污水處理高效膜濃縮技術(shù)
陽煤集團(tuán)和順化工有限公司設(shè)計(jì)規(guī)模為年產(chǎn)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(jī)含油廢水。
污水處理系統(tǒng)收集全廠區(qū)的廢水進(jìn)行處理，經(jīng)過生化處理后進(jìn)入中水回用系統(tǒng)，經(jīng)中水回用系統(tǒng)處理后淡水主要回用于循環(huán)冷卻水補(bǔ)水，濃水作為造氣循環(huán)水補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)零排放，但中水回用系統(tǒng)因設(shè)備老化、膜設(shè)備污堵等原因無法投運(yùn)，導(dǎo)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(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，氯離子高達(dá)5000mg/L以上，對設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕或結(jié)垢，同時造成循環(huán)水無法消納原設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)。
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(jìn)行改造，對生化的產(chǎn)水通過采用高效膜濃縮技術(shù)(專利號ZL201310082599.3)和專有三效蒸發(fā)技術(shù)解決了循環(huán)冷卻水鹽分累積過高的問題，實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的的良態(tài)運(yùn)行，改善整個水處理系統(tǒng)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)了整個廠區(qū)的零排放。
1、工程設(shè)計(jì)
1.1 高效膜濃縮技術(shù)
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(shù)，該技術(shù)克服了傳統(tǒng)反滲透系統(tǒng)存在的有機(jī)物污堵、生物污堵、膠體顆粒污染、無機(jī)物結(jié)垢，既可以容忍一定硬度的進(jìn)水，有效去除進(jìn)水中的氨氮，也可以應(yīng)對廢水中各種化學(xué)組分的變化，實(shí)現(xiàn)在低化學(xué)品消耗、高回收率條件下穩(wěn)定運(yùn)行。
1.2 裝置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
1.2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水量水質(zhì)
在工程實(shí)踐中，膜濃縮系統(tǒng)長期運(yùn)行COD、硅等經(jīng)濃縮后可造成膜污堵，所以一般傳統(tǒng)反滲透對進(jìn)水水質(zhì)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(jī)含鹽廢水的回收率更低(~50%)，產(chǎn)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(jī)含鹽廢水的濃縮一般采用的是高效反滲透技術(shù)即HERO工藝，但HERO工藝需要長期控制高pH(11~12)運(yùn)行，同時對預(yù)處理運(yùn)行要求非常高，比如硬度一般要求小于1mg/L，這樣就導(dǎo)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(shí)際上有機(jī)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(yùn)行一段時間后(約4~8h)，膜的表面會有少量的有機(jī)物污染，此時在進(jìn)水中投加強(qiáng)堿，將進(jìn)水的pH值升至10.3~10.8，同時采用大流量、高pH值的進(jìn)水對膜表面沖洗十幾分鐘，可將膜表面累積的有機(jī)物、膠體等去除。沖洗完成后，停止加堿，將進(jìn)水壓力提升，高效膜濃縮系統(tǒng)重新投入運(yùn)行，這就是高效膜濃縮技術(shù)與其他技術(shù)的不同之處。這種運(yùn)行方式既可克服常規(guī)反滲透的生物污染、有機(jī)物污染、無機(jī)物結(jié)垢和膠體污堵，又可克服在長期堿性條件下運(yùn)行反滲透(即傳統(tǒng)的HERO技術(shù))產(chǎn)生的消耗大量堿、而氨氮無法去除的缺點(diǎn)。
高效膜濃縮系統(tǒng)即使在90%的回收率條件下，其化學(xué)清洗的周期也將達(dá)到3~6個月，系統(tǒng)在設(shè)定條件下，反滲透系統(tǒng)運(yùn)行相當(dāng)穩(wěn)定、可靠，從工藝上根本解決了反滲透裝置污染與結(jié)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(jié)晶系統(tǒng)的進(jìn)水量，從而極大減少設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用，可廣泛應(yīng)用于高鹽水的高倍濃縮。
1.2.2 設(shè)計(jì)出水水量水質(zhì)
1.3 工藝流程
根據(jù)來水的水質(zhì)和改造要求，力求系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠，將高效膜濃縮應(yīng)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(jìn)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(yīng)生成沉淀而達(dá)到除硬除堿的目的，達(dá)到總硬度小于100mg/L。根據(jù)需要還應(yīng)投加混凝劑，使生產(chǎn)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(dá)到出水二氧化硅小于15mg/L。
(2)經(jīng)軟化澄清后的出水送入多介質(zhì)過濾器進(jìn)行過濾，以去除高密池出水中含有的少量懸浮物質(zhì)、固體顆粒、膠體等，保證其出水濁度小于2NTU。
(3)經(jīng)過多介質(zhì)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(dá)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(diǎn)。
(4)經(jīng)過弱酸陽離子樹脂后，需要進(jìn)一步去除水中的堿度以降低結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)在弱酸陽離子交換器后加酸調(diào)節(jié)pH，通過采用鼓風(fēng)脫碳器脫除水中的堿度，可將CO2含量降至5mg/L以下。
