高鹽廢水零排放工藝的設計與應用

史宇濤，張 偉，陳 超

(中電環(huán)保股份有限公司，江蘇 南京 211102)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展與技術的進步，高鹽廢水已成為石油、化工等行業(yè)常見的廢水。高鹽廢水具有水量大、含鹽量高、有機物含量高等特點[1-2]，如果直接排放會造成土地鹽堿化，并對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的破壞。高鹽廢水的處理工藝已經(jīng)成為廢水處理中的研究熱點。

零排放技術是通過清潔生產(chǎn)、生態(tài)產(chǎn)業(yè)等對自然資源循環(huán)利用，以達到污染物零排放、資源化的生產(chǎn)目標，零排放始于上世紀70年代，并逐步得到推廣與發(fā)展[3-4]。本文采用預處理-鈉床-超濾-濃水反滲透-STRO-蒸發(fā)的一整套工藝對高鹽廢水進行處理，并詳細闡述各個工藝的流程、設計參數(shù)，最終實現(xiàn)對高鹽廢水的零排放處理。

1 工程概況

該項目位于新疆某光伏園區(qū)內(nèi)，建有鍋爐補給水系統(tǒng)、高鹽廢水零排放系統(tǒng)等，高鹽廢水進水為鍋爐補給水處理系統(tǒng)反滲透濃水、凝液混床再生廢水等高含鹽廢水，根據(jù)鍋爐補給水處理系統(tǒng)排放廢水的種類和水量，對其進行分質(zhì)分類處理，實現(xiàn)各級廢水在本工程內(nèi)的的合理、最大化回收利用。采用以膜法為主體的處理工藝，最終出水達到回用，濃水蒸發(fā)結(jié)晶。系統(tǒng)設計水量190 m3/h，設計要求STRO濃水含鹽量不低于90000 mg/L，提濃處理后，保證系統(tǒng)總產(chǎn)水率不低于90%。

2 設計進、出水水質(zhì)

零排放系統(tǒng)進水為本工程鍋爐補給水處理系統(tǒng)反滲透濃水、凝液混床再生廢水等高含鹽廢水。原水為地表水經(jīng)反滲透濃縮4倍后進入零排放系統(tǒng)一級濃水反滲透，一級濃水反滲透濃水進入調(diào)節(jié)池與凝液混床再生廢水混合,經(jīng)預處理軟化后再進入后續(xù)膜濃縮系統(tǒng)；該廢水具有高含鹽、高硬度、硅和磷含量較高、氯離子含量較高等特點，具體水質(zhì)詳見表1，控制一級反滲透回收率、避免膜結(jié)垢、提高膜系統(tǒng)的清洗周期、氯離子含量較高設備材質(zhì)選型是本工程的處理難點。STRO濃水至少能滿足進入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的最低水質(zhì)要求(要求含鹽量不低于90000 mg/L)。

表1 系統(tǒng)進、出水水質(zhì)

3 工藝流程

鍋爐補給水系統(tǒng)中的反滲透濃水進入反滲透濃水箱，在反滲透濃水箱內(nèi)的停留時間約為半小時，此時前面所加的阻垢劑還未失效，也沒有絮狀物產(chǎn)生。經(jīng)過水泵提升至一級濃水反滲透進行濃縮，一級濃水反滲透采用65%回收率。為防止離子結(jié)垢，一級濃水反滲透進水預留了阻垢劑接口。一級濃水反滲透產(chǎn)生的濃水和鍋爐補給水系統(tǒng)的再生廢水均進入調(diào)節(jié)池均質(zhì)。

調(diào)節(jié)池內(nèi)廢水經(jīng)泵提升進入高效反應澄清池，高效反應澄清池主體為鋼砼結(jié)構(gòu)，集化學反應、混凝、泥水分離和儲水于一體。根據(jù)來水水質(zhì)條件，投加軟化劑、氧化鎂、絮凝劑及助凝劑等藥劑，將廢水中鈣離子、鎂離子、硅酸根離子態(tài)轉(zhuǎn)化為固體顆粒態(tài)，經(jīng)絮凝反應形成較大顆粒物，在沉淀區(qū)經(jīng)重力分離去除。

