晶體硅生產(chǎn)廢水零排放工程實(shí)例

向磊，徐毅雄

（江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)股份有限公司，南京 210019）

在水資源日益匱乏的今天，我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與水資源環(huán)境出現(xiàn)了極不協(xié)調(diào)的狀況，為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)家提出了“節(jié)水優(yōu)先”的治水方針，對(duì)外排廢水進(jìn)行回收利用，以及推廣零排放處理技術(shù)等［1］。本文介紹了某晶體硅公司高鹽廢水的零排放處理工藝流程，并給出了工藝設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)、調(diào)試運(yùn)行數(shù)據(jù)及處理效果，以期為同類(lèi)含鹽廢水的處理提供參考。

1 設(shè)計(jì)水質(zhì)

新疆某晶體硅公司各車(chē)間在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放一定量的含鹽廢水，水量為25 m3／h。該含鹽廢水中鹽分種類(lèi)較多，成分復(fù)雜。零排放處理產(chǎn)生的淡水回收利用，水質(zhì)滿足DL 5068—2014《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》的反滲透進(jìn)水水質(zhì)要求，作為廠區(qū)循環(huán)水反滲透裝置的進(jìn)水補(bǔ)充水源［2］；生成的NaCl晶體可以回收，其純度要求達(dá)到95%以上，滿足該企業(yè)內(nèi)部工業(yè)副產(chǎn)品NaCl回收要求。高鹽廢水和淡水水質(zhì)如表1所示，其中高鹽廢水pH值為8，淡水pH值為6～8。

表1 高鹽廢水和淡水水質(zhì)Tab.1 Characteristics of high-salt wastewater and fresh water mg·L-1

2 工藝流程

高鹽廢水的處理工藝一般遵循“預(yù)處理－濃縮－結(jié)晶”的原則，本項(xiàng)目結(jié)合來(lái)水中主要含Na＋、Cl－，同時(shí)含有大量的Ca2＋及一定量的SiO2等水質(zhì)特點(diǎn)，采用混凝沉淀－超濾－弱酸陽(yáng)床－膜濃縮－三效蒸發(fā)結(jié)晶－單效蒸發(fā)結(jié)晶的工藝，對(duì)水中的硅及堿度進(jìn)行去除，再進(jìn)行減量濃縮，其中淡水回收［3］，濃水進(jìn)行二次結(jié)晶蒸發(fā)，NaCl回收，雜鹽外運(yùn)處置。工藝流程如圖1所示。

圖1 高鹽廢水處理工藝流程Fig.1 Process flow of high-salt wastewater treatment

從廠區(qū)排放的高鹽廢水進(jìn)入廢水調(diào)節(jié)池進(jìn)行充分的曝氣攪拌后，泵提進(jìn)入混凝沉淀池去除水中的SiO2和懸浮物，出水再提升進(jìn)入多介質(zhì)過(guò)濾器和超濾裝置進(jìn)一步去除膠體和濁度，濾后水進(jìn)入弱酸陽(yáng)床，水中的堿度全部轉(zhuǎn)換為CO2，CO2經(jīng)除碳器去除，此時(shí)水中的懸浮物及碳酸根、硅酸根等陰離子側(cè)結(jié)垢因子基本去除，具備進(jìn)入高壓反滲透裝置條件。水經(jīng)過(guò)高壓泵加壓后進(jìn)入高壓反滲透裝置進(jìn)行濃縮，淡水回收，濃水進(jìn)入三效蒸發(fā)裝置進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，析出NaCl晶體，剩余的濃稠液進(jìn)入單效蒸發(fā)裝置和轉(zhuǎn)鼓切片機(jī)最終得到雜鹽。

3 主要單元設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)備

（1）混凝沉淀池。鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)防腐，1套，進(jìn)水流量為25 m3／h。裝置分氧化鎂混合區(qū)、混凝劑混合區(qū)、絮凝反應(yīng)區(qū)、泥水分離區(qū)。氧化鎂混合區(qū)尺寸為1.6 m×1.6 m×3.0 m，設(shè)1臺(tái)機(jī)械攪拌器，功率為2.2 k W?；炷齽┗旌蠀^(qū)尺寸為1.6 m×1.6 m×2.0 m，設(shè)1臺(tái)機(jī)械攪拌器，功率為1.5 k W。絮凝反應(yīng)區(qū)尺寸為3.5 m×3.5 m×4.0 m，設(shè)1只φ0.9 m導(dǎo)流筒和1臺(tái)機(jī)械攪拌器，功率為1.1 k W。泥水分離區(qū)尺寸為9.5 m×9.5 m×5.3 m，池體上部設(shè)有斜板，斜板長(zhǎng)度為1 m，傾角為60°，鋪設(shè)面積為7.5 m×7.5 m；下部設(shè)有1臺(tái)刮泥機(jī)，刮泥機(jī)直徑為5.5 m，功率為0.55 k W。

