺主要为：生化法（A/O或A2/O）+MBR/管式超滤+纳滤+反渗透（+DTRO）。在常见的膜法垃圾渗滤液处理工艺中，各工艺的主要功能如下：
①非膜法工艺（如传统的生化法或一些厌氧/好氧反应器等）通常做为膜法工艺的预处理工艺；
②MBR：MBR工艺是整个垃圾渗滤液处理系统的核心，是脱除垃圾渗滤液中有机物的主体之一。目前常见的MBR膜组件主要有板式膜组件和中空纤维膜组件，两种MBR组件各有优缺点，板式MBR膜组件较中空纤维膜组件具有跨膜压差低、污泥浓度较高、预处理要求较低、维护清洗频率较低、无需反洗、操作相对简单等优点；中空纤维MBR膜组件则具有装填密度相对较高，膜池占地面积较小，膜组件设备投资较低等优点。垃圾渗滤液有机物浓度较高，在相同的污泥负荷情况下，MBR膜池内活性污泥浓度越高，也就意味着其处理有机物能力越强。
③超滤：超滤由于过滤精度较高，可将生化部分带来的微生物菌体、沉淀物从污水中分离出来，此外超滤也能脱除废水中一部分分子量较大的有机物。垃圾渗滤液经过生化法处理，其含有的污染物浓度往往仍然较高，进入超滤工艺的水往往具有较高的浊度、色度、COD以及较重的味道，因此，在垃圾渗滤液处理工艺中的超滤（常见管式超滤）用于MBR之后，做为NF和RO的预处理，可进一步去除水中杂质，确保后续工艺的稳定运行。
④纳滤：MBR或超滤工艺产水中的主要污染物通常为有机物、微生物、硬度、碱度及重金属等。纳滤工艺可以去除MBR或超滤工艺产水中的绝大部分有机物和多价无机盐，其产水基本可以达到排放标准。纳滤工艺的浓水一般回流到垃圾填埋场或者进一步蒸发处理；目前垃圾渗滤液处理过程中纳滤系统回收率一般比较高（80%~85%），且进水有机物含量较高，这导致了纳滤面临的最大问题是膜污染和结垢。垃圾渗滤液纳滤处理膜元件寿命往往较低。就目前已了解到的一些垃圾渗滤液处理项目来看，绝大部分纳滤工艺产水的水质都不能满足反渗透进水的要求，一般都会带有较高的色度以及难闻的味道，处理效果并不理想。
⑤反渗透工艺在渗滤液处理工艺中主要起到降低外排水的电导率和有机物含量的作用，此外，反渗透工艺可以大幅度截留垃圾渗滤液中离子态氮（如硝酸根等），降低产水中的总氮值，最终使排放水达到国家排放标准以下。就目前了解到的垃圾渗滤液处理现场反渗透使用情况看，主要存在以下问题：
a. 浓水回流增大系统回收率：反渗透或纳滤工艺往往考虑浓水回流的方式来提高系统回收率，很多垃圾渗滤液处理系统也采用了两段式浓水回流的纳滤或反渗透工艺，由于垃圾渗滤液进水往往高含盐量和高有机物的特点，浓水回流往往会导致纳滤或反渗透系统的进水进一步恶化，加速了膜污染的速度，进而影响了膜元件的使用寿命；
b. 段内循环增压泵的使用：在已了解过的垃圾渗滤液处理现场，很多反渗透处理系统都设置了单段浓水回流（即每一段的浓水通过段内循环增压泵泵在本段内部循环，段内循环量是反渗透系统进水量的几倍），这样做可以增大膜元件进水侧流速，防止污染物沉积污染膜元件，但浓水的大量回流又会导致段进水水质的恶化，从而加重膜污染。在水质较差的垃圾渗滤液系统中，回流会导致膜清洗频繁，从而影响膜元件寿命。
c. 仪表设置存在问题：由于垃圾渗滤液项目普遍较小，且为了提高回收率往往采用两段式设计。但在我们现场调查的垃圾渗滤液项目中，一些系统设置监控数据往往存在问题，如两段式系统仅设置进水和浓水压力表，段间压力不能监控；或者单支膜壳设置段内循环增压泵，但无法检测进该支膜壳进膜的压力以及电导率等，这都会造成运行过程中无法及时发现膜系统的故障，最终导致膜元件的严重污染或损伤。
d. DTRO：DTRO主要作用是进一步降低系统浓水排放量，但也会造成循环水浓度的进一步提升。
3 生活垃圾填埋污染控制标准(GB 16889—2008)
