热电行业一直是工业耗水大户，对2×300MW热电厂来说，冷却水循环总量约6500m3/h，需要新鲜补充水1000～1500m3/h，循环冷却排污水200～400m3/h。在城市没有大量中水管网的情况下，对热电、石化等行业进行有针对性的中水回用就显得尤为重要。美国的水循环利用率在2001年已经超过了85%，我国2006年的工业水循环利用率仅约50%，因此具有很大的发展空间。
目前对回用水的处理技术主要有常规处理中的物理法、生化法，深度处理的活性炭吸附、离子交换、膜分离以及臭氧氧化等方法。其中尤以膜分离中的反渗透技术应用广泛，但常以超滤作为预处理，增加了污水回用的成本。
大连某热电厂以高效生物氧化塔-反渗透技术为主体工艺，新建了一套污水深度处理设施，降低了企业用水成本，并可缓解城市用水压力.本文通过对反渗透膜进出水pH，NH3-N，TN，TOC等指标的监测分析，考察以生物氧化和两级过滤代替超滤作为反渗透预处理后系统运行的稳定性，以及在同类电厂推广的可行性。
1、反渗透污水回用系统工艺流程简介
1.1试验工艺流程
本试验立足于工程现场，其工艺流程见图1。
1.2设备简介
预处理系统:合适的预处理，对反渗透装置长期安全运行十分重要。本工程采用高效生物氧化塔(组合填料接触氧化法)、斜板沉淀池以及两级过滤(纤维束过滤和石英砂过滤)去除原水中的有机物、悬浮颗粒等。
主要设备设计参数及功能见表1。
反渗透系统:本工程采用的反渗透膜为某公司生产的聚酰胺复合膜。装填膜面积为365ft2(33.9m2)，膜孔径小于2nm，组件外壳材料是玻璃钢缠绕外壳；单根膜组件产水量为11.05m3/h(测试条件为25℃，1.55MPa，2000mg/L NaCl)，现场条件下产水量为3.99m3/h;采用17:8一级两段式膜组件排列，设计产水回收率75%。
1.3废水来源与水质标准
本工艺所处理的原水为市政污水处理厂的二级出水，预处理部分主要控制原水中的有机物、氨氮、颗粒物等杂质。
试验分析表明，高效生物氧化塔与斜板沉淀池对COD和氨氮分别有50%～65%和40%～70%的去除率，经过两级过滤和保安过滤后的反渗透进水SDI在3.5～4.5之间，显示了高效生物氧化塔与两级过滤联用作为反渗透预处理的可行性.原水及反渗透进水的主要水质指标见表2。
2、研究内容及方法
2.1研究内容
本工程自2007年建成运行以来，已经连续运行近两年，保持了较好的运行状态.反渗透系统含有4组膜堆，共100支膜，本试验针对四a号膜堆，主要在2008年3月至6月期间进行，目的在于监测工艺运行及产水水质的稳定性，从而对工程项目进行评估，为类似工艺在污水回用中的应用提供参考。
2.2研究方法
现场工艺每天24h连续运行，每天记录一次数据，包括高压泵压力、产水口和浓水口压力，产水流量等；并从原水储罐、反渗透膜系统产水和浓水出口取出水样，进行各项水质指标的分析。水质检验在大连理工大学环境与生命学院水污染控制实验室完成。
3、试验结果与讨论
对反渗透系统进出水的pH值、电导率、氨氮、总氮和TOC等指标进行了近4个月的跟踪监测，取每周所测平均值，得出以下试验结果与结论。
3.1反渗透进出水pH值变化情况
经预处理后水的pH值在7.0左右，呈中性，经过反渗透处理后，产水pH值大都在5.5～6.0之间，呈弱酸性，浓水的pH值较进水偏碱性，因产水pH稍低于用水标准，必要时需进行调节.反渗透系统浓水是废弃水，一般不对它的pH值进行限制，但其pH值直接影响着浓水中难溶盐的饱和程度，进而影响反渗透膜的脱盐率。因此，在对系统进行设计时要充分考虑浓水pH值的。这里的三个pH之间的对应关系显示如下特征:给水pH在6.0～7.5范围内，浓水pH高于给水pH，浓水更偏碱性，而产水pH值更偏酸性，这是工程中常见的现象。
3.2反渗透系统的脱盐效果分析
反渗透系统作为目前较先进的脱盐技术，其对各种盐类物质的脱除效果可以用脱盐率或截留率来表示。通常在工程应用中采用电导率作为含盐量指标来计算反渗透装置的脱盐率。在连续运行过程中，反渗透进水电导率在700～1000μS/cm之间变化，产水电导率均在15～25μS/cm之间，浓水电导率在2000～2500μS/cm之间，电导率去除在97%以上。
3.3反渗透系统对氮的去除效果
