大型市政污水再生回用工程的节能路线

1.前言

市政污水再生回用是解决我国水资源供需矛盾的手段之一。近年来,城市污水处理回用于城市绿化、农业灌溉、工业冷却以及生活非饮用水等方面。北京市以 奥运为契机,提出了以再生水为“第二水源”,率先在北小河等污水处理厂建成了膜法再生水回用工程,将膜技术引入了大型市政污水回用领域。

反渗透膜、超/微滤膜、MBR等膜技术在国内的饮用纯净水、工业纯水、海水淡化、废水回用处理等方面已有不同程度的应用经验。再生水回用工程中,因回用目的不同,采取的工艺组合会有较大区别。反渗透膜因其良好的脱除水中溶解性物质的能力,适用于生产高品质的回用水。

在大型市政污水回用方面,美国已有30多年的应用历史,进行了多次的技术路线的提升和改进。以全球污水回用领域的技术先锋–美国的21世纪水厂为 例,从上个世纪70年代起,即采用传统的混凝澄清与醋酸纤维素膜的组合工艺进行市政污水的回用处理。后来随着膜技术的不断发展,在90年代以后进行了多年 的不同膜种类和工艺的现场试验,最终确定了采用以微滤、超低压反渗透膜、UV为核心技术的方案。2004年建成了18,900m3/d 的一期工程,节能型超低压反渗透膜ESPA2在几年的稳定运行中证明了其抗污染性能良好、节能效果明显等特点。2007年,该厂二期扩建成为 265,000m3/d的污水回用规模。

近年来,一些缺水国家和地区,如中东、新加坡等,在市政污水回用领域也得到了快速发展。本文主要介绍新加坡NEWater项目发展历程和应用经验。

2. 新加坡早期NEWater项目背景和历程

新加坡水土资源有限,需从邻国马来西亚买水以满足约450万居民的用水需求。新加坡公用事务局(PUB)为了保证有限的水资源用于饮用,决定采用膜集成技术(超/微滤+反渗透)来回用再生污水,即NEWater项目,主要用于半岛体行业或其它工业用途。

Bedok 示范水厂于2000年4月投入运行,反渗透膜采用美国海德能公司的低污染膜LFC1,系统设计为六芯、三段,回收率为85%。运行不到一个月,在系统的第 三段出现了水通量和脱盐率的下降现象,检测结果表明发生了Ca3(PO4)2的结垢。在回收率降到75%-80%、并采用了新型的阻垢剂之后,系统运行恢 复稳定。

2002年建成投产的Bedok

32,000m3/d和Kranji  40,000m3/d 的两个NEWater 项目,设计上吸收Bedok示范水厂运行经验,并做了一些改进,具体如下:

每个系列的基本设计:

产水量:5000 m3/d

膜数量:511支 LFC1

设计水通量:10.4gfd (17.6 l/m2/h)

排列:每支压力容器装7支膜,

49:24两段排列

回收率75%

 

3. 节能型超低压膜ESPA2+的现场试验

美国21世纪水厂在1996-2003年期间,曾采用不同膜制造商提供的低污染、低压和超低压膜(见表1)进行5000个小时的现场试验。试验结果 表明,超低压膜ESPA2具有同样的抗污染能力,且运行压力更低。[1] 最终产水量为265,000m3/d 的污水回用工程采用了ESPA2膜。

表1 21世纪水厂现场试验采用的膜型号和系统

膜厂商 膜型号 膜种类 测试时间 测试装置
排列 回收率(%) 水通量(lmh)
Koch TFC-HR 低压 1996/8-2000/12 (9:6:3)*7 85 17-20.4
Hydranautics ESPA2 超低压 2001/2-2002/4 (6:4:2)*7 85 20.4
Dow BW30-400FR 低污染 2002-5-6 (3:2:1)*7 85 20.4
Dow XLE-440 超低压 2002/8-2003/2 (3:2:1)*7 85 20.4
Dow XLE-4040FR 低污染 2001/6-2002/3 (2:1)*6 75 20.4
Hydranautics LFC1-4040 低污染 2001/6-2002/2 (2:2:1:1)*3 75 20.4

新加坡的再生水回用项目中,虽然已有低污染膜LFC1多年的成功运行经验,但为了更节省运行费用,Ulu Pandan污水回用项目确定采用ESPA2+来做现场试验。

超低压节能型膜的膜表面电性和亲水性与低污染膜LFC1有所不同。表2列出了ESPA2+、ESPA2和LFC1三种膜型号的技术参数。 由此表可以看出,在脱盐率更高的情况下,节能型超低压膜的比水通量比低污染低压膜高,其中ESPA2+的比水通量比LFC1的高47%。而在节能型系列 中,改进型产品ESPA2+比ESPA2膜面积大10%,产水量高出33%。

