高硬度電鍍廢水中水回用工程實(shí)例分析

盧斯煜，陳 凱，李建飛，柴少龍，羅偉鋒

(煤科集團(tuán)杭州環(huán)保研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引言

近年來我國電鍍行業(yè)企業(yè)數(shù)量呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢，截至2018年我國已成為電鍍加工大國。絕大部分的電鍍企業(yè)分布在華南、華東及沿海制造業(yè)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，其中臺州部分地區(qū)還存在新增中小型電鍍企業(yè)速度快、密度高的現(xiàn)象。鑒于此現(xiàn)象當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境保護(hù)管理部門為控制該地區(qū)電鍍廢水排放總量對當(dāng)?shù)仉婂兤髽I(yè)達(dá)標(biāo)排放的水量進(jìn)行了更嚴(yán)格的控制，故當(dāng)?shù)仉婂兤髽I(yè)必須進(jìn)行減量生產(chǎn)或?qū)υ黾舆_(dá)標(biāo)排放水再利用工藝。目前臺州某電鍍企業(yè)運(yùn)營狀態(tài)良好無法減量生產(chǎn)，故需要對原污水站進(jìn)行改造，增設(shè)中水回用工藝工程，通過比較電鍍廢水回用技術(shù)常用的反滲透過濾法、電滲析技術(shù)和離子交換樹脂三種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)[1]，結(jié)合該電鍍企業(yè)現(xiàn)有的人員配置、場地限值等因素后選擇了在我國比較成熟且具有人員操作簡便及設(shè)備占地面積小等優(yōu)勢的反滲透過濾法。反滲透過濾法的缺陷在于反滲透膜在使用過程中受待處理水水質(zhì)影響極大，若水質(zhì)較差容易發(fā)生反滲透膜不可逆污堵問題從而必須更換新的反滲透膜，這將造成額外的經(jīng)濟(jì)損失[2]，而該電鍍企業(yè)日常運(yùn)營過程中為控制成本，在不影響污水站出水指標(biāo)的前提下使用石灰代替片堿進(jìn)行電鍍廢水pH調(diào)節(jié)，導(dǎo)致出水硬度極高(Ca2+>3 000 mg/L)達(dá)到特硬水等級[3-4]，為保證反滲透膜的正常使用必須對污水站出水進(jìn)行軟化處理。在吸取前人的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過多方研究后決定采用“軟化+砂濾+UF+RO”組合工藝進(jìn)行污水站中水回用，輔以CIP(在線清洗)工藝進(jìn)行新增系統(tǒng)的日常維護(hù)。本工程于2017年11月下旬安裝調(diào)試結(jié)束并投產(chǎn)使用，至今系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，處理效果良好，可為電鍍企業(yè)污水站高硬度排放水回用改造提供較好的借鑒。

1 項(xiàng)目概況

臺州某電鍍企業(yè)污水站原有達(dá)標(biāo)排放150 t/d電鍍廢水，出水重金屬濃度達(dá)到《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21900—2008)新建企業(yè)水污染物濃度排放限值要求，其余指標(biāo)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)三級標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)為減少污水站排水量需要增設(shè)一套污水站中水回用系統(tǒng)，現(xiàn)結(jié)合電鍍企業(yè)電鍍線用水水質(zhì)要求，在保證中水回用系統(tǒng)回用率≥50%的基礎(chǔ)上對回用系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)和回用水質(zhì)做出了明確要求(其中污水站出水還需進(jìn)行軟化處理此時(shí)的電導(dǎo)率測定無意義，為達(dá)到回用水質(zhì)要求只需保證超濾產(chǎn)水電導(dǎo)率≤30 000 μS/cm；污水站出水的鈣離子則會(huì)對反滲透膜造成污堵，為保證反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要保證一體式組合軟化池出水鈣含量≤20 mg/L)，水質(zhì)具體要求見表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)和回用水水質(zhì)

2 工藝流程

污水站放流池中水通過水泵抽入一體式組合軟化沉淀池，組合池內(nèi)中水依次通過軟化池、快混池和慢混池，在攪拌機(jī)的攪拌作用下使中水和藥劑充分接觸后進(jìn)入斜管沉淀池進(jìn)行固液分離，上清液通過溢流堰流至中間水槽；中間水槽水經(jīng)水泵抽入砂濾器過濾凈化后流入pH調(diào)節(jié)槽，在槽內(nèi)通過酸堿加藥系統(tǒng)在pH探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測的控制下調(diào)節(jié)水體pH至中性后進(jìn)入U(xiǎn)F原水池；之后水經(jīng)超濾系統(tǒng)和兩級反滲透系統(tǒng)處理后獲得高品質(zhì)水返回企業(yè)車間內(nèi)再次使用。

一體式組合沉淀池產(chǎn)生的污泥主要成分為碳酸鈣，定期通過污泥泵排入污水站污泥池中統(tǒng)一壓泥處理，產(chǎn)生的濾液回污水站前端混合處理，成型泥餅定期委外處理。