部分垃圾填埋场是通过膜法来去除渗滤液中的有机物，解决渗滤液处理处理过程中COD排放不达标的问题。我国制定的生活垃圾填埋污染控制标准(GB 16889—2008)对污染物排放做出了相关规定，参考表1：
表1 生活垃圾填埋污染控制标准（GB 16889—2008）
|
序号 |
控制污染物 |
排放浓度限值 |
污染物排放监控位置 |
|
1 |
色度（稀释倍数） |
40 |
常规污水处理设施排放口 |
|
2 |
化学需氧量（CODCr）（mg/L） |
100 |
常规污水处理设施排放口 |
|
3 |
生化需氧量（BOD5）（mg/L） |
30 |
常规污水处理设施排放口 |
|
4 |
悬浮物(mg/L) |
30 |
常规污水处理设施排放口 |
|
5 |
总氮（mg/L） |
40 |
常规污水处理设施排放口 |
|
6 |
氨氮（mg/L） |
25 |
常规污水处理设施排放口 |
|
7 |
总磷（mg/L） |
3 |
常规污水处理设施排放口 |
|
8 |
粪大肠菌群数（个/L） |
10 000 |
常规污水处理设施排放口 |
|
9 |
总汞（mg/L） |
0.001 |
常规污水处理设施排放口 |
|
10 |
总镉（mg/L） |
0.01 |
常规污水处理设施排放口 |
|
11 |
总铬（mg/L） |
0.1 |
常规污水处理设施排放口 |
|
12 |
六价铬（mg/L） |
0.05 |
常规污水处理设施排放口 |
|
13 |
总砷（mg/L） |
0.1 |
常规污水处理设施排放口 |
|
14 |
总铅（mg/L） |
0.1 |
常规污水处理设施排放口 |
4 垃圾填埋场故障介绍
下面结合两个典型故障案例给大家介绍一下垃圾填埋厂项目反渗透系统所面临主要问题，参考表2：
表2 垃圾渗滤液项目典型反渗透案例故障介绍
|
|
案例1 |
案例2 |
|
处理水去处 |
排放至市政污水管道 |
排放至市政污水管道 |
|
故障情况 |
业主反映反渗透早期产水正常，但运行近3年，产水量逐渐降低至最后无法产水 |
产水COD超过排放标准 |
|
故障原因 |
反渗透浓水回灌至垃圾填埋场，导致系统进水电导率逐年提升，早期电导约为2000-3000us/cm，到厂检测时进水电导率已达26000us/cm，当初选择的苦咸水膜已无法正常使用。 |
现场观察，可能由于系统污染导致部分膜壳适配器发生内漏，引起产水水质变化。 |
|
处置方法 |
暂时措施：建议更换海水膜元件，并对现有设备进行相应改造，提高运行压力； 长期措施：浓水不要回灌，建议设置浓水处理单元。 |
检测膜壳内漏情况，排除内漏点 |
案例1是典型的垃圾渗滤液处理过程中由于回灌导致的膜系统无法正常运行的案例。这类情况经常发生于处理后的浓水无法外排或处理的垃圾渗滤液项目中，最终的结果往往是由于进水含盐量过高，导致反渗透膜系统无法继续运行，而这个过程一般在2~3年左右就能显现出来。另外，根据现场调查，现场采用电导率为2 000~3 000us/cm的水源模拟初期设计反渗透进水时，反渗透产水电导率及产水量基本正常，但切换至垃圾渗滤液后，脱盐率大幅度降低（参考表3）。
表3 不同水源膜壳产水电导率对比
|
RO1 自来水 |
膜壳进水 电导率（us/cm） |
膜壳产水 电导率（us/cm） |
原水 电导率（us/cm） |
膜壳 脱盐率（%） |
|
下 |
8 900 |
110 |
2 700 |
98.76 |
|
RO1 渗滤液 |
膜壳进水 电导率（us/cm） |
膜壳产水电导率（us/cm） |
原水 电导率（us/cm） |
膜壳 脱盐率（%） |
|
下 |
28 300 |
8 500 |
26 000 |
69.96 |