固態(tài)雜質(zhì)從淡鹽水中分離出來后采用脫水機脫水處理，形成泥餅外運，壓濾液仍返回到調(diào)節(jié)池。

高效反應澄清池產(chǎn)水進入產(chǎn)水池，經(jīng)泵提升至雙介質(zhì)過濾器和濃水超濾裝置進一步去除水中的懸浮物和雜質(zhì)[5]。濃水超濾產(chǎn)水進入二級濃水反滲透進行濃縮，回收率為65%。二級濃水反滲透采用循環(huán)回流及段間增壓的方式一方面增加濃水流速，另一方面減少濃差極化，降低膜的污染。二級濃水反滲透產(chǎn)生的濃水進入STRO，本項目采用了90 bar的STRO膜，可以使?jié)馑腡DS達到90000 mg/L以上，大大減少了濃水量。

詳細工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

4 工程設計

4.1 濃水反滲透系統(tǒng)(RO)

濃水反滲透系統(tǒng)包括濃水反滲透膜組件、濃水反滲透高壓泵(每套濃水反滲透裝置的高壓泵進、出口都裝有低壓保護開關和高壓保護開關)、濃水反滲透分段清洗裝置，反滲透出水口關斷門、止回門、防爆膜片等。濃水反滲透裝置設計2個系列，每個系列的凈產(chǎn)水量≥61 m3/h，每個系列組裝一個組合架，每列都能單獨運行，也可同時運行。采用一級二段布置的抗污染膜元件，濃水反滲透膜平均通量不大于18 L/(m2·h)，系統(tǒng)回收率為65%；一段與二段膜數(shù)量按2∶1布置，系統(tǒng)脫鹽率≥98%。

4.2 預處理系統(tǒng)

濃水反滲透濃水、鈉床再生水及凝液混床再生水等混合水的含鹽量高，TDS質(zhì)量濃度高達16800 mg/L，其水質(zhì)參見表2。本工程對濃水反滲透濃水先采用軟化與過濾預處理后，再采用二級反滲透及STRO進行提濃。

表2 混合水水質(zhì)

4.2.1 調(diào)節(jié)池

濃水反滲透濃水進入廢水調(diào)節(jié)池，廢水調(diào)節(jié)池為混凝土結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)池設計1座，容積約為150 m3。停留時間大于2 h；廢水進入調(diào)節(jié)池進行均質(zhì)后進入高效反應澄清池。

4.2.2 高效反應澄清池

高效反應澄清池主體為鋼砼結(jié)構(gòu)，集化學反應、混凝、泥水分離和儲水于一體。設計處理能力為100 m3/h，停留時間大于0.5 h；高效反應澄清池設計1座。

濃水經(jīng)提升泵送到高效澄清池絮凝反應池，分別投加NaOH、MgO、Na2CO3及其他藥劑，使水中Ca2+與剩余的Mg2+形成CaCO3沉淀和Mg(OH)2沉淀，同時在MgO共沉作用下強化去除硅。

為保證軟化反應迅速徹底，反應槽設置4格專用藥劑混合反應區(qū)，反應區(qū)通過機械攪拌在混合藥劑與來水的同時，強化化學反應效果，最大限度保證化學反應徹底完成。經(jīng)過化學反應后的淡鹽水進入澄清區(qū)，在澄清區(qū)中化學沉淀物沉降分離出來后送至污泥脫水系統(tǒng)處理。

水經(jīng)過軟化后總硬度可達到0.5 mmol/LCaCO3以下。并且Ca2+、Mg2+在后續(xù)系統(tǒng)中不發(fā)生結(jié)垢，即便后續(xù)濃縮設備需要酸洗，也使清洗速度加快、過程縮短，減少后續(xù)濃縮系統(tǒng)停運次數(shù)和停運間隔時間。

4.2.3 清水池

高效反應沉淀池出水進入清水池，清水池為混凝土結(jié)構(gòu)，設計1座，容積約為100 m3。緩沖時間大于1.5 h；清水池出水經(jīng)泵提升后進入雙介質(zhì)過濾器。

4.2.4 雙介質(zhì)過濾器

雙介質(zhì)過濾器系統(tǒng)包括2臺DN3200雙介質(zhì)過濾器(一用一備)，反洗羅茨風機、反洗水泵等；

雙介質(zhì)過濾器每臺處理量按80 m3/h設計，為鋼制設備，內(nèi)裝填料上層為無煙煤、下層為石英砂，高度分別為400、800 mm，出水濁度可達3度以下，采用氣水聯(lián)合反洗，配備反洗水泵及反洗風機。反洗周期根據(jù)實際運行情況調(diào)整。反洗水自流進入調(diào)節(jié)池。

4.2.5 超濾裝置(UF)