反滲透系統(tǒng)在運(yùn)行過程中污染物會(huì)在濃水側(cè)富集，一級反滲透富集濃水內(nèi)會(huì)含較多的雜質(zhì)故返回污水站前端混合處理，由于二級反滲透用于一級反滲透產(chǎn)水品質(zhì)提升，水體自身的污染物濃度較低，故產(chǎn)生的富集濃水返回一級反滲透系統(tǒng)前端再次利用。詳細(xì)工藝流程詳見圖1。

3 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

本工程主要構(gòu)筑物見表2。

3.1 一體式組合軟化沉淀池

一體式組合軟化沉淀池由軟化池、快混池、慢混池、pH調(diào)節(jié)池和斜管沉淀池組合而成，各反應(yīng)池之間共用隔墻，沉淀池選用表面負(fù)荷較大的斜管沉淀方式，通過池體結(jié)構(gòu)優(yōu)化以節(jié)約占地面積。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)軟化池中加藥系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)投加過量的純堿引入碳酸根離子，同時(shí)通過投加液堿調(diào)節(jié)水體的pH維持在10～12之間，污水站中水通過攪拌機(jī)攪拌作用充分與藥劑接觸反應(yīng)形成碳酸鈣沉淀，反應(yīng)后的水流經(jīng)快、慢混池加藥混凝后流入斜管沉淀池中沉淀，上清液通過溢流堰流入中間水槽，沉淀池底部污泥通過水泵輸送至污水站的污泥收集池經(jīng)壓濾機(jī)壓成泥餅后處理。

表2 主要構(gòu)筑物一覽表

一體式組合沉淀池內(nèi)發(fā)生軟化作用的“純堿+液堿”的組合軟化工藝通過碳酸鈣的溶度積常數(shù)[5]和碳酸在不同pH水體中存在的形態(tài)確定，藥劑投加量及最佳反應(yīng)pH則通過后期工況調(diào)試確定。

3.2 砂濾器

企業(yè)污水站內(nèi)原有配套管路完整的濾器罐體，但因污水站處理工藝修改遭廢棄，在本工程中考慮到一體式組合軟化沉淀池出水水質(zhì)會(huì)受到污水站出水水質(zhì)波動(dòng)影響，為了提高系統(tǒng)整體抗沖擊能力在組合沉淀池出水后接入過濾器過濾，一方面提高系統(tǒng)整體的抗沖擊能力，一方面也將廢棄濾器罐體再次利用起來。本工程中過濾器過濾介質(zhì)采用石英砂填料故稱砂濾器，用于去除生化沉淀出水中殘留的顆粒、膠體物質(zhì)、懸浮固體等，以提高水質(zhì)，增強(qiáng)系統(tǒng)抗沖擊能力，保證后續(xù)工序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 超濾(UF)系統(tǒng)

超濾(UF)工藝[6]在砂濾器過濾作用后進(jìn)一步去除水中的雜質(zhì)，該系統(tǒng)在一定壓力下，當(dāng)水流過膜表面時(shí)，只允許水、無機(jī)鹽和小分子物質(zhì)透過膜，而截留水中的懸浮物、膠體和微生物，以達(dá)到凈化分離的目的。本系統(tǒng)中超濾膜過水的運(yùn)行方式采用死端過濾方式，將所有的進(jìn)水在壓力差的作用下透過超濾膜，把進(jìn)水中的雜質(zhì)截留在超濾膜上，并輔以頻繁水反洗技術(shù)去除截留在超濾膜表面的雜質(zhì)，以保證膜系統(tǒng)穩(wěn)定的產(chǎn)水量，并提高系統(tǒng)的水利用率，使系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定。

3.4 反滲透(RO)系統(tǒng)

反滲透(RO)技術(shù)[7]作為中水回用的核心步驟，本工程中采用的反滲透膜元件具有脫鹽率高、透過速度快、機(jī)械強(qiáng)度好、抗污染性能好等特點(diǎn)。超濾產(chǎn)水經(jīng)過兩級反滲透膜系統(tǒng)處理后的產(chǎn)水進(jìn)入回用水池，經(jīng)節(jié)能變頻恒壓供水系統(tǒng)送至企業(yè)車間用水點(diǎn)，一級反滲透污染物富集濃水返回臺州某電鍍公司企業(yè)配套的企業(yè)內(nèi)污水站和原處理水混合后處理，二級反滲透污染物富集濃水由于污染物濃度較低可以返回超濾產(chǎn)水箱再次處理提高中水回用率。兩級反滲透膜管數(shù)量采用3∶1(一級膜數(shù)量∶二級膜數(shù)量)的比例進(jìn)行處理，在安裝過程中反滲透膜管架采用垂直疊加式制作，在平面空間上做到了盡可能小的占地面積。

本工程雖然采用了“砂濾器+超濾系統(tǒng)”的串聯(lián)工藝作為反滲透系統(tǒng)的預(yù)處理模塊，但反滲透系統(tǒng)的膜元件不被污染是不現(xiàn)實(shí)的。為確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，本工程反滲透系統(tǒng)配有在線清洗(CIP)工藝，在污堵發(fā)生后配制特定清洗液清除膜中污染物質(zhì)，通過此方法可以有效地恢復(fù)膜元件的性能。

