SWRO+MVR工藝處理凈水廠濃鹽水零排放工程設計
內蒙古某市能源礦產(chǎn)資源富集，形成了以煤炭、電力、化工、建材、冶金等能源重化工產(chǎn)業(yè)為主的支柱產(chǎn)業(yè)體系。其經(jīng)濟開發(fā)區(qū)配套的生活凈水廠總產(chǎn)水規(guī)模為14000m3/d，取水水源為某電廠地下水源井。
由于原水中總溶解性固體（TDS）、硬度和硫酸根離子含量高于《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB57489—2006）中的要求，因此該凈水廠除常規(guī)混凝、沉淀、過濾工藝外，采用了雙膜法（UF+RO）對原水進行脫鹽處理，凈水廠反滲透產(chǎn)生的濃水及含泥水作為廢水排入市政污水系統(tǒng)。由于當?shù)厮Y源匱乏、環(huán)境容量較小、生態(tài)相對脆弱，特別是近年來，隨著一批大型煤化工項目的開工投產(chǎn)，用水量逐年增加，對環(huán)境和生態(tài)的壓力也逐漸顯現(xiàn)。因此在當前嚴峻的形勢下，提高廢水的回用率，發(fā)展污水“零排放”十分必要。
1設計水量及進出水水質
目前該凈水廠反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水率為70%，濃水量約5000m3/d，原水濃縮倍數(shù)為3.33。凈水廠原水進水水質和“零排放”系統(tǒng)設計進水水質見表1。
“零排放”系統(tǒng)出水主要回用于經(jīng)濟開發(fā)區(qū)雜用水和工業(yè)用水，執(zhí)行《城市污水再生利用工業(yè)用水水質》（GB/T19923—2005）和《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GB/T18920—2002）標準，主要出水指標見表2。
2工藝選擇
目前常用的“零排放”工藝為膜濃縮后進行蒸發(fā)結晶。蒸發(fā)結晶常用工藝包括多效蒸發(fā)結晶和蒸汽機械再壓縮蒸發(fā)結晶等，此類工藝造價投資遠高于一般膜濃縮工藝，且運行費用高昂，噸水處理費用高達數(shù)十元。
為了降低蒸發(fā)結晶設備的規(guī)模，本項目在前端增設濃鹽水濃縮工藝，利用膜裝置對系統(tǒng)進水進一步濃縮。
凈水廠“零排放”系統(tǒng)進水TDS≤5000mg/L，參照以往相關項目經(jīng)驗，可利用膜系統(tǒng)將原水濃縮10倍至TDS≤50000mg/L，后進蒸發(fā)結晶系統(tǒng)。
目前常見的用于濃縮的膜系統(tǒng)包括普通的苦咸水RO、海水淡化反滲透膜（SWRO）和碟管式高壓膜（DTRO）等，分別針對不同的TDS、原水污染物質等可供選擇。本系統(tǒng)進水TDS≤5000mg/L，可利用普通的苦咸水RO系統(tǒng)首先進行濃水濃縮3.3倍后達到TDS≤16700mg/L，再利用SWRO系統(tǒng)將該部分濃鹽水濃縮3倍至TDS≤50000mg/L后，進入蒸發(fā)結晶系統(tǒng)進行最終的結晶處理。
因此本項目選用的工藝為“預處理+苦咸水RO+SWRO濃縮+蒸發(fā)結晶”。
2.1“零排放”系統(tǒng)預處理
由于原水為凈水廠的反滲透濃水，主要污染物包含濁度及硬度，為降低后續(xù)膜處理系統(tǒng)的污染，預處理應針對主要污染物進行選擇。目前常見的硬度去除方法包括化學除硬、離子交換法等，本系統(tǒng)進水硬度高達3000mg/L，不適宜直接采用離子交換法進行除硬，故采用石灰、純堿軟化法降低來水的硬度至100mg/L。原水經(jīng)澄清池加藥去除大部分硬度和濁度后，進入多介質過濾器進一步降低水中濁度，使其<1NTU，滿足后續(xù)工藝處理要求。
由于本系統(tǒng)濃縮倍數(shù)較高，為了避免有機物和SiO2對后續(xù)RO膜和SWRO膜造成污堵，擬在預處理階段徹底去除水中硬度，以實現(xiàn)后段膜處理可以在堿性條件下運行，因此工藝水在經(jīng)過多介質過濾器裝置過濾后進入鈉床處理以徹底除硬。
2.2“零排放”系統(tǒng)苦咸水反滲透
苦咸水反滲透系統(tǒng)作為目前一種常用的脫鹽工藝，一般會在其裝置前增設超濾裝置，去除膠體污染物。超濾膜作為反滲透系統(tǒng)的重要預處理裝置，其優(yōu)異的出水水質、極低的SDI可明顯降低反滲透膜污染，延長反滲透膜使用壽命。
由于自來水濃水為潔凈廢水，無特殊絮狀物等污堵物質，因此采用普通外壓式PVDF優(yōu)質超濾膜工藝，保證超濾出水SDI<3后，再進入反滲透裝置進行除鹽。
