玉米深加工废水深度处理工艺接触过滤除磷试验的研究

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1.1 污水回用的意义

水资源是人类生存和发展的必备条件之一,是各国经济社会可持续发展的重要物质保障[1]。我国虽地大物博,但水资源严重缺乏,根据相关资料显示,我国水资源总量排在世界第六位,人均占有量为 2300-2500 立方米,仅为世界人均水量的四分之一,排世界第 110 位,全国年平均缺水总量近 500 亿立方米,是联合国定义的 13 个贫水国家之一。目前,全国 600 多座城市中,有近三分之二的城市缺水,七大水系已全部遭到不同程度地污染,水污染的严峻形势更加剧了水资源的短缺[2]。 根据中国水资源公报及全国环境统计年报,我国的用水总量呈逐年递增的趋势。2013 年全国水资源总量为 27957.9 亿 m3,年总用水量 6183.4 亿 m3,占年水资源总量的 22.1%,其中,对地表水源的用量占 81%;对地下水源的用量占不到18.2%;对其它水源的用量仅占 0.8%。用水方面,生活用水占 12.1%;工业用水占22.8%;农业用水占 63.4%;生态环境补水占 1.7%。全国废水排放量 695.4 亿吨,与 2012 年相比增加 1.5%,工业废水排放量 209.8 亿吨,占废水排放总量的 30.2%,城镇生活污水排放量 485.1 亿吨,占废水排放总量的 69.8%,其他形式的废水排放量 0.5 亿吨。 另外,伴随着水资源短缺的同时,我国对水资源的利用效率也不高。根据 2009年各国经济数据显示,我国万美元 GDP 用水量为 1197 m3,远高于世界平均水平的 711 m3,而美国、日本、以色列等国的万美元 GDP 用水量分别为 403m3、165 m3、100 m3;我国万美元工业增加值用水量为 603 m3,世界平均水平的万美元工业增加值用水量为 569m3,虽然与世界平均水平相差不大,但却是澳大利亚的 6.8 倍,西班牙的 3.0 倍,甚至高于埃及、印度、南非等国;我国灌溉水利用率约为 46%,处于中下游水平,而以色列、西班牙等国却达到了 70%以上,而且灌溉水利用率高的国家其节水灌溉水平也均较高[3]。近几年,随着经济的不断发展,我国水资源的利用率在不断提高,特别是工业水的节水技术,但与国外先进国家相比,仍有不小差距,如何提高用水效率,充分利用好每一滴水,切实达到节水减排,保护水环境的最终目的仍是今后的工作重点[3,4]。

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1.2 课题来源及工程研究背景

本课题来源于国家水体污染控制与治理科技重大专项“辽河源头区水污染综合治理技术及示范研究”项目的子课题——短产品链粮食深加工行业清洁生产与中水回用技术的研究与示范的部分内容(2012ZX07202009-01-02)。本课题的依托企业是一家集玉米深加工及精深加工为一体的大型现代化企业、农业产业化省级重点龙头企业。经过对国内外玉米深加工技术的消化、吸收、改进、完善、提高,产品质量稳步上升,现已开发出玉米淀粉、玉米胚芽油等三大系列20余个规模型号的产品。产品广泛应用于食品、饮料、造纸、制药、日用化工等工业生产中,且各种产品年生产调配能力达150万吨以上,其中金玉米牌玉米淀粉,畅销全国20多个省市自治区,并远销日本、韩国、马来西亚等国家,成为同类产品中的明星品牌。公司高度重视一体化建设,先后通过ISO9000、14000、22000及OHSAS18000体系认证,始终坚持“绿色成就健康”的环保理念,取得了绿色食品证书和有机产品认证证书。2008年6月被国家确定为“质量、信誉、服务”3A企业。 玉米深加工工艺流程如图 1-1 所示,具体流程分为浸泡、研磨、分离。浸泡,指亚硫酸浸泡玉米粒,破坏其内部各组织的完整性,减弱相互间的联系,还可以破坏蛋白质网,使玉米粒表皮的半渗透膜变为渗透膜,加速扩散及渗透作用,同时浸提出可溶性物质;研磨,指粗磨和细磨,粗磨也称为胚芽磨,细磨又称为纤维磨;分离,指筛分胚芽、纤维、麸质,然后各自加工成成品。

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第 2 章   试验材料与方法

2.1 小试方案及装置

试验用水取自企业污水站二沉池出水,在室温(12-16℃)条件下,取 400ml水样置于 500ml 烧杯中,投加一定量混凝剂(PAC、FeCl3、CaO),开启搅拌机,先以 150r/min 的转速快速搅拌 1min,再以 80r/min 的转速搅拌 10min,最后静置30min,再采用快速离心的方法取上清液,测定 PO43--P 的含量及上清液 pH。 小试的目的在于研究 PAC、FeCl3、CaO 三种混凝剂对水中 PO43--P 的去除效果,为后续的接触过滤中试筛选合适混凝剂。小试装置见图 2-1。