此外，在对案例1的调查过程中发现，采用垃圾渗滤液做为进水时，随着时间的推移，同位置膜壳的产水电导率快速升高，见表4：
表4 膜壳产水电导率随时间增长情况
|
时间 |
RO1 渗滤液 |
膜壳产水电导率（us/cm） |
原水电导率(us/cm) |
|
16:55 |
上 |
12 800 |
26 000 |
|
中 |
10 800 |
||
|
下 |
8 500 |
||
|
17:00 |
上 |
31 800 |
26 000 |
|
中 |
30 400 |
||
|
下 |
28 300 |
由于产水量过低，各个膜壳产水量已无法在流量计上显示（即产水量达不到流量计最下限），而在每支膜壳产水取样管取得的单支膜壳产水电导率随时间而快速增长，这表明膜表面发生了浓差极化，导致产水电导率快速升高，这是主要是由于系统设计单支膜壳内循环泵导致浓水不断回流，超出原有系统设计范围，从而导致严重的浓差极化；
在随后对膜元件性能的检测结果中我们发现，尽管已经使用了接近3年时间，外观存在较多污染的痕迹，但膜元件在标准评测条件下的脱盐率衰减不是很突出。参考下表（表5）：
表5 膜元件性能检测结果
|
测试状态 |
脱盐率（%） |
产水量（m3/d) |
|
出厂性能 |
99.7 |
50.9 |
|
返送膜元件 |
99.68 |
39.6 |
|
碱洗后 |
99.51 |
57.6 |
案例2可以看作是一例典型的反渗透故障，由于新系统安装不当或者反渗透系统的高压差导致的部分膜壳内的膜元件与连接件之间发生内漏问题，导致部分膜壳产水水质变差，从而影响整体产水水质。
5 垃圾填埋场故障浅析与改善建议
通过现场调查，我们发现垃圾填埋厂膜法渗滤液处理项目存在以下问题：
①膜污染较快，清洗频繁，运行故障较多，膜元件寿命普遍较短。
②设备、管道以及仪表腐蚀比较严重。
③浓水回灌导致进水含盐量逐年提高，最终导致反渗透膜系统难以运行。
④反渗透系统自身的浓水回流也是导致垃圾渗滤液项目膜元件寿命较低的重要原因。
⑤现场仪表设置往往不能满足设备运行监控的需要。
从目前垃圾填埋厂运行项目的调查结果来看，需要考虑以下几个方面的改善：
①设备及仪表的及时检测与更换，确保系统监控数据的准确；
②对于无法外排浓水的项目，可以考虑采用蒸发结晶的方法，经高浓度废水转化为固体废弃物处理。如果后续有垃圾焚烧项目，可以将最终浓水引致焚烧炉焚烧处理。
③及时化学清洗，如无法恢复系统性能，则更考虑换膜元件，确保各工段水质合格。
④对于由于回灌导致进水含盐量过高，从而导致无法正常工作的系统，可考虑采用海水膜或高压反渗透膜元件代替原有的苦咸水膜元件，但选择这种方案需要考虑对现有设备进行相应改造，如：更换高压泵至更高扬程、更高等级的耐压管路、现有仪表量程是否与过高的含盐量匹配以及现有药剂是否能在新的工况下发挥作用，是否需要更换新种类的药剂等等，而且，这种方案只能在一定时期内有效，随着浓缩液的不断回灌，反渗透的进水不断的循环浓缩，最终仍会导致含盐量过高而导致反渗透系统无法运行。因此，解决循环液浓缩的问题需要考虑将其外运或者转换为固体废弃物排出系统，而不能在系统内部无限制循环浓缩。
⑤可以考虑采用高级氧化技术处理反渗透或纳滤浓水，降低回灌水或后续蒸发结晶进水中的有机物含量。
6 展望与思考
随着各地垃圾焚烧电厂项目的出现，一定程度上可以解决垃圾填埋厂渗滤液膜法处理浓水排放的问题。此外，对于有机物浓度较高、且可生化性能较好的回灌水是否也可以考虑采用厌氧工艺处理，进一步回收利用有机物，将其变废为宝？不论如何，垃圾渗滤液处理工艺中仍存在很多问题需要我们发现和解决。
参考文献：
[1]袁维芳,汤克敏.反渗透法处理城市垃圾填埋场渗滤液[J].水处理技术,1997,23(6):333-335.