2 各型号反渗透膜元件性能参数

膜元件 类型 面积,m2 脱盐率,% 产水量,

m3/d

测试压力, MPa 比水通量

LMH/MPa

ESPA2+ 节能型

超低压

40.9 99.6 45.4 1.05 44.0
ESPA2 节能型

超低压

37.2 99.6 34.1 1.05 36.4
LFC1 低污染低压 37.2 99.5 41.6 1.55 30.0

现场试验始于2006年3月,采用42支ESPA2+ 按7芯装、4:2两段排列布置,模拟项目的实际工况进行。图1、图2分别列出了试验7个月的比水通量与压差的数据。试验第一个月,数据均保持平稳。后来由 于停止加入氯胺,导致第一段的压差在20天内上升了一倍。在重新加入氯胺后,第一段压差下降了50%但仍然高于初始压差1.7kg/cm2。说明氯胺只能 抑制生物膜的继续生长,不能将生物膜污染完全消除。第二段的压差在试验四个月后上升,表明有结垢现象。在8月初进行常规的酸、碱化学清洗,接下来3个月的 试验数据表明系统一直稳定运行。[2]

 

图1 比水通量试验数据

 

图2 压差试验数据

4. Ulu Pandan 156,000 m3/d 新生水项目应用

Ulu Pandan项目的单套系统流程图见图3。与其它新生水项目的流程大体一致,即采用二级市政污水为水源,进水中保持有2-3mg/l浓度的氯胺;经过微滤膜和保安过滤器,进入到反渗透系统。在反渗透进水中加入酸调节pH至6.8,并加

入阻垢剂。单套系统产水量12,900m3/d,7芯装,64:36两段排列,设计水通量18.8lmh,回收率为80%。12套运行,1套备用。 此项目侧重于节能设计,共用了9100支超低压节能型膜ESPA2+。除此之外,在两段中加入带有能量回收装置(ERD)的涡轮增压泵,将浓水压力回收利 用增压到第二段上,从而进一步降低整个系统能耗。

图3 Ulu Pandan 单套系统流程示意图[3]

表3 各种设计条件下的吨水能耗

设计1

(LFC1,普通增压)

设计2

(ESPA2+,普通增压)

Ulu Pandan 实际设计

(ESPA2+,有能量回收的增压)

产水量(m3/d) 12900 12900 12900
进水TDS(mg/l) 677 677 677
平均水通量(lmh) 18.8 18.8 18.8
回收率(%) 80 80 80
膜排列 (74:36)*7 (64:36)*7 (64:36)*7
进水压力(kg/cm2) 7.5 6.0 6.0
浓水压力(kg/cm2) 6.1 4.4 4.4
泵效率(%) 80 80 80
电机效率(%) 90 90 90
能量回收效率(%) N/A N/A 58
吨水能耗(kwh/m3) 0.38 0.31 0.29

为了直观看出Ulu Pandan节能设计的特点,表3列出了实际设计与假定设计1:采用低污染膜LFC1普通增压,以及与假定设计2:采用ESPA2+但普通增压的两种方式运行对比。从表中可以看出:

1)       在同样平均水通量的设计下,每套产水量12,900m3/d的系统,所需的ESPA2+膜数量比LFC1少70支。13套总计少用膜数量910支,且降低膜壳和管道等初期建设费用;

2)       在同样设计条件下,都采用普通增压泵时,ESPA2+的吨水能耗为0.31kwh/m3,比LFC1的0.38kwh/m3能耗降低了18.4%;

3)       当系统都采用ESPA2+时,采用有能量回收装置的涡轮增压能耗为0.29kwh/m3,比普通的增压方式的0.31kwh/m3能耗降低了6.5%。

5.结论

大型市政污水回用项目中,随着污染的有效控制和应用经验的不断累积,节能设计成为技术提升的一个关键方向。以2007年建成投产的新加坡最大的 Ulu Pandan新生水回用项目为例,设计中除借鉴前期的工艺和污染控制经验外,全面设计了节能路线。采用的节能型超低膜ESPA2+所需运行压力低,与传统 低污染膜的设计相比,可降低吨水能耗约18%,同时降低膜数量节省项目初期投资。有能量回收的涡轮段间增压设计,再为系统能耗降低6.5%。对于运营管理 20年及以上的污水回用厂,低能耗降低运行费用,所带来的长期经济效益十分可观。