（2）污泥濃縮及干化裝置。污泥濃縮池為鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)防腐，1座，泥水混合物流量為20 m3／h，池體直徑為18 m，高7.2 m，設(shè)有1臺(tái)刮泥機(jī)，刮泥機(jī)直徑為7.5 m，功率為1.1 k W。板框壓濾機(jī)共2臺(tái)，1用1備，單臺(tái)過(guò)濾面積為100 m2，產(chǎn)泥含水率約為60%。污泥干化裝置1臺(tái)，污泥處理量為8 t／d，最終干污泥含水率小于25%。

（3）多介質(zhì)過(guò)濾器。碳鋼襯膠，2臺(tái)，1用1備，進(jìn)水流量為25 m3／h，過(guò)濾器直徑為1 600 mm，內(nèi)部填裝無(wú)煙煤和石英砂，填裝高度分別為400、800mm。

（4）超濾。2套，1用1備，進(jìn)水流量為25 m3／h，產(chǎn)水流量為22.5 m3／h，回收率為90%，采用死端過(guò)濾方式。超濾膜采用外壓式膜，型號(hào)為SFP－2860，膜材料為PVDF［4］，最大工作壓力為0.35 MPa，水通量為40L／（m2·h），每套超濾設(shè)11支膜。

（5）弱酸陽(yáng)床。碳鋼襯膠，2套，1用1備，進(jìn)水流量為25 m3／h，罐體直徑為1 600 mm，選用D113弱酸陽(yáng)樹(shù)脂［5］。工作交換容量大于1 600 mmol／L，填裝高度為1.6 m。

（6）除碳器。1臺(tái)，直徑為1 000 mm，內(nèi)置φ50 mm多面空心球，填裝高度為3.0 m，淋水密度為57 m3／（m2·h），配套鼓風(fēng)機(jī)型號(hào)為CQ19－J，空氣耗量為1 128～1 692 m3／h。使CO2質(zhì)量濃度降至10 mg／L以?xún)?nèi)［6］。

（7）高壓反滲透。2套，1用1備，進(jìn)水流量為23m3／h，濃水流量為13.8 m3／h，淡水流量為9.2 m3／h，回收率為40%［7］，采用耐超高壓特種膜，型號(hào)為XUS180808，最高運(yùn)行壓力為12 MPa，每只膜有效面積為26.4 m2，水流道厚度為0.85 mm，設(shè)計(jì)膜通量為8 L／（m2·h），膜壓力容器排列方式為一級(jí)三段，組合方式為3∶2∶2，共計(jì)42支膜元件。

（8）蒸發(fā)結(jié)晶裝置。進(jìn)水量為15 t／h，包括三效強(qiáng)制循環(huán)逆流蒸發(fā)裝置和單效蒸發(fā)結(jié)晶裝置。三效蒸發(fā)裝置主要設(shè)備有1臺(tái)散熱器，1臺(tái)預(yù)熱器，1臺(tái)脫氣塔，3臺(tái)加熱室，3臺(tái)分離室，3臺(tái)軸流泵，1臺(tái)間接冷凝器，1臺(tái)離心機(jī)，1臺(tái)真空泵等。單效蒸發(fā)裝置主要設(shè)備有1臺(tái)加熱室，1臺(tái)分離室，1臺(tái)軸流泵，1臺(tái)間接冷凝器，1臺(tái)真空泵，1臺(tái)轉(zhuǎn)鼓切片機(jī)等。

4 系統(tǒng)運(yùn)行情況

4.1 混凝沉淀

在調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)試驗(yàn)及試運(yùn)行確定藥劑投加量，其中氧化鎂與硅酸的質(zhì)量比約為10∶1，以pH值在10.0～10.3為指標(biāo)控制NaOH投加量［8］，絮凝劑的投加量約為40 mg／L，助凝劑的投加量約為1 mg／L，出水處投加鹽酸控制p H值在7.5～8.0之間。沉淀池的進(jìn)出水濁度及SiO2濃度分別如圖2、圖3所示。從圖2、圖3中可以看出，沉淀池出水濁度約為1.3 NTU，SiO2質(zhì)量濃度在30 mg／L以?xún)?nèi)。

圖2 混凝沉淀池進(jìn)出水濁度Fig.2 Turbidity of influent and effluent water of coagulation sedimentation tank

