石膏制酸廢水零排放處理工程設(shè)計(jì)實(shí)例

余波， 張楠

（陜西昕宇表面工程有限公司， 西安 710003）

1 工程概況

寧夏某錳業(yè)公司年產(chǎn)40 萬t 石膏制酸項(xiàng)目位于寧夏中寧縣中寧工業(yè)園寧新工業(yè)區(qū)， 為了緩解水資源匱乏的現(xiàn)狀［1］， 建設(shè)一套廢水處理系統(tǒng)， 以實(shí)現(xiàn)廢水回用與零排放。 廢水處理系統(tǒng)分為預(yù)處理段和深度處理段， 預(yù)處理段對(duì)生產(chǎn)排放的酸性廢水和生活污水進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放處理， 深度處理段對(duì)預(yù)處理后的酸性廢水、 生活污水及循環(huán)水排污水的混合水進(jìn)行處理。 由于進(jìn)入深度處理段的廢水鹽分高、 硬度高、 堿度高， 本工程結(jié)合水質(zhì)特點(diǎn)及目前零排放采用的多級(jí)膜濃縮工藝［2-3］， 使進(jìn)入蒸發(fā)裝置的水量盡量縮減， 以降低一次性投資規(guī)模， 減少運(yùn)行費(fèi)用。

2 設(shè)計(jì)水質(zhì)及水量

廢水處理系統(tǒng)水源為生產(chǎn)排放酸性廢水、 廠區(qū)生活污水及循環(huán)水站排污水， 水量分別為20、 10和120 m3／h， 其中生活污水經(jīng)過一體化設(shè)備處理，達(dá)到GB／T 18920—2002《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》中的城市綠化用水要求后， 一部分用于廠區(qū)道路澆灑和綠化， 另一部分與中和沉淀后的酸性廢水、 循環(huán)水排污水一起進(jìn)入綜合調(diào)節(jié)池， 經(jīng)過后續(xù)回用工段處理后回用。 回用工段設(shè)計(jì)規(guī)模為150 m3／h， 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

3 工藝流程及說明

廢水零排放的難點(diǎn)在于末端高鹽水和鹽泥的消化［4］， 核心是膜濃縮和蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)的選擇， 最終目的是減少進(jìn)入蒸發(fā)器水量， 降低總投資和能耗。目前， 零排放膜濃縮主要采用HERO、 NF 膜、 振動(dòng)膜和正滲透技術(shù)， 蒸發(fā)結(jié)晶采用自然蒸發(fā)、 機(jī)械壓縮蒸發(fā)（MVR）和多效蒸發(fā)［5－8］。 通過對(duì)目前運(yùn)行的幾個(gè)零排放案例進(jìn)行深入分析［9－11］， 結(jié)合石膏制酸廢水高鹽分、 高硬度和堿度的特點(diǎn)， 最終選定與目前國內(nèi)分鹽最穩(wěn)定、 廢水回收率較高的中煤圖克采用的高效反滲透-多效蒸發(fā)結(jié)晶相類似的工藝。本工程采用預(yù)處理-兩級(jí)反滲透-NF 分鹽-高壓反滲透-蒸發(fā)結(jié)晶為主體的工藝。 預(yù)處理-兩級(jí)反滲透主要對(duì)廢水進(jìn)行充分濃縮， 產(chǎn)生的高鹽水再通過NF 膜分離一價(jià)鹽（主要為Na＋和Cl－）和二價(jià)鹽（主要為SO42－）， 然后NF 產(chǎn)水再通過高效反滲透進(jìn)一步濃縮， 以減少進(jìn)入蒸發(fā)器的水量， 降低投資。 工藝流程如圖1 所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 1 Design influent and effluent water quality