(5)經(jīng)過脫碳器脫除水中的堿度后，出水進(jìn)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(jīng)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(yùn)行一段時間后(約4~8h)，膜的表面會有少量的有機(jī)物污染，此時在進(jìn)水中投加強(qiáng)堿，將進(jìn)水的pH值升至10.3~10.8，采用大流量、高pH值的進(jìn)水對膜表面沖洗十幾分鐘，可將膜表面累積的有機(jī)物、膠體等去除，沖洗后的水返回至膜濃縮裝置的進(jìn)水箱中。沖洗完成后，停止加堿，將進(jìn)水壓力提升，膜濃縮裝置重新投入運(yùn)行。
中水回用系統(tǒng)的反滲透產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)異，回用至廠區(qū)用作循環(huán)冷卻水補(bǔ)水，反滲透濃水進(jìn)入下游工段進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶處理，最終實(shí)現(xiàn)廢水的“零排放”。
2、裝置實(shí)際運(yùn)行情況
2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(yīng)區(qū)和澄清區(qū)兩部分組成，反應(yīng)區(qū)包括混合反應(yīng)區(qū)和推流反應(yīng)區(qū)；澄清區(qū)包括入口預(yù)沉區(qū)、斜管沉淀區(qū)及濃縮區(qū)。
主要設(shè)備參數(shù)：數(shù)量：1套，處理量：80m3/h，除硬度反應(yīng)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(zhì)過濾器
多介質(zhì)過濾器是利用一種無煙煤和石英石作為過濾介質(zhì)，有效的除去懸浮雜質(zhì)使水澄清的過程，用于超濾預(yù)處理，出水濁度可達(dá)2NTU以下。
主要設(shè)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(qiáng)度：1m3/m2?min，風(fēng)機(jī)風(fēng)量：5m3/min，水反洗強(qiáng)度：10L/m2?s，產(chǎn)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(diǎn)，樹脂在使用一段時間后，要進(jìn)行再生處理，即用化學(xué)藥品使離子交換反應(yīng)以相反方向進(jìn)行，使樹脂的官能基團(tuán)恢復(fù)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(zhuǎn)為鈉型。
主要設(shè)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，具有更大的過濾面積。
主要設(shè)備參數(shù)：處理量：80m3/h，超濾型號及數(shù)量：20支SFP2880，設(shè)計(jì)通量：50LMH，超濾回收率：95%，反洗頻率：1次/30min，反洗強(qiáng)度：100L/m2?h，氣洗強(qiáng)度：7Nm3/h，產(chǎn)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(zhì)限制，無法采用傳統(tǒng)的UF/RO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高的回收率，采用了高效膜濃縮技術(shù)，與其他膜濃縮系統(tǒng)相比，進(jìn)行了諸多的改進(jìn)與改良，更為先進(jìn)，實(shí)現(xiàn)90%回收率。
主要設(shè)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(shè)計(jì)通量：16LMH，反滲透回收率：90%，運(yùn)行pH值：10.3~10.8，運(yùn)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(yùn)行情況
通過對調(diào)試和運(yùn)行情況以及從性能測試數(shù)據(jù)的分析，該處理裝置的運(yùn)行情況總結(jié)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(dá)到了90%以上，脫鹽率高于97%，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
(2)反滲透膜系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，反滲透進(jìn)水pH間歇性控制在10.5~11之間，反滲透裝置的段間壓差、產(chǎn)水水量、水質(zhì)指標(biāo)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(jié)構(gòu)問題在預(yù)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(shí)際運(yùn)行過程中，弱酸離子交換器的實(shí)效終點(diǎn)為10mg/L。
(4)二氧化硅的控制，高效澄清池去除了一部分進(jìn)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(jī)物和微生物的控制，雖然進(jìn)水含有一定量的COD，反滲透在高pH條件下運(yùn)行，有機(jī)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(jī)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(zhì)產(chǎn)水水質(zhì)達(dá)到且優(yōu)于《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50050-2017)規(guī)定的工業(yè)循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，用于廠區(qū)循環(huán)冷卻水的補(bǔ)水，循環(huán)冷卻水的電導(dǎo)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(jì)，水處理成本為13.36元/m3，其中化學(xué)藥劑8.01元/m3，耗材(樹脂、膜等更換)費(fèi)用1.09元/m3，人員工資及其他4.26元/m3。
4、結(jié)論
陽煤集團(tuán)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(zhì)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(shù)，廠區(qū)內(nèi)的循環(huán)冷卻水排污水等廢水經(jīng)過處理后回用，設(shè)備處理效果好，運(yùn)行穩(wěn)定，出水水質(zhì)達(dá)到且優(yōu)于《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50050-2017)規(guī)定的工業(yè)循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的的良態(tài)運(yùn)行，改善整個水處理系統(tǒng)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)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(shè)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(shù)有限公司）