圖3 混凝沉淀池進(jìn)出水SiO2濃度Fig.3 SiO2 concentrations of influent and effluent water of coagulation sedimentation tank

4.2 超濾

混凝沉淀池出水經(jīng)多介質(zhì)過(guò)濾器進(jìn)入超濾系統(tǒng)，進(jìn)水壓力為0.08 MPa左右，跨膜壓差為0.025 MPa以?xún)?nèi)，每40 min反洗1次。超濾進(jìn)出水濁度如圖4所示。從圖4中可以看出，出水濁度穩(wěn)定在0.075 NTU以?xún)?nèi)，完全滿足后續(xù)系統(tǒng)進(jìn)水要求。

圖4 超濾進(jìn)出水濁度Fig.4 Turbidity of UF influent and effluent water

4.3 弱酸陽(yáng)床

弱酸陽(yáng)床出水呈酸性，p H值在2.2～4.3之間。當(dāng)p H值上升到4.3時(shí)樹(shù)脂失效，需進(jìn)入再生程序。弱酸陽(yáng)床進(jìn)出水堿度及除碳器進(jìn)出水CO2濃度如圖5、圖6所示。從圖5、圖6中可以看出，陽(yáng)床出水堿度為0，除碳器出水CO2質(zhì)量濃度降為7.0 mg／L以?xún)?nèi)。

圖5 弱酸陽(yáng)床進(jìn)出水堿度Fig.5 Alkalinity of influent and effluent water of weak acid cation bed

圖6 除碳器進(jìn)出水CO2濃度Fig.6 CO2 concentrations of influent and effluent water of carbon remover

4.4 膜濃縮

去除CO2的廢水經(jīng)加堿調(diào)節(jié)p H值至中性，加入阻垢劑后進(jìn)入高壓反滲透系統(tǒng)。系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中，逐步調(diào)節(jié)電動(dòng)濃水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，并提高高壓泵頻率至48 Hz，當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)整至25%時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)額定工況，此時(shí)進(jìn)水壓力在4.5 MPa左右，回收率在40%以上，脫鹽率在96%以上。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)水和濃水TDS值如圖7所示。從圖7中可以看出，濃水TDS質(zhì)量濃度在50 000 mg／L以上。

圖7 高壓反滲透進(jìn)水和濃水TDSFig.7 TDSof influent water and concentrated water of high pressure RO system

4.5 運(yùn)行效果

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，由檢測(cè)結(jié)果可知，淡水p H值約為6.5，SS未檢出，Ca2＋質(zhì)量濃度約為20 mg／L，Mg2＋質(zhì)量濃度約為0.5 mg／L，TDS質(zhì)量濃度約為1 240 mg／L，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求；對(duì)回收的NaCl晶體取樣分析，其N(xiāo)aCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到95.5%以上，滿足該廠回收純度要求。運(yùn)行期間未進(jìn)行廢水外排，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的廢水零排放。

5 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

該高鹽廢水處理裝置的日常運(yùn)行成本包括電費(fèi)、蒸汽費(fèi)、藥劑及人工費(fèi)。電費(fèi)為2.24元／t，蒸汽費(fèi)為10.33元／t，藥劑費(fèi)為8.65元／t，人工費(fèi)為0.9元／t，運(yùn)行成本合計(jì)為22.12元／t。

該系統(tǒng)投運(yùn)當(dāng)月累計(jì)處理廢水15 000 t，回收淡水5 600 t，回收NaCl固體近200 t，成功解決了企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的高含鹽廢水處理問(wèn)題，并創(chuàng)造了良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于含有大量NaCl、Ca2+含量高及含有一定量SiO2的廢水，采用混凝沉淀－多介質(zhì)過(guò)濾器－超濾－弱酸陽(yáng)床－高壓反滲透工藝來(lái)進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶前的預(yù)濃縮，并采用三效蒸發(fā)裝置提取NaCl，單效蒸發(fā)裝置及轉(zhuǎn)鼓切片機(jī)獲得雜鹽，工藝整體是可行的。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，淡水水質(zhì)及NaCl固體品質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）除碳器的設(shè)計(jì)選型應(yīng)充分考慮CO2的去除率，去除效果的好壞將直接影響高壓反滲透的脫鹽率和結(jié)垢程度。

（3）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將廢水中的主要結(jié)垢因子堿度去除，但并未去除鈣鎂離子，由于水中含有一定量的硫酸根、少量氟離子和硅酸根離子，因此建議要求高壓反滲透阻垢劑供應(yīng)商根據(jù)實(shí)際的進(jìn)水水質(zhì)計(jì)算最佳投加量。進(jìn)水水質(zhì)如有改變，應(yīng)及時(shí)調(diào)整投加量。