污水中含氮化合物有4种:有机氮、氨氮、亚硝酸氮与硝酸氮，4种含氮化合物的总量称为总氮(TN).氨氮在污水中存在形式有游离氮(NH3)与离子状态铵盐(NH4+)两种，并且在有氧条件下易分解为亚硝酸氮与硝酸氮.经过高效生物氧化塔处理后，可降低氨氮含量，但对总氮并没有很好的去除效果。
氮磷含量高的再生水回用于工业冷却水可能导致输水管道、用水设备繁殖生物垢，从而造成堵塞或影响效率，因此该再生水应严格控制含氮量。
在本工艺中，氨氮的去除主要在高效生物氧化塔中进行，原水氨氮约为20～30mg/L，经生物氧化塔氧化处理后，可使氨氮降至10mg/L以下.经反渗透膜深度处理后，产水的氨氮能够降到0.4mg/L以下，且出水水质稳定，反渗透系统对氨氮的去除效果，见图4。
反渗透进水的总氮含量在35～40mg/L之间，经过反渗透膜处理后，总氮含量降到2.5mg/L以下，去除率在90%以上，并且产水水质比较稳定。
3.4反渗透系统对TOC的去除效果
总有机碳(TOC)，是以碳的含量表示水体中有机污染物质总量的综合指标，常被用来评价水体中有机物污染的程度.总有机碳相对于化学需氧量(COD)能够更全面地反映水体中有机物的污染程度，而且TOC测定仪操作简单，数据准确.因此，实验过程中主要检测TOC代替COD对水体中有机物污染进行评估。
在所取水样中,利用岛津TOC-VCPH测定仪对水中TOC含量进行检测,产水的TOC始终未能测出(见图6),即表明产水中TOC的含量已经非常少,显示出反渗透膜对TOC良好的去除效果.
4、反渗透系统运行参数分析
4.1 膜产水量的变化分析
为全面分析本工程项目的实际应用价值,除了其产水水质符合要求外,还必须保证整个系统能够长期稳定运行.本工程自2007年1月建成运行以来,一直正常运行,并持续记录运行参数数据,图7显示的是2007年1月至2008年7月反渗透膜产水量及回收率的变化情况,每月取两个平均值.
反渗透系统初始阶段产水量在60～70m3/h之间波动,回收率在50%左右,这与系统设计的产水量(100m3/h)和回收率(75%)相差很多,这是由于系统初始运行阶段反渗透进水水温太低(12～15℃),压力不足(约0.7MPa);在温度提高到20～25℃时,压力提高到0.85MPa之后,反渗透膜堆的产水量逐步提高到90m3/h以上,回收率也基本达到设计要求。
系统运行一年后,反渗透系统的回收率下降到63.8%,主要是因为长时间运行的反渗透膜被污染,造成膜透过量降低,因此在2008年1月份进行一次膜清洗,清洗后的膜基本恢复到标准产水量。
4.2 进水温度与回收率的变化关系
反渗透膜的回收率与进水温度、压力关系非常密切,本工艺运行过程中,除初始阶段外,进水压力基本保持不变(压力基本稳定在0.9～1.05MPa之间),在此只考查进水温度与回收率的变化关系.具体变化见图8.
膜厂商提供的数据表明,反渗透膜进水温度低于标准温度(25℃)1℃,反渗透膜的产水量与膜的标准产水量相比将下降3%左右.在实际工程中,进水温度与产水量的变化关系并不能简单地以此数据为依据,因为在长期运行过程中,还会受到膜污染、系统运行压力等因素的影响.图8中也可看出,回收率随温度升降而不同,图中显示的关系应为温度降低1℃,反渗透膜回收率下降1%～2%,因此将进水温度控制在20～25℃之间是比较理想的选择.如果要准确表述所使用的反渗透膜回收率与温度的函数关系,应在实验室不改变压力的情况下短期内改变温度进行监测。
5、经济效益分析
本工艺的处理费用明细见表3.
另外,加上人工费0.18元/t,购买中水费0148元/t,得出再生水处理费用为2.70元/t.本工程设计产水量为400m3/h,年运行8000h计,便可再生320万t水,具有很强的经济效益和环境效益。
6、结论
1)对于市政污水处理厂二级出水,利用高效生物氧化塔和两级过滤作为反渗透系统的预处理,完全能够达到反渗透进水水质要求,替换了目前常用的超滤-反渗透处理模式.
2)反渗透系统对各项污染指标有良好的去除效果,对盐类、氨氮和总氮等化合物去除率分别为97.5%,95.7%和94.4%,尤其对TOC的去除接近100%.
3)反渗透系统出水水质完全满足热电厂循环冷却水的用水要求,持续运行20个月以来,一直保持稳定优质的出水.
4)经核算,本工程产水成本为2.70元/t,代替自来水用于热电厂循环冷却水后,年节约320万t自来水,减轻了城市供水压力,并可为热电厂节约近450万元购买自来水的费用.