[2]任鹤云,李月中.MBR法处理垃圾渗滤液工程实例[J].给水排水, 2004,30(10):36-38.
双级联动反渗透系统故障分析
高振1，聂明2
（1.蓝星东丽膜科技<北京>有限公司，北京，101318；2.中海油天津化工研究设计院有限公司，天津，300000）
为了提高反渗透系统的产水水质，在工程应用中往往采用双级反渗透系统，后续工艺根据需要采用EDI、混床工艺或直接使用。本文针对某电厂双级反渗透运行中的故障进行了现场调查，并对故障产生原因进行了分析。
1 故障概述
现场采用地下水为水源，工艺为超滤+双级反渗透+EDI，双级反渗透直接通过管路连接，一级8：6排列，二级6：3排列，均为6芯。启动系统后约3个月左右，现场一级反渗透系统脱盐率大幅度降低。
2 系统检测与分析
2.1 系统运行数据采集与分析
根据系统采集数据看，该系统一级膜组回收率接近80%，但系统压差较小，脱盐率较差（仅73%左右）。初步怀疑系统由于回收率过高导致结垢问题（见表1）。
表1 一级系统原始运行数据
|
膜组编号 |
进水温度 |
运行压力 |
运行水量 |
电导率 |
一段 压差 |
二段 压差 |
回收率 |
脱盐率 |
|||||
|
进水 |
段间 |
浓水 |
产水 |
产水 |
浓水 |
进水 |
产水 |
||||||
|
℃ |
Bar |
Bar |
Bar |
Bar |
m3/h |
m3/h |
us/cm |
us/cm |
Bar |
Bar |
% |
% |
|
|
一级膜组 |
31 |
6.6 |
6 |
5.6 |
- |
60.3 |
15.5 |
496 |
133 |
0.6 |
0.4 |
79.55 |
73.2 |
2.2 膜壳电导率检测
从膜壳电导率看，一段整体较低且平均，二段约是一段电导率的14~30倍，表明二段存在影响系统整体脱盐率的故障（见表2）。
表2 膜组单支膜壳电导率检测数据
|
膜组信息 |
一级 |
进水电导 (us/cm) |
496 |
产水电导 （us/cm） |
133 |
|
|
|
|
一段膜壳 |
1# |
2# |
3# |
4# |
5# |
6# |
7# |
8# |
|
电导率 (us/cm) |
10.45 |
10.45 |
10.8 |
10.6 |
- |
10.4 |
10.7 |
10.5 |
|
二段膜壳 |
9# |
10# |
11# |
12# |
13# |
14# |
|
|
|
电导率 (us/cm) |
139 |
230 |
471 |
190 |
299 |
278 |
|
|
2.3 二段进行探针检测
探针结果发现膜壳在浓水侧的产水电导率约是进水侧产水电导率的2.3~3.6倍，在靠近浓水侧均出现先降低后升高的现象，且二段单支膜壳电导率波动较大，波动较大不符合结垢现象导致的脱盐率降低现象，因此暂时无法判断是否存在结垢问题或者由于机械泄漏导致电导率升高（见图1）。
图1 探针结果
2.4 根据数据进行现场模拟计算
根据现场获取的水质和运行数据，采用计算软件进行了模拟，发现模拟结果存在以下问题（报警信息参考图2）：
①二段浓水量不足的报警，这表明膜表面浓水量无法满足系统需要的最低流速，易造成膜污染或结垢；
②浓水LSI较高，系统结垢报警。正常情况下通过阻垢剂可控制系统结垢，但系统由于回收率过高时，原有阻垢剂加药量可能无法阻止结垢问题的发生。
图2 模拟计算报警信息
2.5 拆膜壳检测