超濾系統(tǒng)包括了超濾膜組件、超濾反洗水泵、反洗風機、100 μm反洗過濾器、反洗加藥裝置等。超濾裝置設計2個系列，每個系列凈產(chǎn)水量 ≥37 m3/h，都能單獨運行或反洗，也可同時運行。選用GE ZeeWeed1500超濾膜元件，膜材質(zhì)為PVDF，單支膜面積51.1 m2，設計通量小于50 L/(m2·h)，每個系列安裝15支膜。超濾裝置采取全量過濾和錯流過濾相結(jié)合的過濾方式，在進水水質(zhì)較好時，采用全量過濾；水質(zhì)差時，可切換為錯流過濾，以增加操作彈性、節(jié)約用水。每套超濾裝置反洗排水安裝流量控制裝置，以控制水的回收率。

4.2.6 鈉床

為了防止后續(xù)處理系統(tǒng)中氟化鈣結(jié)垢。在超濾后面增加了鈉床系統(tǒng)，鈉床系統(tǒng)包括2臺DN2000鈉床(一用一備)，再生設備等；鈉床每臺處理量按80 m3/h設計，為鋼制設備，內(nèi)裝填料強酸陽樹脂，填充高度為1800 mm，運行周期為1天以上。再生水自流進入調(diào)節(jié)池。

4.3 提濃處理系統(tǒng)

4.3.1 二級濃水反滲透裝置

N B的組網(wǎng)架構(gòu)涉及終端、無線、核心網(wǎng)、專網(wǎng)、平臺及應用服務器等，而大量終端仍然沿用2G終端的業(yè)務模型， NB-IoT終端側(cè)的問題較為突出。

濃水反滲透濃水經(jīng)軟化除硬過濾后進入二級濃水反滲透裝置。二級濃水反滲透裝置設計為2套，每套設計出力為24 m3/h，平均通量不大于14 L/(m2·h)，每套按一級兩段(5∶3)排列，回收率為65%，段間設置增壓泵。膜元件采用陶氏專用于高難度水處理系統(tǒng)的富耐CR100，膜材質(zhì)為芳香族聚酰胺復合膜，單支膜面積37 m2。

4.3.2 STRO裝置

二級濃水反滲透濃水的成分復雜，含無機鹽、有機物，也有預處理、脫鹽等過程使用的少量化學品，如阻垢劑和其他反應產(chǎn)物。濃鹽水的處理是高含鹽廢水“零排放” 的關鍵技術[6]。本工程對二級濃水反滲透濃水采用STRO裝置進一步提濃，最后進入蒸發(fā)裝置進行固化處理，最終實現(xiàn)廢水零排放。

STRO(網(wǎng)管式高壓反滲透膜)裝置采用RECHEM公司的STRO膜產(chǎn)品，脫鹽率在95%以上。

本工程設計2套STRO裝置，每套STRO裝置進水量13 m3/h，每套產(chǎn)生濃水量小于6.2 m3/h，回收率大于50%，每套選用24支90bar的STRO膜柱，單支膜柱面積26.5 m2，將單套STRO分成兩個組塊，第一組塊1串，每串6支膜組件串聯(lián)排列，第二組3串，每串6支膜組件串聯(lián)排列，共24支膜組件，串與串并聯(lián)排列。第二個組塊單獨設置一臺錯流循環(huán)泵，以保證每一串膜的進膜水量，以及補充過膜后的壓力損失。

STRO濃水保證TDS≥90000，其中Na+濃度為32000 mg/L，Cl-濃度為25000 mg/L，SO42-濃度為36400 mg/L。確保STRO濃水高含鹽量，可以有效減少蒸發(fā)環(huán)節(jié)的蒸發(fā)量，減少蒸發(fā)裝置的規(guī)模，維持蒸發(fā)的性能穩(wěn)定。

5 結(jié)語

(1)反滲透濃水、再生廢水混合后產(chǎn)生的混合水水質(zhì)復雜，含鹽量高，必須采用完善的預處理工藝進行處理，為后續(xù)膜法的穩(wěn)定運行提供保證。

(2)采用先進的膜技術，大大降低了酸、堿等藥劑的使用量，最終實現(xiàn)廢水的零排放。

(3)STRO具有開放式的通道結(jié)構(gòu)，對進水水質(zhì)適應性強，膜結(jié)垢少，不易污堵，易清洗，使用壽命長，濃縮倍率高，產(chǎn)水水質(zhì)好等優(yōu)點，對高鹽廢水的濃縮處理具有非常顯著的效果。

(4)用STRO進行濃縮，可以減少進入蒸發(fā)結(jié)晶裝置中濃鹽水的量，從而減少蒸發(fā)量及蒸發(fā)裝置的規(guī)模，減少零排放項目的投資費用及運行費用。