圖1 廢水處理工藝流程Fig. 1 Wastewater treatment process flow

預(yù)處理采用高密沉淀-多介質(zhì)過濾工藝， 主要去除綜合廢水中總硬度和懸浮物， 滿足超濾進(jìn)水要求， 然后再進(jìn)行超濾-一級(jí)反滲透脫鹽。 一級(jí)反滲透設(shè)計(jì)回收率為75%， 產(chǎn)水進(jìn)入回用水池回用，濃水進(jìn)入濃水收集池， 再經(jīng)過樹脂軟化-脫碳酸處理后， 進(jìn)入二級(jí)反滲透， 二級(jí)反滲透設(shè)計(jì)回收率為70%。 經(jīng)過兩級(jí)濃縮后， 反滲透濃水TDS 質(zhì)量濃度在32 000 mg／L 左右， 水量約為11 m3／h， 此時(shí)，二級(jí)反滲透濃水再經(jīng)過多介質(zhì)過濾-NF 分鹽， NF系統(tǒng)設(shè)計(jì)回收率為86%， 納濾產(chǎn)水水量約為9.5 m3／h， TDS 質(zhì)量濃度約為11 000 mg／L， 濃水約為1.5 m3／h， TDS 質(zhì)量濃度約為150 000 mg／L。 NF 濃水直接送至蒸發(fā)結(jié)晶工段， NF 產(chǎn)水經(jīng)過高壓反滲透處理。 高壓反滲透設(shè)計(jì)回收率為75%， 產(chǎn)水進(jìn)入回用水池， 濃水送至蒸發(fā)結(jié)晶處理， 其濃水水量約為2.4 m3／h， TDS 質(zhì)量濃度約為46 000 mg／L。

4 主要構(gòu)筑物及設(shè)備參數(shù)

4.1 生活污水處理系統(tǒng)

（1） 格柵調(diào)節(jié)池。 1 座， 鋼砼結(jié)構(gòu)， 尺寸為5.0 m×4.0 m×6.0 m ， 有效容積為80 m3。 配套提升泵2 臺(tái)， Q ＝10 m3／h， H ＝10 m， P ＝0.75 kW，1 用1 備。

（2） 一體化設(shè)備。 碳鋼防腐， 尺寸為10.0 m×2.5 m×2.7 m， 內(nèi)置水解酸化填料及MBR 膜組件。 配套自吸泵2 臺(tái)， 1 用1 備； Q ＝10 m3／h， H ＝10 m， N ＝1.5 kW， 回流泵1 臺(tái)， Q ＝20 m3／h， H ＝10 m， N ＝1.5 kW； MBR 反洗泵1 臺(tái)， Q ＝17 m3／h， H ＝20 m，N ＝2.2 kW。

4.2 酸性廢水處理系統(tǒng)

（1） 調(diào)節(jié)池。 1 座， 鋼砼結(jié)構(gòu)， 玻璃鋼防腐，尺寸為10.0 m×5.0 m×4.0 m， 有效容積為160 m3。配套提升泵2 臺(tái)， 1 用1 備， Q ＝20 m3／h， H ＝10 m， N ＝3 kW。

（2） pH 調(diào)節(jié)池。 2 座， 鋼砼結(jié)構(gòu)， 玻璃鋼防腐， 一級(jí)pH 值控制在3～4 之間， 二級(jí)pH 值控制在7～8 之間， 單座尺寸為1.0 m × 1.0 m × 4.0 m。配套攪拌機(jī)2 臺(tái)， N=1.1 kW。

（3） 絮凝池。 1 座， 鋼砼結(jié)構(gòu)， 玻璃鋼防腐，尺寸為1.0 m×1.0 m×4.0 m， 配套攪拌機(jī)1 臺(tái)， N=0.55 kW。

（4） 斜管沉淀池。 1 座， 鋼砼結(jié)構(gòu)， 環(huán)氧瀝青漆防腐， 尺寸為3.0 m×3.0 m×4.0 m。 配套污泥螺桿泵2 臺(tái)， Q ＝10 m3／h， H ＝30 m， N ＝1.5 kW， 1用1 備。

4.3 回用水處理系統(tǒng)

（1） 綜合調(diào)節(jié)池。 1 座， 半地下式， 鋼砼結(jié)構(gòu)， 環(huán)氧瀝青漆防腐， 尺寸為15.0 m×9.0 m×5.0 m。 配套提升泵2 臺(tái)， Q ＝150 m3／h， H ＝15 m， N ＝22 kW， 1 用1 備。