本項目原水中TDS為5000mg/L，考慮到膜的壓力耐受能力，RO系統(tǒng)回收率采用70%，RO濃水TDS設計值為16000mg/L，進入后續(xù)膜濃縮裝置進一步濃縮。
2.3SWRO膜濃縮
本項目在預處理階段已基本去除硬度，因此可在SWRO階段采用高pH運行模式。
由于膜的Zeta電位變?yōu)楹軓姷呢撾，而大部分天然顆粒帶負電，負電相斥，所以顆粒很難附著在膜的表面。在高pH條件下濃水通道的水力條件已變化，膜表面的層流邊界層變薄，顆粒置于膜表面的湍流層而被沖走。
此外，在高pH條件下，大多數(shù)生物“溶解”或遭破壞，可有效避免有機污染；同時有機硅溶解度提高，可最大程度降低有機硅的污染性。
因此，通過前期預處理完全除硬后，可實現(xiàn)膜濃縮階段在高pH條件下運行，避免了有機污染。本項目膜濃縮段采用SWRO對苦咸水階段的濃水進一步濃縮，濃縮倍數(shù)為3，SWRO濃水TDS為48000mg/L。
2.4蒸發(fā)結晶系統(tǒng)
蒸發(fā)結晶的高含鹽廢水主要來自膜濃縮單元產(chǎn)生的濃鹽水，這部分廢水含鹽量高，不能利用。因此蒸發(fā)結晶是實現(xiàn)濃水“零排放”的最終途徑。
目前，常用的結晶工藝有多效蒸發(fā)（MEE）和機械蒸汽再壓縮（MVR，也稱高效蒸發(fā)結晶），兩類工藝各有利弊。
MEE的特點是幾個蒸發(fā)器連接起來，前一級蒸發(fā)器所產(chǎn)生的二次蒸汽作為后一級蒸發(fā)器的加熱熱源，包括并流、平流、逆流和錯流幾種類型。多效蒸發(fā)分離效果好，操作可靠，主要動力源為蒸汽；
MVR采用離心式蒸汽壓縮機對二次蒸汽進行壓縮，使二次蒸汽溫度提高10~18℃以上，用作系統(tǒng)蒸發(fā)熱源。在裝置啟動過程中需供給生蒸汽，正常運行后不再需要生蒸汽供給，以電能為主要動力。與MEE相比，設備價格較高，占地面積少，能耗低，運行成本少。
根據(jù)所處理物料規(guī)模、操作方式及經(jīng)濟性等綜合考慮，本項目處理工藝選擇MVR工藝，將母液最終干化為混鹽后外運處置。
2.5工藝流程
綜上，“零排放”系統(tǒng)水量平衡圖見圖1。
凈水廠反滲透濃水首先進入調節(jié)池，經(jīng)過水質水量調節(jié)后自流進入機械澄清池，向澄清池中投加純堿及石灰，對水中的硬度進行軟化去除。
澄清池的上清液自流進入中間水池，經(jīng)提升進入多介質過濾器，去除水中的濁度，使之達到<1NTU。多介質過濾器出水進入鈉床，利用離子交換原理徹底清除水中硬度。
鈉床出水流入超濾原水池，經(jīng)提升泵提升，首先經(jīng)過自清洗過濾器，對水中可能殘留的顆粒、懸浮物進行截留，起到保安作用。經(jīng)自清洗過濾器后進入超濾裝置，去除廢水中的生物污染物、顆粒物、膠體、濁度、細菌等，滿足反滲透系統(tǒng)的進水水質。超濾裝置的產(chǎn)水率為90%，定時清水反洗和加藥反洗，每隔3~6月對膜進行1次化學清洗，清除膜表面污堵。
超濾裝置的產(chǎn)水進入超濾產(chǎn)水池，經(jīng)超濾水提升泵提升，提升泵出口設置管道混合器，向其投加還原劑和阻垢劑，避免其傷害反滲透膜；加藥后的水經(jīng)過保安過濾器和高壓泵后進入反滲透膜堆，反滲透膜堆產(chǎn)水進入產(chǎn)品水池，濃水進入RO濃水池。反滲透水回收率為70%，脫鹽率大于95%。
RO濃水池的水經(jīng)濃水提升泵提升后投加阻垢劑，避免水中濃縮后的鹽在膜表面結垢，再經(jīng)過濃水保安過濾器和高壓泵后進入濃水反滲透膜堆，產(chǎn)水進入產(chǎn)品水池。濃水反滲透水回收率為40%，脫鹽率大于95%。
產(chǎn)品水池的水經(jīng)回用水泵提升送至界區(qū)外，最終送至各用水點。濃水反滲透產(chǎn)生的濃水則經(jīng)泵提升至濃鹽水蒸發(fā)及結晶裝置進行進一步處理。
3主要裝置及設計參數(shù)
（1）調節(jié)池。1座，調節(jié)來水的水質水量。有效容積為150m3，HRT為0.7h。設置提升泵2臺，1用1備，單臺流量為230m3/h，揚程為20m。
（2）機械澄清池。2座，通過向澄清池中投加燒堿及石灰，對水中的硬度進行軟化去除。單座池體處理水量為120m3/h，直徑為7.5m，有效水深為4.85m。澄清池總停留時間為1.5h，清水分離室清水上升流速為1mm/s。每座池子設置JJ-120型澄清池攪拌機1臺，葉輪直徑為1.5m，葉輪高度為800mm，功率為1.5kW。
