水务看点 | 污水厂再生处理，二氧化氯VS次氯酸钠消毒剂，谁更优？

栏目导读

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淄博市某市政污水处理厂建设 1 座 2 万 t / d 的再生水处理系统,采用超滤(UF)与反渗透(RO)的主体处理工艺处理污水厂的尾水,产水回用于电厂等工业生产。超滤前采用加氯消毒,反渗透前采用焦亚硫酸钠作为还原剂消除过量的消毒剂。本文分别采用复合二氧化氯和次氯酸钠消毒,研究超滤产水总余氯、焦亚硫酸钠投加量、反渗透进水余氯之间的关系。

01

再生水处理系统概况

1.1

工艺流程

再生水处理工艺流程如图 1 所示。污水处理厂尾水先经过加氯消毒,在预处理水池中充分混合,经自清洗过滤器和超滤装置去除悬浮物和大分子有机物。超滤产水带有一定量的余氯,在投加还原剂(焦亚硫酸钠)、阻垢剂、非氧化性消毒剂后,经保安过滤器,进入反渗透装置,反渗透产水(再生水) 回用于电厂等工业生产。

图 1 再生水处理工艺流程

1.2

设计参数

再生水处理过程中,超滤选用 PVDF 材质的浸没式 中 空 纤 维 超 滤 膜, 设 计 净 产 水 通 量 为 40L / (m2· h),产水 SDI<3,< span="">浊度<1 NTU。反渗透膜采用陶氏 BW30FR-400 / 34i,一级两段式排列,每套反渗透系统共 216 支膜元件,其中,一段 144 支,二段72 支,反渗透系统设计回收率为 70%,详细的设计参数如表 1 所示。

表 1 再生水处理系统设计参数

本系统设计接触消毒时间为30 min,同时经超滤膜过滤后, 细菌可大部分被截留。采用质量浓度为 10%(以有效氯计)的次氯酸钠溶液,现场用玻璃钢储罐储存,直接用计量泵投加到预处理水池中。复合二氧化氯采用化学法复合二氧化氯发生器[6]现场制备,即将氯酸钠溶液与盐酸溶液按照 1 ∶1的体积比投加到发生器中,混合消毒液在水射器的抽吸作用下进入预处理水池中与原水充分混合。

02

复合二氧化氯在再生水处理中的应用

使用复合二氧化氯消毒,其投加浓度为 14 mg / L(以有效氯计),反渗透前还原剂(焦亚硫酸钠)投加浓度为 20 mg / L,连续一周监测超滤产水、反渗透进水总余氯情况(表 2)。复合二氧化氯投加浓度为14 mg / L(以有效氯计)时,污水中有机物、微生物等的存在大大消耗了消毒剂的量,超滤产水余氯平均为 1. 87 mg / L,在反渗透前投加 20 mg / L 焦亚硫酸钠(此时焦亚硫酸钠投加浓度为余氯的 10 倍),依然不能消除余氯,反渗透进水余氯高达 0. 97 mg / L,反渗透膜元件存在氧化的风险。

表 2 总余氯分析结果

为了降低反渗透进水余氯,降低复合二氧化氯投加浓度至 5 mg / L(以有效氯计),反渗透前还原剂(焦亚硫酸钠)投加量增加至 40 mg / L,连续一周监测超滤产水、反渗透进水总余氯情况(表 2)。复合二氧化氯投加浓度为 5 mg / L(以有效氯计)时,超滤产水余氯降为 0. 88 mg / L,在反渗透前投加 40 mg / L焦亚硫酸钠(此时焦亚硫酸钠投加浓度为余氯的45 倍),依然存在 0. 32 mg / L 的余氯。

在本系统中,使用复合二氧化氯消毒 3 年后,反渗透整体的脱盐率降低至 90%以下,前端的反渗透膜元件最先被氧化,脱盐率低于 80%,反渗透产水水质不能满足用水要求。

在本系统中,复合二氧化氯消毒后,投加过量的焦亚硫酸钠依然不能将余氯完全去除。经测定分析,此部分余氯全部为二氧化氯的消毒副产物ClO-2。测定时,ClO2、Cl2在 pH 值接近 7 时即可氧化水中的I-,从而被测定出来;ClO-2需在 pH 值≤ 2时才能氧化水中的 I-,其在接近中性的溶液中不能被还原剂充分还原。实际过程中,反渗透进水 pH值在 7 左右,高浓度的焦亚硫酸钠不能将 ClO-2完全还原,致使ClO-2进入反渗透系统,逐渐氧化反渗透膜元件,即使投加相对余氯量 45 倍的焦亚硫酸钠,ClO-2依然存在。同时,由于还原剂投加量过大,系统处于无氧或缺氧状态,反渗透系统中存在大量的硫酸盐。硫酸盐还原菌利用硫酸盐进行氧化反应,进而大量繁殖,造成保安过滤器及反渗透膜元件的微生物污堵,反渗透系统压差升高,需频繁地进行化学清洗才能保证膜元件正常产水。

03

次氯酸钠在再生水处理中的应用

使用次氯酸钠消毒,其投加浓度为 14 mg / L(以有效氯计),反渗透前还原剂(焦亚硫酸钠)投加量为 10 mg / L,连续一周监测超滤产水、反渗透进水总余氯情况。

如表 3 所示,次氯酸钠投加浓度为 14 mg / L(以有效氯计)时,超滤产水余氯降为 1. 26 mg / L,在反渗透前投加 10 mg / L 焦亚硫酸钠后,未检出余氯。随后,降低反渗透前还原剂(焦亚硫酸钠)投加量至6 mg / L,连续一周监测超滤产水、反渗透进水总余氯情况,反渗透进水余氯未检出。由此可知,使用次氯酸钠消毒,超滤产水的总余氯主要以ClO-、HClO形式存在,不存在ClO-2 ,投加总余氯浓度 5 倍的焦亚硫酸钠即可将余氯完全消除,从而消除反渗透膜被氧化的风险。

表 3 总余氯分析结果

04

成本核算

表 4 复合二氧化氯及次氯酸钠消毒成本分析

综合来看,采用复合二氧化氯消毒时,消毒剂、还原剂总成本为 0. 153 元/ ( t 再生水);采用次氯酸钠消毒时,消毒剂、还原剂总成本为 0. 200 元/ ( t 再生水)。与次氯酸钠相比,复合二氧化氯应用于反渗透预处理时,整个再生水处理系统的消毒剂、还原剂成本更低。

05

结论和建议

复合二氧化氯消毒时,后续产生的总余氯主要以 ClO-2 形式存在,其在近中性溶液中很难被还原剂还原,造成反渗透进水中余氯依然存在,反渗透膜元件被余氯氧化,影响反渗透膜的寿命。次氯酸钠消毒时,后续产生的总余氯主要以 ClO-、HClO 形式存在,投加少量的焦亚硫酸钠即可将余氯完全去除,可消除反渗透膜被氧化的风险。

与复合二氧化氯相比,虽然次氯酸钠应用于反渗透预处理时的运行成本较高,但可以有效避免反渗透膜被氧化,可延长膜的使用寿命,推荐采用次氯酸钠作为再生水处理的消毒剂。本文的经验适用于再生水处理工程的设计和运行,为反渗透预处理的设计和运行提供了重要的借鉴。

拓展阅读

李瑞峰. 二氧化氯和次氯酸钠消毒剂在污水厂再生水处理中的应用比较[J]. 净水技术,2020,39(9):127-131.

LI R F. Comparison for application of chlorine dioxide and sodium hypochlorite disinfectants in reclaimed water treatment of WWTP[J].Water Purification Technology, 2020, 39(9):127-131.