污水處理高效膜濃縮技術
陽煤集團和順化工有限公司設計規(guī)模為年產18萬噸合成氨、3萬噸甲醇、30萬噸尿素，主工藝裝置包括常壓固定床塊煤氣化、變壓吸附制氧、濕法催化氧化脫硫、變壓吸附脫碳、氨合成、二氧化碳汽提尿素等，廢水主要來自原水處理及脫鹽水站排水、合成循環(huán)水系統(tǒng)排水、尿素循環(huán)水系統(tǒng)排水、造氣循環(huán)水系統(tǒng)排水、脫硫循環(huán)水系統(tǒng)排水、壓縮機含油廢水。
污水處理系統(tǒng)收集全廠區(qū)的廢水進行處理，經過生化處理后進入中水回用系統(tǒng)，經中水回用系統(tǒng)處理后淡水主要回用于循環(huán)冷卻水補水，濃水作為造氣循環(huán)水補水，實現(xiàn)零排放，但中水回用系統(tǒng)因設備老化、膜設備污堵等原因無法投運，導致污水再次返回循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，鹽分無法去除，形成閉路循環(huán)，循環(huán)冷卻水的鹽分不斷累積，水質嚴重超標，氯離子高達5000mg/L以上，對設備造成嚴重腐蝕或結垢，同時造成循環(huán)水無法消納原設計的濃鹽水，特別是冬季濃鹽水無法排放，存在較大的環(huán)保風險。
根據(jù)分析整個水處理系統(tǒng)的現(xiàn)狀，對原有生化系統(tǒng)進行改造，對生化的產水通過采用高效膜濃縮技術(專利號ZL201310082599.3)和專有三效蒸發(fā)技術解決了循環(huán)冷卻水鹽分累積過高的問題，實現(xiàn)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的的良態(tài)運行，改善整個水處理系統(tǒng)的運行情況，實現(xiàn)了整個廠區(qū)的零排放。
1、工程設計
1.1 高效膜濃縮技術
高效膜濃縮是一種集合高密度沉淀池、離子交換、雙膜工藝的處理技術，該技術克服了傳統(tǒng)反滲透系統(tǒng)存在的有機物污堵、生物污堵、膠體顆粒污染、無機物結垢，既可以容忍一定硬度的進水，有效去除進水中的氨氮，也可以應對廢水中各種化學組分的變化，實現(xiàn)在低化學品消耗、高回收率條件下穩(wěn)定運行。
1.2 裝置設計基礎
1.2.1 設計進水水量水質
在工程實踐中，膜濃縮系統(tǒng)長期運行COD、硅等經濃縮后可造成膜污堵，所以一般傳統(tǒng)反滲透對進水水質要求高，特別是COD要求小于30mg/L，并且膜系統(tǒng)的回收率較低(一般低于70%)，對有機含鹽廢水的回收率更低(~50%)，產生大量的廢水，并且頻繁清洗(一般1~2周清洗一次)，因此對有機含鹽廢水的濃縮一般采用的是高效反滲透技術即HERO工藝，但HERO工藝需要長期控制高pH(11~12)運行，同時對預處理運行要求非常高，比如硬度一般要求小于1mg/L，這樣就導致消耗的堿液量比較大，同時對來水的氨氮沒有去處效果。實際上有機物、生物對膜的污染是需要一定時間積累的，在膜濃縮裝置連續(xù)運行一段時間后(約4~8h)，膜的表面會有少量的有機物污染，此時在進水中投加強堿，將進水的pH值升至10.3~10.8，同時采用大流量、高pH值的進水對膜表面沖洗十幾分鐘，可將膜表面累積的有機物、膠體等去除。沖洗完成后，停止加堿，將進水壓力提升，高效膜濃縮系統(tǒng)重新投入運行，這就是高效膜濃縮技術與其他技術的不同之處。這種運行方式既可克服常規(guī)反滲透的生物污染、有機物污染、無機物結垢和膠體污堵，又可克服在長期堿性條件下運行反滲透(即傳統(tǒng)的HERO技術)產生的消耗大量堿、而氨氮無法去除的缺點。
高效膜濃縮系統(tǒng)即使在90%的回收率條件下，其化學清洗的周期也將達到3~6個月，系統(tǒng)在設定條件下，反滲透系統(tǒng)運行相當穩(wěn)定、可靠，從工藝上根本解決了反滲透裝置污染與結垢問題。
在廢水零排放系統(tǒng)中，該工藝可顯著減少送入后續(xù)蒸發(fā)結晶系統(tǒng)的進水量，從而極大減少設備的投資和運行費用，可廣泛應用于高鹽水的高倍濃縮。
1.2.2 設計出水水量水質
1.3 工藝流程