4 運(yùn)行效果分析

4.1 運(yùn)行情況

該工程自2017年11月下旬設(shè)備安裝調(diào)試結(jié)束后開始使用，經(jīng)半年多的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行良好，處理效果可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)要求和預(yù)期目的，排放指標(biāo)均低于設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)在調(diào)試期間和運(yùn)行半年后各取一周的數(shù)據(jù)，處理效果見圖2、圖3。

圖中所示數(shù)據(jù)的水樣分別取于一體式組合軟化沉淀池進(jìn)水端和砂濾器出水端。從圖中可以觀察到，從污水站放流池中抽入的中水含有大量的鈣離子，通過調(diào)試期進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)曲線和系統(tǒng)運(yùn)行半年后隨機(jī)抽取一周的進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)曲線可以發(fā)現(xiàn)中水中鈣離子含量在3 000～7 000 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)。軟化出水的鈣離子含量有明顯的減少，在調(diào)試初期軟化出水的鈣離子含量就達(dá)到≤50 mg/L的要求。但對于膜系統(tǒng)而言鈣離子含量越低就越不容易造成膜污染，因此將一體式組合軟化沉淀池中軟化單元的pH控制點(diǎn)由10.5提至11.5。從圖中調(diào)試期軟化出水后半段數(shù)據(jù)曲線和系統(tǒng)運(yùn)行半年后隨機(jī)抽取一周的軟化出水?dāng)?shù)據(jù)曲線可以看出軟化出水的鈣離子含量穩(wěn)定<15 mg/L。

圖中所示數(shù)據(jù)的水樣分別取于超濾工藝的產(chǎn)水端和反滲透工藝的產(chǎn)水端。通過兩級反滲透處理，中水電導(dǎo)率由14 000～20 000 μs/cm穩(wěn)定降至40～110 μs/cm(圖3(a)電導(dǎo)率變化)，滿足回用水電導(dǎo)率≤300 μs/cm的要求；中水CODCr由350～420 mg/L穩(wěn)定降至8～20 mg/L(圖3(b)CODCr變化)，滿足回用水CODCr≤20 mg/L的要求；中水SS由360～440 mg/L穩(wěn)定降至0～4 mg/L(圖3(c)SS變化)，滿足回用水SS≤10 mg/L的要求。

綜上所述，本工程中通過“軟化+砂濾+超濾+反滲透”組合工藝對污水站出水進(jìn)行深度處理后的回用水質(zhì)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且經(jīng)過半年運(yùn)行后系統(tǒng)依舊相對穩(wěn)定。

4.2 直接運(yùn)行成本分析

本工程總投資100萬元，處理水量150 t/d，正常生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用主要包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)、耗材費(fèi)和維修費(fèi)，各費(fèi)用計(jì)算如下：

(1)電費(fèi)：系統(tǒng)正常運(yùn)行期間各設(shè)備的用電量構(gòu)成，計(jì)算后為7.13元/t；

(2)藥劑費(fèi)：系統(tǒng)運(yùn)行期間各藥劑投加量構(gòu)成，其中每噸水的藥劑費(fèi)分別為氫氧化鈉0.33元/t，50%硫酸0.3元/t，PAC 0.28元/t，PAM 0.07元/t，純堿4.07元/t組成，共計(jì)5.05元/t；

(3)人工費(fèi)：系統(tǒng)需要專人進(jìn)行操作維護(hù)，由于系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，崗位只需1人，結(jié)合當(dāng)?shù)毓べY收入情況，工資以135元/d計(jì)，則人工費(fèi)為0.9元/t；

(4)耗材費(fèi)：系統(tǒng)正常運(yùn)行期間砂濾器過濾介質(zhì)，日常用品，化驗(yàn)室易耗品等，折算后為0.69元/t；

(5)維修費(fèi)：系統(tǒng)正常運(yùn)行期間設(shè)備難免出現(xiàn)故障，為排除故障產(chǎn)生得費(fèi)用，費(fèi)用參考給排水手冊以5 000元/月計(jì)，即維修費(fèi)為0.11元/t。

(6)直接運(yùn)行費(fèi)用：上述費(fèi)用合計(jì)為13.88元/t。

5 結(jié)語

采用“軟化+砂濾+超濾+反滲透”組合工藝處理臺州某電鍍企業(yè)污水站達(dá)標(biāo)排放的高硬度電鍍污水，回用水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到CODCr≤20 mg/L，電導(dǎo)率≤300 μS/cm，SS≤10 mg/L，pH 6～9，回用率≥50%，滿足臺州某電鍍企業(yè)對回用水水質(zhì)的要求。高硬度廢水本身易造成反滲透膜產(chǎn)生不可逆的污堵，本工程中通過系統(tǒng)前端的廢水軟化處理和反滲透系統(tǒng)CIP在線清洗維護(hù)下，經(jīng)半年多運(yùn)行后系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)較調(diào)試期數(shù)據(jù)無明顯變化。