（2） 高密沉淀池。 1 座， 2 個(gè)系列， 半地下式，鋼砼結(jié)構(gòu)， 環(huán)氧瀝青漆防腐， 全池尺寸為12.0 m×8.5 m×5.5 m， 其中反應(yīng)區(qū)有效停留時(shí)間為5min，絮凝區(qū)有效停留時(shí)間為15 min， 沉淀區(qū)有效停留時(shí)間為2 h。 配套污泥循環(huán)泵3 臺(tái)， 2 用1 備； Q ＝11m3／h， H ＝10， N ＝3 kW； 污泥排放泵3 臺(tái)， 2用1 備， Q ＝5 m3／h， H ＝35 m， N ＝1.5 kW。

（3） 多介質(zhì)過濾器。 2 臺(tái)， 碳鋼襯膠， 尺寸為φ3.4 m×3.5 m， 單臺(tái)處理水量為75 m3／h， 設(shè)計(jì)濾速不超過8.5 m。 下層采用石英砂濾料， 有效粒徑為1.5 mm， 400 mm 厚； 上層采用無煙煤， 有效粒徑為2.5 mm， 400 mm 厚。

（4） 超濾裝置。 2 套， 設(shè)計(jì)回收率為90%， 采用陶氏PVDF 超濾膜， 膜型號(hào)為SP2880， 單支膜面積為75 m2， 設(shè)計(jì)通量不超過50 L／（m2·h）， 23支／套， 總計(jì)46 支超濾膜。

（5） 一級(jí)反滲透裝置。 2 套， 設(shè)計(jì)回收率為75%， 采用反滲透膜元件為陶氏BW30－365， 單支膜面積為34 m2， 每套84 支， 總計(jì)168 支膜； 單套采用12 支7 芯壓力容器， 壓力等級(jí)為5.52 MPa， 8 ∶4 排列， 合計(jì)24 支。 配套反滲透高壓泵2 臺(tái)， Q ＝75 m3／h， H ＝175 m， N ＝55 kW， 變頻控制。

（6） 弱酸陽床。 2 臺(tái)， 1 用1 備， 材質(zhì)碳鋼襯膠， 尺寸為φ2.0 m×3.8 m。 采用漂萊特C104PLUS型號(hào)樹脂， 單床樹脂體積為3.6 m3， 合計(jì)7.2 m3。

（7） 軟化水池。 1 座， 半地下式， 鋼砼結(jié)構(gòu)，玻璃鋼防腐， 尺寸為3.0 m×3.0 m×5.0 m， 有效停留時(shí)間為1.0 h， 配套提升泵2 臺(tái)， 1 用1 備； Q ＝37.5 m3／h， H ＝30 m， N ＝11 kW， 配套脫氣塔1座， 規(guī)格為φ1.0 m×6.0 m， 材質(zhì)為FRP。

（8） 二級(jí)反滲透裝置。 1 套， 設(shè)計(jì)回收率為70%， 采用反滲透膜元件為陶氏CR－100， 單支膜面積為37 m2， 總計(jì)48 支膜； 單套采用8 支6 芯壓力容器， 壓力等級(jí)為3.10 MPa， 5 ∶3 排列。 配套反滲透高壓泵1 臺(tái)， Q ＝37.5 m3／h， H ＝200 m， N ＝37 kW， 變頻控制； 段間增壓泵1 臺(tái)， Q ＝24 m3／h， H ＝50 m， N ＝7.5 kW， 變頻控制。

（9） 濃水多介質(zhì)過濾器。 1 臺(tái)， 碳鋼襯膠， 尺寸為1.0 m×3.5 m， 單臺(tái)處理水量為11 m3／h， 設(shè)計(jì)濾速不超過7.5 m／h。 下層采用石英砂濾料， 有效粒徑為1.5 mm， 400 mm 厚； 上層采用無煙煤，有效粒徑為2.5 mm， 400 mm 厚。