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2.2 中试方案及装置

试验原水引自二沉池出水水箱,采取泵前投药,经水泵混合后直接进入滤柱(接触过滤),投药后的原水在流经滤层的过程中完成混凝、过滤过程,形成的微絮体被截留在滤层中,砂滤出水进入水箱,备作反冲洗用水;当运行工况达反冲洗条件时,开启反冲洗泵和气泵,控制反冲洗条件,汽水联合反冲洗,然后再水冲,反冲洗时间 10-15min。中试装置见图 2-3。 1)空白试验:不投加混凝药剂,控制滤速为 6m/h,按设定周期连续运行 8h,每隔 1h 取滤后水水样,检测出水的浊度、pH、COD、PO43--P、NH4+-N、NO3--N指标,同时观察水头损失的变化情况。 2)接触过滤试验:控制滤速为 6m/h,依次投加 300mg/L、200mg/L、150mg/L、100mg.L 的 CaO 药液,按设定运行周期 8h 运行,每隔 1h 取滤后水水样,观察水头损失及检测出水的浊度、pH、PO43--P 等指标;然后依次改变滤速为 4m/h、3m/h、2m/h,其他条件不变,重复上述试验,筛选出最佳运行工况。 3)在最佳工况条件下连续运行,探究其工况稳定性并确定合适的运行周期,及对 COD、NH4+-N、NO3--N 的去除效果。

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第 3 章 混凝小试结果与分析 ....... 22

3.1 小试水质概况 ........ 22

3.2 小试结果与分析 .... 22

3.2.1 混凝剂投加量对混凝效果的影

响 .... 22 3.2.2 pH 对混凝效果的影响 ........ 24

3.2.3 反应时间对混凝效果的影响 ..... 25

3.3 本章小结及建议 .... 26

第 4 章 接触过滤中试结果与分析 ...... 28

4.1 中试水质概况 ........ 28

4.2 空白试验结果与分析 .......... 30

4.3 接触过滤试验结果与分析 ......... 31

4.4 本章小结及建议 .... 35

第 5 章 工况稳定性试验 ........ 37

5.1 出水浊度、pH 随运行时间的变化情况 ........ 37

5.2 对 PO43--P 的去除效果 ........ 38

5.3 水头损失 ......... 38

5.4 对 COD、NH4+-N、NO3--N 的去除效果 ....... 39

5.5 滤层含污量 ..... 42

5.6 本章小结及建议 .... 42

第 5 章 工况稳定性试验

控制滤速 2m/h,混凝剂投加量 200mg/L,在设定运行周期 8h 的基础上进一步延长运行时间,研究该工况下的运行周期、水头损失及对进水浊度、pH、PO43--P、COD、NH4+-N、NO3--N 的去除效果。试验期间进行两组工况稳定性试验,由于受现场条件所限,两组试验间断进行,即当天运行完后,停泵关阀不反冲洗,第二天继续运行,直至水头损失超过限制或出现穿透现象,试验期间每隔 1h 取一个滤后水水样,检测水样的浊度、pH 及 PO43--P。

5.1 出水浊度、pH 随运行时间的变化情况

试验期间,滤后水浊度、pH 随运行时间的变化情况如图 5-1 所示,随着工况运行稳定,两组试验的滤后水浊度可达 0.5-1NTU 之间,第一组试验期间,滤柱稳定运行 18h 后逐渐出现穿透现象,第二组试验期间,虽然滤柱运行 22h 后都没有出现穿透现象,但受二沉池维修及污水站清藻工作的影响,滤柱在运行 17h 后,滤层堵塞严重,虽然出水浊度依然在 1NTU 以下,但流量下降明显。两组试验在工况运行稳定后,滤后水的 pH 无明显差别,基本维持在 9.3-9.5 之间,这是因为混凝剂 CaO 自身属性为碱性,处理后的水一般呈强碱性。出水的 pH 略高于《淀粉工业水污染物排放标准》(GB 25461-2010)中规定 6-9 的排放限值,若排入水体或进入其它构筑物、反应器中须考虑 pH 值带来的影响。 该处理水若直接排放,可考虑设置相应的 pH 调节措施,如采用加酸中和或通入 CO2酸化等方式,使出水的 pH 满足排放要求,具体方法及参数还需通过试验确定。若处理的水直接进入膜处理系统进一步深度处理,则由于膜系统对水质 pH 的要求为 2-12,因此试验出水的 pH 不会对后续的膜系统产生影响,该深度处理后的水,一般用于玉米淀粉企业生产系统的循环冷却水的补充水,其与循环冷却水中的新鲜水混合后,其 pH 应该符合要求,但具体情况需结合试验确定。

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结论

本文对接触过滤工艺应用于玉米深加工废水进行了混凝小试研究和中试研究,混凝小试主要研究不同混凝剂(PAC、FeCl3、CaO)对玉米深加工企业二级出水的除磷效果,筛选出合适的混凝剂,而中试研究主要在小试的基础上,进行接触过滤工艺的运行参数研究,并从滤速、混凝剂投加量、运行周期、水头损失等方面提出建议。通过试验得出以下结论:

(1)以 PAC、FeCl3为混凝剂时,投加量分别为 1500mg/L、750mg/L 时可去除原水中 90%的 PO43--P,此后随投加量的增加,对 PO43--P 去除率虽有上升但趋势缓慢,而 CaO 投加量为 250mg/L 时,即可去除原水中 97%以上的 PO43--P(上清液﹤1mg/L),且 FeCl3、CaO 对原水混凝后的上清液 pH 影响较大。

(2)原水的初始 pH 对 FeCl3的混凝效果影响较大而对 PAC 的影响较小,采用 FeCl3为混凝剂时,原水 pH 控制在 5-7 之间即可取得较好的混凝效果。

(3)以 PAC、FeCl3、CaO 为混凝剂时,反应时间可控制为 10min 左右,此时的混凝反应已几乎全部完成。 从除磷效果看,以 CaO 作为中试研究混凝剂,不仅用量省,还能高效去除原水中的 PO43--P,除磷效果明显优于 PAC、FeCl3。