SWRO+MVR 工藝處理凈水廠濃鹽水零排放工程設(shè)計

徐 超，丁 寧，栗文明

（1. 江蘇省環(huán)科院環(huán)境科技有限責任公司，江蘇南京210036；2. 中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇南京210019）

內(nèi)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14 000 m3/d， 取水水源為某電廠地下水源井。 由于原水中總?cè)芙庑怨腆w（TDS）、硬度和硫酸根離子含量高于《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 57489—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(shè)計水量及進出水水質(zhì)

目前該凈水廠反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水率為70%，濃水量約5 000 m3/d，原水濃縮倍數(shù)為3.33。 凈水廠原水進水水質(zhì)和“零排放”系統(tǒng)設(shè)計進水水質(zhì)見表1。

表1 凈水廠進水及設(shè)計進水水質(zhì)

“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(zhì)》（GB/T 19923—2005）和《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920—2002）標準，主要出水指標見表2。

表2 工程設(shè)計出水水質(zhì)

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(jié)晶〔1〕。 蒸發(fā)結(jié)晶常用工藝包括多效蒸發(fā)結(jié)晶和蒸汽機械再壓縮蒸發(fā)結(jié)晶等〔2〕，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(jié)晶設(shè)備的規(guī)模，本項目在前端增設(shè)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≤5 000 mg/L，參照以往相關(guān)項目經(jīng)驗，可利用膜系統(tǒng)將原水濃縮10倍至TDS≤50 000 mg/L，后進蒸發(fā)結(jié)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(zhì)等可供選擇。本系統(tǒng)進水TDS≤5 000 mg/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≤16 700 mg/L，再利用SWRO 系統(tǒng)將該部分濃鹽水濃縮3 倍至TDS≤50 000 mg/L 后，進入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)進行最終的結(jié)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(jié)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〔3〕，本系統(tǒng)進水硬度高達3 000 mg/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100 mg/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(zhì)過濾器進一步降低水中濁度，使其＜1 NTU，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(zhì)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(shè)超濾裝置，去除膠體污染物〔4〕。 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(zhì)、 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(zhì)， 因此采用普通外壓式PVDF 優(yōu)質(zhì)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5 000 mg/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(shè)計值為16 000 mg/L，進入后續(xù)膜濃縮裝置進一步濃縮。

2.3 SWRO 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)楹軓姷呢撾姡蟛糠痔烊活w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〔5〕。 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48 000 mg/L。

2.4 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)

蒸發(fā)結(jié)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(jié)晶是實現(xiàn)濃水“零排放”的最終途徑。 目前，常用的結(jié)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(jié)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〔6〕，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(shè)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。

圖1 “零排放”系統(tǒng)水量平衡圖

凈水廠反滲透濃水首先進入調(diào)節(jié)池，經(jīng)過水質(zhì)水量調(diào)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(zhì)過濾器，去除水中的濁度，使之達到＜1 NTU。 多介質(zhì)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(zhì)。 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(shè)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(jié)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(jié)晶裝置進行進一步處理。

3 主要裝置及設(shè)計參數(shù)

（1）調(diào)節(jié)池。1 座，調(diào)節(jié)來水的水質(zhì)水量。有效容積為150 m3，HRT 為0.7 h。 設(shè)置提升泵2 臺，1 用1備，單臺流量為230 m3/h，揚程為20 m。

（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120 m3/h，直徑為7.5 m，有效水深為4.85 m。澄清池總停留時間為1.5 h，清水分離室清水上升流速為1 mm/s。每座池子設(shè)置JJ-120 型澄清池攪拌機1 臺，葉輪直徑為1.5 m，葉輪高度為800 mm，功率為1.5 kW。

（3）鈉床成套裝置。3 臺，2 用1 備。 單臺處理水量為115 m3/h，直徑為2.5 m，表面流速為22 m/h。 樹脂類型為弱酸型，型號Purolite C 104，單臺反應器樹脂填充體積為5.39 m3，再生藥劑為HCl 和NaOH。

（4）外壓式UF 裝置。 2 臺，單臺產(chǎn)水量為105 m3/h。 選用進口PVDF 材質(zhì)外壓式膜，膜通量＜50 L/（m2·h），產(chǎn)水率＞90%。 設(shè)置反沖洗水泵2 臺，1 用1 備，單臺流量為180 m3/h，揚程為20 m。

（5）UF 產(chǎn)水池。 1 座，有效容積為150 m3，HRT為0.7 h。 設(shè)置RO 提升泵2 臺，1 用1 備，單臺流量為210 m3/h，揚程為30 m。

（6）反滲透裝置。 1 套，選用進口卷式平板膜，產(chǎn)水率為70%。 設(shè)置保安過濾器2 臺，單臺流量為105 m3/h；高壓泵2 臺，單臺流量為105 m3/h，揚程為180 m。 RO 沖洗泵2 臺，1 用1 備，單臺流量為100 m3/h，揚程為30 m。

（7）產(chǎn)品水池。1 座，有效容積為420 m3，HRT 為2 h。 設(shè)置回用水提升泵3 臺，2 用1 備，單臺流量為105 m3/h，揚程為30 m。

（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150 m3，HRT 為1 h。設(shè)置SWRO提升泵2 臺，1 用1 備，單臺流量為60 m3/h，揚程為30 m。

（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(shè)置保安過濾器1 臺，單臺流量為55 m3/h；高壓泵1 臺，單臺流量為55 m3/h，揚程為350 m；段間增壓泵1 臺，單臺流量為25 m3/h，揚程為200 m；SWRO 沖洗泵2 臺，1 用1 備，單臺流量為50 m3/h，揚程為30 m。

（10）MVR 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。 1 套，對膜濃縮單元產(chǎn)生的濃水進行蒸發(fā)結(jié)晶處理。 系統(tǒng)處理量為20 m3/h，進料含鹽質(zhì)量濃度為46 000 mg/L。其中降膜加熱器2 臺，規(guī)格為700 m2，材質(zhì)管程為TA2，殼程為304 不銹鋼；降膜蒸發(fā)室2 臺，規(guī)格為20 m3，材質(zhì)為2205 雙相不銹鋼；升膜加熱器2 臺，規(guī)格為144 m2，材質(zhì)管程為TA2，殼程為304 不銹鋼；蒸發(fā)結(jié)晶室1 臺，規(guī)格為12 m3，材質(zhì)為2205 雙相不銹鋼。 蒸發(fā)結(jié)晶最終產(chǎn)生的固體雜鹽量為25 t/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3 420 萬元，其中土建費用1 000 萬元（不含地基處理），設(shè)備購置及安裝費用2 420 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4 600 m3/d，進水TDS 為4 250 mg/L。 本工程預處理系統(tǒng)和苦咸水RO 系統(tǒng)已調(diào)試運行投產(chǎn)使用，SWRO 膜濃縮系統(tǒng)和MVR 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)暫未完成調(diào)試運行。 現(xiàn)系統(tǒng)回用水產(chǎn)水量為3 350 m3/d， 系統(tǒng)脫鹽率大于98%，回用水水質(zhì)達到《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》（GB/T 19923—2005）和《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920—2002）標準。苦咸水反滲透工段回收率為72%，反滲透濃水量為1 675 m3/d，TDS 為15 180 mg/L。

6 結(jié)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(zhì)》（GB/T 19923—2005）和《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920—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(jié)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。