高效低成本電生化膜深度處理印染廢水示范工程
紡織印染行業(yè)生產廢水具有水量大、高鹽分、高COD、處理困難等諸多特點，對大部分企業(yè)進行實際水質檢測的結果表明，經處理后達到排放標準的染色廢水尾水，由于含有染料、表面活性劑、膠質、軟水劑、退漿廢水、堿減量廢水等的各類無機、有機殘余物，水中含鹽量往往達到1 000 mg/L以上，總硬度也遠高于150 mg/L，而且均是用普通的石灰法等難以去除的永久硬度［1～3］，因此即使生化處理后通過常規(guī)加藥能去除大部分色度，如未經脫鹽處理，也不可能滿足現(xiàn)代印染工藝用水水質要求，因此紡織印染廢水的處理首先要考慮COD、色度等的去除，然后還要經過脫鹽等深度處理工藝，才能達到回用水質的要求。
現(xiàn)有的印染廢水處理技術還不夠成熟［4，5］，一般只局限于簡單的處理回用和水質要求不太高的前道工序循環(huán)使用，主要原因在于膜前進水COD濃度等仍然較高，會導致膜堵塞，膜的更換使得回用水處理成本較高，致使目前印染廢水回用率較低，全國平均只有7%左右，廣東省2006年僅11．6%，主要還是冷卻水等。
筆者開展了“磁懸浮/噴動床耦合、微電解/電氧化/Fenton反應系統(tǒng)集成的電氧化處理→高效生化處理→電除鹽纖維膜水回收系統(tǒng)”集成技術創(chuàng)新研究，并在廣東省東莞市某紡織廠建立了3 000 m3/示范工程。該系統(tǒng)采用電除鹽系統(tǒng)代替目前常用的RO膜除鹽，解決了脫鹽工序膜堵塞的難題，且降低了脫鹽工序對進水水質的要求。該技術應用于紡織印染企業(yè)，可將外排污染物總量減少1/3以上，廢水回用率達90%以上。該系統(tǒng)采用電氧化和電除鹽技術構成一個電生化膜系統(tǒng)，簡稱EBM工藝，已申請專利(申請?zhí)?200810198618．8)。
1·原水水質、水量及排放標準
示范工程設計處理水量為3 000 m3/d。原水水質及設計出水水質如表1所示。
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處理后出水水質需達到《城市污水再生利用工業(yè)用水水質》(GB/T 19923—2005)和《循環(huán)冷卻水用再生水水質標準》(HG/T 3923—2007)，且水回用率要達到90%以上。
2·處理工藝流程
該系統(tǒng)工藝流程分兩段:上段是補充河水處理工段，補充河水為東莞市河水，為地表Ⅴ類水;下段是3 000 m3/d廢水處理工段。
其中的1 200 m3/d廢水經集成電氧化系統(tǒng)、高效生化系統(tǒng)、斜板澄清處理后，直接和補充水混合，經物化處理后進入廠內現(xiàn)有離子交換塔軟化，軟化水用于染色。
其中的1 800 m3/d廢水經集成電氧化系統(tǒng)、高效生化系統(tǒng)、斜板澄清處理后，再經過電除鹽，出水(1 260 m3/d)用于漂洗。
將540 m3/d電除鹽濃水、255 m3/d離子交換再生洗水和62 m3/d鍋爐排污的高硬度水一起集中到2臺20 t鍋爐除塵噴淋脫硫系統(tǒng)用作噴淋水，蒸發(fā)375 m3/d，剩余482 m3/d進入原有舊生化池處理后，取300 m3/d回用于沖廁所、洗地板、澆花等。廢水循環(huán)利用率為93．9%。工藝流程見圖1。
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2.1電氧化系統(tǒng)的設計與優(yōu)化
電氧化系統(tǒng)采用磁懸浮/噴動床耦合技術、微電解/電氧化/Fenton反應系統(tǒng)集成技術。工藝流程如圖2所示。