现场拆膜壳进行检测，开启膜壳后发现二段膜元件存在较为严重的结垢问题（见图3）：
图3 拆膜壳检测结果
①浓水侧端盖存在较多白色垢体，经过盐酸处理，出现较多泡沫，之后溶解（初步判断为碳酸盐结垢）；
②二段浓水侧最后两支膜元件存在明显结垢现象，前四支膜元件结垢现象不能通过眼睛观察到。
但由于二段膜壳产水电导率波动较大，不符合反渗透系统结垢后二段膜壳电导率相对均匀升高的现象，尽管发现有结垢问题，仍不能排除存在其它故障。为了安全起见，后期从现场取走一支二段膜元件进行了膜元件解剖分析。
2.6 膜元件分析结果
①膜元件超重：膜元件重量17.04 kg，超重较多；
②膜元件脱盐率非常低：产水电导率接近原水；
③膜元件解剖：
膜表面观察无明显污染物，但手触摸存在颗粒物，滴酸产生气泡，表明存在碳酸盐结垢；膜表面存在鼓泡现象，表明二段存在背压现象；膜片染色试验发现膜片存在明显渗漏，表明膜元件膜片损伤（见图4）；SEM观察发现大量片状结垢，主要成分为碳酸盐，同时存在磷酸盐（见图5）。
图4 染色试验结果
图5 膜表面污染物分析结果
通过膜元件分析，表明二段膜元件存在严重的结垢问题导致系统脱盐率降低，同时二段存在背压现象，这使得二段膜壳产水电导率分布不均衡。因此，系统同时存在背压和结垢两种故障导致整体脱盐率降低。
3 系统故障处理过程
3.1 化学清洗
于现场检测时无法判断是否存在背压，仅发现严重结垢问题，因此现场对结垢严重的二段膜元件进行了彻底在线清洗。清洗过程中及时检测pH值的变动，及时补充药剂直至pH不再增长为止。清洗前后数据如下：
3.1.1 二段清洗前后膜壳电导率变化
表3 清洗前后膜壳电导率变化
|
化学清洗前 单位：（us/cm） |
||||
|
143 |
234 |
458 |
|
|
|
188 |
295 |
273 |
二段平均 |
265.2 |
|
化学清洗后 单位：（us/cm） |
||||
|
138 |
228 |
503 |
|
|
|
186 |
309 |
314 |
二段平均 |
279.7 |
3.1.2 系统清洗前后运行数据对比
通过清洗前后对比发现：清洗后系统脱盐率进一步降低，表明碳酸盐结垢问题处理之后，系统仍存在明显的故障导致脱盐率降低，这说明二段可能存在机械泄漏或背压问题，这一点在后来的膜元件检测中得到了验证（见表4）。
表4 清洗前后运行数据变化
|
膜组编号 |
进水温度 |
运行压力 |
运行水量 |
电导率 |
一段 压差 |
二段 压差 |
回收率 |
脱盐率 |
|||||
|
进水 |
段间 |
浓水 |
产水 |
产水 |
浓水 |
进水 |
产水 |
||||||
|
℃ |
Bar |
Bar |
Bar |
Bar |
m3/h |
m3/h |
us/cm |
us/cm |
Bar |
Bar |
% |
% |
|
|
化学清洗前 |
31 |
7.2 |
5.8 |
5.6 |
1.2 |
60 |
19 |
500 |
117 |
1.4 |
0.2 |
75.6 |
76.7 |
|
化学清洗后 |
30.3 |
7.2 |
5.8 |
5.6 |
1.3 |
61 |
19 |
500 |
134 |
1.4 |
0.2 |
76.5 |
73.2 |
3.2 回收率调节
根据现场数据模拟结果发现系统回收率过高，现场对回收率进行了调节，从80%左右降低到75%左右，调节前后运行数据对比如下：
3.2.1 系统运行数据对比
表5 回收率调节前后运行数据变化