根據(jù)來水的水質和改造要求，力求系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠，將高效膜濃縮應用于中水回用系統(tǒng)。系統(tǒng)工藝流程描述如下：
(1)前端的生化出水與本系統(tǒng)反洗廢水、再生廢水、污泥脫水濾液等混合后首先進入高密池，通過投加燒堿和碳酸鈉軟化劑通過一系列的反應生成沉淀而達到除硬除堿的目的，達到總硬度小于100mg/L。根據(jù)需要還應投加混凝劑，使生產的沉淀形成較大的礬花，改善污泥的沉淀性能。軟化澄清生成的碳酸鈣、氫氧化鎂沉淀，氫氧化鎂的顆粒表面能吸附水中大部分硅化合物，然后漸漸變成難溶的硅酸鎂，從而在軟化的同時去除廢水中的二氧化硅，達到出水二氧化硅小于15mg/L。
(2)經軟化澄清后的出水送入多介質過濾器進行過濾，以去除高密池出水中含有的少量懸浮物質、固體顆粒、膠體等，保證其出水濁度小于2NTU。
(3)經過多介質過濾器過濾后，水中仍有小量高密池未能去除的硬度以及部分堿度，采用弱酸陽離子樹脂能夠去除水中所有的硬度，達到出水總硬度小于1mg/L，弱酸性陽樹脂具有交換容量大、容易再生等優(yōu)點。
(4)經過弱酸陽離子樹脂后，需要進一步去除水中的堿度以降低結垢風險。系統(tǒng)在弱酸陽離子交換器后加酸調節(jié)pH，通過采用鼓風脫碳器脫除水中的堿度，可將CO2含量降至5mg/L以下。
(5)經過脫碳器脫除水中的堿度后，出水進入超濾系統(tǒng)，作為反滲透的前處理，保證其出水SDI小于3。
(6)經超濾裝置后的出水送入高效膜濃縮系統(tǒng)，在膜濃縮裝置連續(xù)運行一段時間后(約4~8h)，膜的表面會有少量的有機物污染，此時在進水中投加強堿，將進水的pH值升至10.3~10.8，采用大流量、高pH值的進水對膜表面沖洗十幾分鐘，可將膜表面累積的有機物、膠體等去除，沖洗后的水返回至膜濃縮裝置的進水箱中。沖洗完成后，停止加堿，將進水壓力提升，膜濃縮裝置重新投入運行。
中水回用系統(tǒng)的反滲透產水水質優(yōu)異，回用至廠區(qū)用作循環(huán)冷卻水補水，反滲透濃水進入下游工段進行蒸發(fā)結晶處理，最終實現(xiàn)廢水的“零排放”。
2、裝置實際運行情況
2.1 系統(tǒng)設計
2.1.1 高密池裝置
高密度沉淀池工藝是依托污泥混凝、循環(huán)、斜管分離及濃縮等多種理論，通過合理的水力和結構設計，集泥水分離與污泥濃縮功能于一體的新一代沉淀工藝，由反應區(qū)和澄清區(qū)兩部分組成，反應區(qū)包括混合反應區(qū)和推流反應區(qū)；澄清區(qū)包括入口預沉區(qū)、斜管沉淀區(qū)及濃縮區(qū)。
主要設備參數(shù)：數(shù)量：1套，處理量：80m3/h，除硬度反應池：20m3，混凝池：3m3，絮凝池：12m3，沉淀池：斜管區(qū)上升流速10m/h，污泥回流比：4%~6%，中和池：1.5m3。
2.1.2 多介質過濾器
多介質過濾器是利用一種無煙煤和石英石作為過濾介質，有效的除去懸浮雜質使水澄清的過程，用于超濾預處理，出水濁度可達2NTU以下。
主要設備參數(shù)：數(shù)量：2臺，處理量：80m3/h，罐體直徑：Ф2400mm，裝填量：無煙煤4m3石英沙8m3，正常流過速率：8m/h，反洗周期：24h，氣洗強度：1m3/m2?min，風機風量：5m3/min，水反洗強度：10L/m2?s，產水濁度≤2NTU。
2.1.3 弱酸陽床
本系統(tǒng)中采用弱酸陽離子樹脂能夠去除水中所有的硬度，弱酸性陽樹脂有交換容量大容易再生等優(yōu)點，樹脂在使用一段時間后，要進行再生處理，即用化學藥品使離子交換反應以相反方向進行，使樹脂的官能基團恢復原來狀態(tài)，以供再次使用。弱酸陽離子樹脂的再生采用兩步再生法，即第一步采用酸再生，將弱酸樹脂再生成氫型，然后采用堿再生，將氫型樹脂轉為鈉型。
主要設備參數(shù)：處理量：80m3/h，罐體直徑：Ф2200mm，裝填量：7.2m3，流過速率：20m/h，再生周期：72h，樹脂類型：漂萊特C104plus大孔型弱酸陽樹脂，產水硬度≤1mg/L，酸耗：2000kg/次，堿耗：3490kg/次，水耗：97m3/次。
2.1.4 超濾裝置