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微電解處理設備為采用電脈沖磁懸浮/噴動床技術耦合的圓柱形塔，高約3 m，直徑為1．5 m，在塔中心放置300 m、高為1．5 m的塑料筒，在筒外纏繞銅線圈，筒里放置高約1 m、具有高電位差的鐵鋁合金熔合銅鉻等催化劑經高溫微孔活化而成的填料，填料直徑約1 mm。采用電脈沖和脈沖進水方式，通電時，銅線圈產生的磁力使填料上浮，結合脈沖進水的上沖力，使填料處于流化狀態(tài)，能有效地防止填料板結及失效，大大提高了微電解的效率，并因采用脈沖運行而使動力能耗大大減小。
電氧化設備為圓柱體，高約3 m，直徑為1．5m，在內部放置鈦涂釕/鐵復合電極板，一般0．5 m2電極板/m3水，電流密度為300 A/m2。電氧化過程中的氧化作用可以分為直接氧化和間接氧化，直接氧化使污染物直接在陽極失去電子而發(fā)生氧化，間接氧化則利用溶液中的電極電勢較低的陰離子(例如OH－、Cl－)在陽極失去電子生成新的較強的氧化劑的活性物質［·OH］、［O］、［Cl2］等，使污染物失去電子，起氧化分解作用，以降低廢水中的BOD5、COD、NH3－N等。鈦涂釕/鐵復合電極基本不發(fā)生磨損，使用壽命長，效率高。
Fenton反應在電氧化槽內就已發(fā)生，但在偏堿性環(huán)境中反應速度慢，經過澄清的上清液中仍然含有Fe2+，在這里輸入微波催化，停留一段時間，F(xiàn)en-ton反應繼續(xù)進行，而且反應加速，效率更高。
集成微電解/電氧化/Fenton反應的處理系統(tǒng)，經濟、實用、安全，設計結構緊湊，便于安裝和操作，具有足夠的電氧化電壓差、電流，并設有氧化還原電位儀，根據(jù)水質情況自動調節(jié)相應的工作電壓，確保將大分子有機物、環(huán)狀化合物降解為直鏈小分子化合物，提高可生化性。此電化學集成系統(tǒng)能夠一次性實現(xiàn)65%的COD去除率、70%的色度去除率、60%的氨氮去除率，極大地提高了廢水的可生化性，降低廢水處理的有機負荷。
2.2高效生化系統(tǒng)的設計
高效生化系統(tǒng)包括延時厭氧、短程好氧、電絮凝反應、斜板澄清四個工段。工藝流程見圖3。
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延時厭氧是將厭氧時間延長到16～48 h，同時在厭氧池巧妙設計生物填料及水流分布，形成均勻推流式水力條件，馴化優(yōu)勢菌種，從而加快生物還原過程，其最大優(yōu)點是脫色性能好、能耗低。
短程好氧是將好氧時間縮短為4～6 h，可降低風機能耗，大大降低生物負荷，同時根據(jù)情況選用空氣或富氧曝氣。
電絮凝反應采用Fe、Al電極，產生鐵、鋁絮凝體，既可有效絮凝懸浮物，又有新生態(tài)的Fe、Al產生，脫色、氧化功能強，根據(jù)相應的氧化還原電位自動調節(jié)電壓、電流值，保證新生態(tài)Fe、Al不過量。斜板澄清技術結合自來水行業(yè)最成熟先進的池型結構和水力條件，采用斜板澄清池強化澄清效果，以提高后續(xù)電除鹽系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
生化池采用延時厭氧、短程好氧工藝，出水COD＜50 mg/L，色度＜10倍，SS＜10 mg/L。
2.3電除鹽系統(tǒng)的設計
傳統(tǒng)工藝采用RO膜回收水，本項目采用電除鹽系統(tǒng)，包括砂濾、纖維過濾、電除鹽系統(tǒng)。由于電除鹽系統(tǒng)所要求的進水水質比RO進水低很多，因此只要經過砂、纖維過濾就可以達到要求，而不會出現(xiàn)RO膜的堵塞問題。
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電除鹽系統(tǒng)在直流電場的作用下，利用選擇性透過膜形成淡水和濃水，有效脫鹽，使產水的COD、總含鹽量、色度保持在一個合理水平。通過對直流電源及主體設備的改進，既保證了系統(tǒng)正常運行，又保證了染色、漂洗用水水質，而且運行費用僅為RO系統(tǒng)的50%。