（3）鈉床成套裝置。3臺，2用1備。單臺處理水量為115m3/h，直徑為2.5m，表面流速為22m/h。樹脂類型為弱酸型，型號PuroliteC104，單臺反應器樹脂填充體積為5.39m3，再生藥劑為HCl和NaOH。
（4）外壓式UF裝置。2臺，單臺產(chǎn)水量為105m3/h。選用進口PVDF材質外壓式膜，膜通量<50L/（m2·h），產(chǎn)水率>90%。設置反沖洗水泵2臺，1用1備，單臺流量為180m3/h，揚程為20m。
（5）UF產(chǎn)水池。1座，有效容積為150m3，HRT為0.7h。設置RO提升泵2臺，1用1備，單臺流量為210m3/h，揚程為30m。
（6）反滲透裝置。1套，選用進口卷式平板膜，產(chǎn)水率為70%。設置保安過濾器2臺，單臺流量為105m3/h；高壓泵2臺，單臺流量為105m3/h，揚程為180m。RO沖洗泵2臺，1用1備，單臺流量為100m3/h，揚程為30m。
（7）產(chǎn)品水池。1座，有效容積為420m3，HRT為2h。設置回用水提升泵3臺，2用1備，單臺流量為105m3/h，揚程為30m。
（8）濃水池。1座，將反滲透裝置排出的濃水進行收集。有效容積為150m3，HRT為1h。設置SWRO提升泵2臺，1用1備，單臺流量為60m3/h，揚程為30m。
（9）SWRO膜濃縮系統(tǒng)。1套，選用卷式平板膜，產(chǎn)水率為70%，型號SW30XLE-400。設置保安過濾器1臺，單臺流量為55m3/h；高壓泵1臺，單臺流量為55m3/h，揚程為350m；段間增壓泵1臺，單臺流量為25m3/h，揚程為200m；SWRO沖洗泵2臺，1用1備，單臺流量為50m3/h，揚程為30m。
（10）MVR蒸發(fā)結晶系統(tǒng)。1套，對膜濃縮單元產(chǎn)生的濃水進行蒸發(fā)結晶處理。系統(tǒng)處理量為20m3/h，進料含鹽質量濃度為46000mg/L。其中降膜加熱器2臺，規(guī)格為700m2，材質管程為TA2，殼程為304不銹鋼；降膜蒸發(fā)室2臺，規(guī)格為20m3，材質為2205雙相不銹鋼；升膜加熱器2臺，規(guī)格為144m2，材質管程為TA2，殼程為304不銹鋼；蒸發(fā)結晶室1臺，規(guī)格為12m3，材質為2205雙相不銹鋼。蒸發(fā)結晶最終產(chǎn)生的固體雜鹽量為25t/d，作為危廢委外處置。
4工程投資及運行費用
本項目直接工程費用為3420萬元，其中土建費用1000萬元（不含地基處理），設備購置及安裝費用2420萬元。主要運行費用包括藥劑費（2.18萬元/d）、膜更換維修費（0.68萬元/d）、電費（2.81萬元/d）、固體雜鹽委外費（11.50萬元/d）處置等直接費用約17.18萬元/d，折合噸水成本為34.36元。
5運行效果
目前濃鹽水零排放系統(tǒng)進水水量為4600m3/d，進水TDS為4250mg/L。本工程預處理系統(tǒng)和苦咸水RO系統(tǒng)已調試運行投產(chǎn)使用，SWRO膜濃縮系統(tǒng)和MVR蒸發(fā)結晶系統(tǒng)暫未完成調試運行。
現(xiàn)系統(tǒng)回用水產(chǎn)水量為3350m3/d，系統(tǒng)脫鹽率大于98%，回用水水質達到《城市污水再生利用工業(yè)用水水質》（GB/T19923—2005）和《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GB/T18920—2002）標準？嘞趟礉B透工段回收率為72%，反滲透濃水量為1675m3/d，TDS為15180mg/L。
6結語
（1）采用SWRO+MVR組合工藝處理生活凈水廠反滲透濃水，處理出水能達到《城市污水再生利用工業(yè)用水水質》（GB/T19923—2005）和《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GB/T18920—2002）標準。且整個系統(tǒng)沒有廢水外排，廢棄物以混鹽晶體的形式外運處置，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
（2）采用反滲透在高pH條件下運行的模式，可有效避免有機物和硅污染。為了避免高pH條件下的結垢影響，預處理階段采用機械混凝沉淀+鈉床工藝以徹底去除硬度。
（3）針對高鹽廢水的膜濃縮方式，在高pH運行條件下，采用SWRO系統(tǒng)可有效避免膜污染，提高濃縮倍數(shù)，降低工程投資。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