超濾系統(tǒng)作為反滲透的前處理，采用DOW聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜絲具，采用截污量更高的外壓式結構，具有更大的過濾面積。
主要設備參數(shù)：處理量：80m3/h，超濾型號及數(shù)量：20支SFP2880，設計通量：50LMH，超濾回收率：95%，反洗頻率：1次/30min，反洗強度：100L/m2?h，氣洗強度：7Nm3/h，產水污染指數(shù)：SDI≤3。
2.1.5 反滲透裝置
由于來水COD及其他雜質限制，無法采用傳統(tǒng)的UF/RO系統(tǒng)實現(xiàn)高的回收率，采用了高效膜濃縮技術，與其他膜濃縮系統(tǒng)相比，進行了諸多的改進與改良，更為先進，實現(xiàn)90%回收率。
主要設備參數(shù)：處理量：60m3/h，反滲透型號及數(shù)量：90支BW30-FR-400，芯數(shù)及排列方式：2段6芯，10?U5，設計通量：16LMH，反滲透回收率：90%，運行pH值：10.3~10.8，運行壓力：一段175m，二段215m。
2.2 各單元處理效果
各單元處理效果如表3所示。
2.3 各裝置運行情況
通過對調試和運行情況以及從性能測試數(shù)據(jù)的分析，該處理裝置的運行情況總結如下：
(1)高效反滲透回收率和脫鹽效果較好。裝置的水回收率達到了90%以上，脫鹽率高于97%，完全達到了設計要求。
(2)反滲透膜系統(tǒng)運行穩(wěn)定，反滲透進水pH間歇性控制在10.5~11之間，反滲透裝置的段間壓差、產水水量、水質指標等都非常穩(wěn)定。
(3)水中的鈣、鎂、鐵等二價、三價金屬離子的結構問題在預處理得到了控制，在燒堿、純堿軟化和離子交換去除了水中的硬度及堿度，實際運行過程中，弱酸離子交換器的實效終點為10mg/L。
(4)二氧化硅的控制，高效澄清池去除了一部分進水中的二氧化硅，反滲透入口投加少量的控制硅污染的阻垢劑。該阻垢劑同時還具有控制鈣鎂垢的作用。
(5)懸浮物、有機物和微生物的控制，雖然進水含有一定量的COD，反滲透在高pH條件下運行，有機物的污染得到了控制，反滲透的段間壓差也基本維持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)懸浮物、有機物的污堵。
(6)自2021年05月中水回用系統(tǒng)投用后，中水回用系統(tǒng)的優(yōu)質產水水質達到且優(yōu)于《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》(GB50050-2017)規(guī)定的工業(yè)循環(huán)冷卻水水質標準，用于廠區(qū)循環(huán)冷卻水的補水，循環(huán)冷卻水的電導率及氯離子開始呈現(xiàn)下降趨勢，廠區(qū)最緊迫的循環(huán)冷卻水鹽分累積過高的問題基本得到解決。
3、成本分析
高效膜濃縮系統(tǒng)處理水量按60m3/h計，水處理成本為13.36元/m3，其中化學藥劑8.01元/m3，耗材(樹脂、膜等更換)費用1.09元/m3，人員工資及其他4.26元/m3。
4、結論
陽煤集團和順化工有限公司中水回用系統(tǒng)通過采用“高密池+多介質過濾器+弱酸陽床&脫碳器+超濾+反滲透”的高效膜濃縮工藝技術，廠區(qū)內的循環(huán)冷卻水排污水等廢水經過處理后回用，設備處理效果好，運行穩(wěn)定，出水水質達到且優(yōu)于《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》(GB50050-2017)規(guī)定的工業(yè)循環(huán)冷卻水水質標準，使得廠區(qū)污水處理出水全部回用，減少了一次水的使用，解決了廠區(qū)中水回用系統(tǒng)改造前最緊迫的循環(huán)冷卻水鹽分累積過高的問題，實現(xiàn)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的的良態(tài)運行，改善整個水處理系統(tǒng)的運行情況，實現(xiàn)了經濟效益和環(huán)保效益，可為我國其他類似行業(yè)的循環(huán)冷卻水處理設施的新建或升級改造提供借鑒與參考。（來源：廣州漢泰環(huán)境技術有限公司）