通過電脫鹽工段后，出水COD＜30 mg/L，TDS＜100 mg/L，色度＜4倍，SS＜2 mg/L，濁度＜1NTU，硬度＜10 mg/L，Cl－＜30 mg/L。
2.4集成電氣控制系統(tǒng)的設計
電氣系統(tǒng)由PLC控制，采用高亮度LED監(jiān)視器，使用方便的操作面板，控制系統(tǒng)與現(xiàn)場水位通過液位器、ORP等來傳遞，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行。
3·廢水處理效果
電生化膜(EBM)系統(tǒng)各段處理效果見表2。
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4·成本分析
傳統(tǒng)生化工藝一般通過增大好氧池(即曝氣池)、強烈曝氣來脫除色度和COD，污泥回流量大，基建和運行費用很高，因為考慮占地面積問題，厭氧池設計很小，厭氧停留時間很短，有的就將調節(jié)池作為厭氧池，忽略了厭氧池的功效，出水COD一般為100 mg/L左右，色度為300倍［5，6］。本系統(tǒng)采用電氧化、延時厭氧、短程好氧工藝，基建和運行費用是傳統(tǒng)工藝費用的50%。由于印染廢水水質波動極大，電氧化工序的增加有效降低了生化池的負荷，提高了系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)可以做到出水COD＜60mg/L，色度＜100倍，運行穩(wěn)定。
回用工藝中，傳統(tǒng)工藝一般采用RO膜回收水［7］，RO膜對進水水質要求條件較高，要求COD＜15 mg/L，SDI＜5，濁度＜1 NTU，余氯＜0．1 mg/L，且不含其他氧化劑，所以前處理工序煩瑣，不但必須要增加超濾等精密過濾設備，而且要投加還原劑、軟化劑等，投加的藥劑最終在濃水中聚集，需要進一步處理。另外，RO系統(tǒng)需要高壓泵輸水，控制閥門多，常發(fā)生機械故障，最重要的是運行能耗高，至少2～2．5元/m3(不含人工費)。
按照100 m3/h水量計算，RO膜系統(tǒng)平均造價約350萬元，膜成本約占40%，則RO膜要投資140萬元，目前常規(guī)工藝的膜壽命為一年，則膜的損耗約2．33元/m3，整體運行費用就是4．33～4．83元/m3，膜的清洗費用還沒有計算在內。而本系統(tǒng)采用電除鹽系統(tǒng)，對進水水質的要求比RO低很多(COD＜60mg/L，SDI＜20，濁度＜3 NTU，余氯＜1 mg/L)，所以對前處理要求就不是很嚴格，通常只要經砂、纖維過濾后就可直接進電除鹽系統(tǒng)，前處理系統(tǒng)在能耗方面就節(jié)省1/3，電除鹽常規(guī)輸水泵就可以滿足要求，運行能耗又降低2/3，約0．8元/m3(不含人工費)。若按照100 m3/h計算，電除鹽膜系統(tǒng)平均造價為200萬元，膜成本約占40%，則膜要投資80萬元，由于進水水質的改善，膜的使用壽命可延長至2年以上，以2年計算，膜的折舊費約為0．67元/m3，整體運行費用只有1．47元/m3，污水處理成本降低1/2以上。
5·結論
采用電生化技術和電除鹽技術處理紡織印染廢水，電生化出水COD＜60 mg/L，符合電除鹽膜的進水水質要求，電除鹽系統(tǒng)本身設置自動倒電極，濃水室和淡水室交替變換，有效降低了污染物的停留時間，消除了污染物的滋長可能性，所以電除鹽系統(tǒng)能保證穩(wěn)定運行3年以上，而且電除鹽膜清洗簡單，只要3%～5%的鹽酸即可，清洗藥劑費用比RO膜低很多，清洗頻率比RO膜系統(tǒng)小。因此，本系統(tǒng)能有效解決膜堵塞的問題，且整體運行費用降低，水回用率達90%以上。
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