|
膜组编号 |
进水 温度 |
运行压力 |
运行水量 |
电导率 |
一段 压差 |
二段 压差 |
回收率 |
脱盐率 |
|||||
|
进水 |
段间 |
浓水 |
产水 |
产水 |
浓水 |
进水 |
产水 |
||||||
|
℃ |
Bar |
Bar |
Bar |
Bar |
m3/h |
m3/h |
us/cm |
us/cm |
Bar |
Bar |
% |
% |
|
|
回收率 调整前 |
31 |
7.4 |
5.9 |
5.7 |
1.3 |
61 |
14.8 |
500 |
126 |
1.5 |
0.2 |
80.47 |
74.8 |
|
回收率 调整后 |
31 |
7 |
5.5 |
5.3 |
1.1 |
60 |
20.7 |
500 |
107.8 |
1.5 |
0.2 |
74.35 |
78.4 |
3.2.2 二段膜壳电导率数据对比
表6 回收率调节前后二段膜壳电导率变化
|
调整前（80%左右回收率） 单位：（us/cm） |
||||
|
143 |
234 |
458 |
|
|
|
188 |
295 |
273 |
二段平均 |
265.2 |
|
调整后（75%左右回收率） 单位：（us/cm） |
||||
|
113 |
191 |
355 |
|
|
|
162 |
253 |
222 |
二段平均 |
216.0 |
通过回收率调节，二段膜壳电导率平均值降低了49.2 us/cm。
4 故障原因分析
4.1 结垢原因分析
①系统结垢的主要原因是系统回收率过高，一般6芯两段系统的典型回收率是75%，回收率过高易造成二段结垢问题，该系统结垢主要是由于过高的回收率导致；
②通过现场调查了解到导致结垢的另一个特殊原因：现场安装二段膜元件时膜元件安装方向错误，即膜元件盐水密封圈放置在了膜元件前端，由于盐水密封圈为楔形结构，导致部分原水（N1）未经过膜元件过滤，直接经过膜元件外壁与膜壳的缝隙成为浓水的一部分，使得膜系统在产水量（P）相同情况下，实际的浓水量（N2）数值上低于表观浓水量（N1+N2），实际膜系统的回收率（R=P/（P+N2））高于表观回收率（R表=P/（N1+N2）），导致严重的结垢问题。
③膜表面污染物中含有较多的磷元素，不能排除阻垢剂问题导致结垢。
4.2 背压原因分析
现场检测没有发现明显的可能导致背压现象的故障，但初步怀疑背压的产生与两级反渗透之间直接管路连接有关，在系统停机时，两级反渗透同时停机，导致一级产水管出现瞬时背压问题。但现场仪表无法显示背压的产生。一般来讲，在运行中常见的背压故障发生情况如下：
①分段化学清洗时产水侧回流阀未开启导致未清洗的膜元件背压受损；
②产水侧压力较高，意外停机导致背压；
③产水管路出口过高，且膜组产水管路未设置单向阀或单向阀失效；
④膜组产水管路阀门内漏，且产水管路单向阀失效，导致未运行膜组反向进水导致背压。由于内漏产生的背压很难在运行过程中被发现。
5 故障处理的建议
5.1 系统故障建议
①系统回收率需要控制，不可盲目提高回收率；
②对于两级联动系统，建议考虑在一级系统和二级系统之间增设缓冲水箱，防止由于故障停机或系统自控问题导致的背压问题；
③安装膜元件时必须按照正确的安装方法进行；
5.2 其它问题建议
①考虑在一级反渗透进水加酸控制pH值，降低碳酸盐结垢趋势；
②对于新项目，现场运行最好考虑进行水质全分析，以防建设期水质检测与运行期水质不符，导致系统污堵或结垢。
