中水回用方案與經濟性比較

李成益 吳穎杰

(1 金浦投資控股集團有限公司， 江蘇 南京，210009；2 中國石化揚子石油化工有限公司，江蘇 南京，210048)

一般來說，工業廢水、城市污水或生活污水處理后達到一定的水質標準，可作為在一定范圍內重復使用的非飲用水,因其水質介于上水(給水)與下水(排水)之間，因此稱作中水。中水回用則是將工業或城市污水進行處理后作為再生資源回用。中水回用的效果有兩個：一是節約水資源的消耗；二是減少廢水的排放，降低對水環境的污染。研究中水回用技術及其經濟性，對提高中水處理技術、降低中水回用成本具有重要意義。

中國石化揚子石油化工有限公司(以下簡稱揚子石化)現有兩套污水A/O生化處理裝置和一套純氧生化處理裝置，處理量2 300 m3/h。純氧生化處理裝置為二級生化處理裝置，采用純氧曝氣活性污泥法、A/O接觸氧化法生化處理方法去除污水中有機污染物，并經過“溶氣氣浮、臭氧氧化和曝氣生物濾池”組合工藝的深度處理，使其污水排放達到國家標準要求。

1 中水利用領域及要求

1.1 中水回用的領域

(1)農業灌溉：二級處理，成本低，但須防止污水對土壤的污染和有害殘留物的累積。

(2)城市雜用：包括生活雜用水，環境、娛樂和景觀用水。

(3)地下回灌：補充地下水，保持地下水位，控制地面沉降。

(4)生活飲用：包括直接回用和間接回用。直接回用，處理廠最后的出水被直接注入到生活用水配水管網；間接回用，指河湖上游的污水經凈化處理后又排入水體或滲入地下含水層，成為下游或該地區的飲用水源。

(5)工業回用：冷卻用水、熱力和工藝用水、洗滌用水。

1.2 中水回用的要求

為貫徹水污染防治和水資源開發利用方針，做好節約用水工作，實現污水資源化，減少污水對環境的污染，促進城鎮建設和經濟可持續發展，國家制定了《城市污水再生利用》系列標準。

揚子石化中水與不同用途的水質部分指標對比情況見表1。

由表1可見：在已列出的部分項目中，水廠中水水質的部分指標不能滿足中水回用生物的要求，需進一步處理后才能利用。

不合格項主要有：懸浮物、濁度、生物耗氧量(BOD)、氨氮、石油類、氯離子及部分金屬離子含量等指標。

注：1)城市雜用水標準GB/T 18920—2002中，用于車輛沖洗的要求最高；2)景觀環境用水標準GB/T 18921—2002中，以景觀娛樂用水要求最高。

2 中水回用方案比較

2.1 中水回用去向選擇

表1中的城市雜用水主要用作：沖廁、道路清掃、消防、城市綠化、車輛沖洗和建筑施工，其中用作混凝土拌合用水還應符合JGJ63的有關規定。上述雜用水用途中，揚子石化的道路清掃、綠化和建筑施工的用水量有限，而循環冷卻水補水量大。與冷卻循環水相比，中水分析項目中的不合格項較少，意味著只要稍經深度處理即可滿足要求。

揚子石化和揚子石化-巴斯夫有限責任公司(以下簡稱揚巴公司)的生產用水中，很大一部分用于循環水補水和軟化水制水。2016年揚子石化循環水場的制水能力為229 200 m3/h,平均補水量為2 420m3/h；揚子熱電廠脫鹽水總制水能力為1 800 t/h，總供水能力為1 350 t/h。如將水廠的中水進行深度處理后作為工業用水，既可達到節水的目的，又可以減少廢水排放量。另外，中水深度處理后作為工業水的補充水，用量比較穩定，季節性影響小，也有利于深度處理裝置的穩定運行。

從長遠看，將中水先處理到工業水補充水的質量水平，作為循環冷卻水的補充水，再擇機處理到鍋爐給水的水平，可進一步提高揚子石化中水利用水平。

2.2 技術方案比較

2.2.1 中水處理方案比較

將中水經處理后作為工藝補水(工業水)，即：中水→再生水，分別采用膜處理(方案一)和離子樹脂交換(方案二)進行比較

方案一：膜處理工藝技術方案采用雙膜法(浸沒式超濾UF+反滲透RO),簡易流程見圖1。

圖1 方案一簡易流程

方案二：設計離子交換柱的直徑為3 m，陽離子交換樹脂裝填高度為2.83 m，單臺裝填體積為20 m3；陰離子交換樹脂裝填高度為4.8 m，單臺裝填體積34 m3。簡易流程見圖2。

圖2 方案二簡易流程

兩個方案以產品水(即再生水)250 t/h為目標，工藝計算結果見表2。

表2 中水處理方案比較

由表2可見：膜處理的得水率為62.5%，樹脂法為53.88%，膜處理的得水率高于樹脂法。離子交換樹脂再生時用了較多的酸堿，經中和后形成了鹽，這部分新增的可溶性鹽也需要隨再生廢水一起返回生化池繼續進行處理，增加了生化池進水的鹽處理量。水廠凈一車間污水總水量為2 300 t/h，如規劃的1 250 t/h中水回用全部采用樹脂法，則新增鹽11 530 t/a，膜處理法僅增加245.6 t/a，生化池進水鹽含量增加值分別為186，3.55 g/m3。從項目可行性方面看，采用樹脂交換處理在技術上不可行。

根據表1數據、揚子石化有關能源動力單價及中國石油化工集團公司經濟技術研究院編制的《中國石油化工項目可行性研究技術經濟——參數與數據》(2016版)的計算方法，鹽酸采用山東地區企業出廠價3年平均值，燒堿采用江蘇地區企業出廠價3年平均值，水、電、蒸汽及氮氣采用化工園區價格，折舊按照殘值5%、15年直線折舊。方案一和方案二的成本構成見表3。