（10） NF 裝置。 1 套， 設(shè)計(jì)回收率為86%， 采用GE 公司NF 膜， 膜元件型號(hào)為8040F35， 單支膜面積為31.9 m2， 總計(jì)25 支膜； 單套采用5 支5芯壓力容器， 5 ∶3 排列， 其中一段采用5 支壓力等級(jí)5.52 MPa 的壓力容器， 二段采用3 支壓力等級(jí)為6.90 MPa 的壓力容器。 配套NF 高壓泵1 臺(tái)， Q ＝24 m3／h， H ＝440 m， N ＝55 kW， 變頻控制； 段間增壓泵1 臺(tái)， Q ＝15.6 m3／h， H ＝180 m， N ＝15 kW，變頻控制。

（11） 高壓反滲透裝置。 1 套， 設(shè)計(jì)回收率為75%， 采用陶氏反滲透膜， 膜元件型號(hào)為XC－70，單支膜面積為34.4 m2， 總計(jì)18 支膜； 單套采用3支6 芯5.52 MP 的壓力容器， 2 ∶1 排列。 配套高壓泵1 臺(tái)， Q ＝13.3 m3／h， H ＝370 m， N ＝18.5 kW，變頻控制； 段間增壓泵1 臺(tái)， Q ＝8.2 m3／h， H ＝100 m， N ＝4 kW， 變頻控制。

（12） 膜處理間。 1 座， 平面尺寸為74.0 m ×44.0 m， 凈高8 m， 局部二層。 膜裝置、 加藥裝置、電氣室、 機(jī)柜間都在膜廠房內(nèi)。

（13） 蒸發(fā)結(jié)晶廠房。 1 座， 平面尺寸為19.0 m×14.0 m， 三層， 高度為13.0 m， 氯化鈉、 硫酸鈉三效蒸發(fā)裝置及其配套電器設(shè)備布置在廠房內(nèi)。

（14） 污泥濃縮池及污泥脫水間。 1 座， 污泥濃縮池尺寸為φ10.0 m×5.0 m， 污泥脫水間為二層框架結(jié)構(gòu)， 平面尺寸為24.5 m×19.0 m， 高度為15 m， 配套250 m2高壓板框脫水機(jī)3 臺(tái)。

5 工程運(yùn)行效果

工程實(shí)施后， 整體回收率高達(dá)97.25%， 每天可節(jié)水3 500 t。 回用水TDS 質(zhì)量濃度為230 mg／L左右， 達(dá)到循環(huán)水補(bǔ)水要求； 每天產(chǎn)生氯化鈉結(jié)晶鹽2.9 t， 硫酸鈉結(jié)晶鹽5.5 t。

6 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)分析

工程總投資為4 919 萬元， 其中土建費(fèi)用1 620萬， 設(shè)備及材料費(fèi)用2 960 萬元， 安裝費(fèi)用209 萬元， 其他費(fèi)用130 萬元。

運(yùn)行成本考慮電耗、 藥劑費(fèi)、 蒸汽費(fèi)， 處理水量以150 m3／h 計(jì)， 年運(yùn)行86 400 h， 折合噸水費(fèi)用為38.26 元。

7 結(jié)語

針對(duì)石膏制酸廢水高鹽分、 高硬度和高堿度的特點(diǎn)， 采用兩級(jí)反滲透膜濃縮-NF 分鹽-高壓反滲透-三效蒸發(fā)的組合工藝進(jìn)行處理， 使進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的水量盡可能減少， 降低一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用， 處理后回用水TDS 質(zhì)量濃度小于250 mg／L，蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)生的鹽純度達(dá)到工業(yè)鹽標(biāo)準(zhǔn)， 具有一定經(jīng)濟(jì)效益。

該工藝解決了廢水回用及零排放難題， 工藝運(yùn)行穩(wěn)定、 可靠， 具有一定抗沖擊性。 但也存在工藝流程過長， 投資、 運(yùn)行成本較高， 運(yùn)行中膜的有機(jī)污染， 廢水的結(jié)晶結(jié)垢對(duì)蒸發(fā)器腐蝕等缺點(diǎn)。 因此， 在不斷優(yōu)化已有工程參數(shù)的同時(shí)， 針對(duì)零排放存在問題， 建議采用組合技術(shù)， 降低廢水含鹽量，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、 高效運(yùn)行。