表3 再生水生產成本比較

從表3可見：膜處理和樹脂法的再生水制造成本分別為5.55，9.56元/t，而在南京這樣的豐水地區的工業水價格最高為3元/t，因此廢水回用的經濟性較差，如沒有財政和稅收補貼，項目難以可持續運行。相比較而言，膜處理法好于樹脂法。

綜上比較，無論從技術上還是經濟方面分析，中水回用工藝采用膜處理方案較為合適。

2.2.2 再生水深度處理方案比較

再生水利用的第二階段是將處理后的再生水再處理后作為軟化水(脫鹽水)，即：再生水→軟化水，分別采用膜處理(方案三)和樹脂交換(方案四)。為便于比較，將揚子石化最常見的軟化水工藝即采用樹脂交換將工業水(原水)→軟化水作為平行對比方案(方案五)。將上述3個方案的比較列于表4中。3個方案均以產品水量350 t/h為設計目標。

由表4可見：再生水的某些指標好于原水，噸產品水的耗水量低于原水；再生水用膜處理時，噸產品水的耗水量高于樹脂法。由表5可計算出各方案的噸脫鹽水制造成本。

計算結果表明：采用樹脂交換法處理的成本最低，膜處理法的成本最高。另外，經過膜處理后的再生水其離子含量低于原水，因此酸堿消耗也低，成本也稍低。

表4 再生水制脫鹽水工藝消耗比較

表5 各方案的脫鹽水成本制造

脫鹽水按照6元/m3計算，3個方案的技術經濟評價結果匯總見表6。

由表6可見：無論采用哪個方案，項目的財務內部收益率(稅后)都達不到13%，這也表明作為公用工程投資，其產品和市場有別于一般工業品，因其市場風險小，投資收益率也不會高，公用工程的投資回收期一般都比較長，公用工程的服務合同一般也比較長。財務評價結果表明，脫鹽水采用離子交換樹脂工藝的經濟性好于其他兩個方案，這與生產成本比較結果一致。

表6 技術經濟評價匯

經過以上比較，中水回用的總體方案優化結果是：先采用膜法(超濾+反滲透)，再采用離子樹脂交換制脫鹽水。

3 實際應用情況

2012年4月揚子石化水廠400 t/h中水回用裝置投運后，積累了不少經驗，為滿足脫鹽水水質要求，在二期中水回用裝置的設計中，對再生水的部分水質指標進行了調整(見表7)。

二期出水水質指標提高后，對保證脫鹽水單元的正常運行、降低脫鹽水單元運行成本發揮了作用。實際生產中，出水水質的電導率為80～110 μS/cm。

2015年，揚子石化投資1.2億元建設的污水處理回收利用二期工程正式投入運行，中水處理能力達到850 t/h，中水總處理能力達到1 250 t/h，總再生水量達到810 t/h。為了節約投資，將二期560 t/h的再生水送熱電廠作為脫鹽水單元的進水。

在實際操作過程中，揚子石化通過對系統進行優化、挖掘潛力，嚴格控制工程造價以降低折舊費用，壓降輔助材料采購成本，通過集中布置減少了定員、降低了人工成本。通過上述一系列措施，有效地控制了制造成本。2016—2017年實際成本統計見表8。

表7 再生水水質指標對比

表8 實際成本統計 元/t

由表8可知：如剔除分攤的公用工程消耗，再生水的車間成本為3.157元/t；如將再生水按照工業水計價，脫鹽水的生產成本為2.994元/t，兩個產品的成本較規劃方案均有所降低。

4 結論與建議

(1)采用膜處理方法(超濾+反滲透)處理中水在技術上是可行的，相對于其他方案也是比較經濟的；在豐水地區進行中水回用，需有財政支持才能維持運行。

(2)再生水作為循環冷卻水的補水是可行的。根據《城市污水再生利用工業用水水質》(GB/T 19923—2005)要求，再生水作為工業循環冷卻水補充水時，“不宜少于一年的逐月水質全分析資料，并應包括再生水水源組成及其處理工藝等資料，水質分析項目宜符合相關規定”。經過一年多的運行，再生水的水質穩定，符合作為間冷開式系統循環冷卻水的補充水的要求。揚巴公司1#、2#、4#循環水場的循環水量大于72 000 m3/h，補充水量大于500 m3/h。按照揚子石化水廠一期污水回用裝置所產中水250 m3/h計，還需補充工業水250 m3/h，為防止有機物、氨-氮及氯離子的積累影響設備正常運行，仍需加強循環水系統的水質監測。

(3)再生水作為脫鹽水進水的補充水是可行的。經過兩年多的運行，中水回用二期所產再生水的水質符合GB/T 19923—2005之鍋爐補給水水源標準。揚子石化熱電廠化學水處理系統總制水能力為1 800 t/h，即使二期所產的560 t/h再生水全部作為脫鹽水的進水，還需補充部分低硅水，為保證中水回用項目正常運行，將其作為熱電廠化學水的補充水水源是明智的選擇。

(4)加強膜設備的維護，確保后續各裝置穩定運行。對失效、破損的膜進行剖析研究，發現規律，及時更換。

(5)提高中水水質監測自動化水平。中水回用裝置增設必要的在線分析儀表，為下游用戶提供質量保障。

ABSTRACT

Through comparing the water quality of the reclaimed water with the whereabouts of the reused water and the water quality indicators of different uses, the treatment plan of reusing the reclaimed water is put forward. Respective techno-economic comparisons of the plans were also made for putting forward the combination plan. Based on analysis of the actual application situation and the plan, the directions for improvement were proposed.

Keywords: water reuse, membrane treatment, desalination water, techno-economy