復(fù)合型凈水系統(tǒng)在地表水處理中的應(yīng)用

羅廷慶，吳江，邱才華，萬桂平，陳浪

（1.江西晶安高科技股份有限公司，江西南昌 330508；2.江西鋯資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330508）

中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，促進(jìn)了整個社會對水資源需求量的持續(xù)增長。進(jìn)入21世紀(jì)以來，水資源的短缺問題變得更為突出，尤其是地下水資源。因?yàn)楣I(yè)對地下水資源的開采過度，造成了不同地區(qū)的地下水位快速下降，甚至引起了地面不均勻沉降。目前，國家正在加速規(guī)范企業(yè)從地下采水逐步改成以市政自來水或河水為主。

某公司是一家主要從事鋯系列材料生產(chǎn)、開發(fā)、研究的國有控股高新技術(shù)企業(yè)。根據(jù)該企業(yè)水資源調(diào)查分析，采用井水供水不符合國家的發(fā)展政策，而且水量也無法保障；采用市政自來水會給企業(yè)帶來較高的用水成本。最終，該企業(yè)以附近某河流河水資源為源水，對其進(jìn)行凈化處理后，供企業(yè)生產(chǎn)使用。

1 企業(yè)用水概況及水質(zhì)分析

1.1 河水資源狀況

企業(yè)取水地點(diǎn)選在企業(yè)附近某河主流萬家埠水文站上洲約2.5 km處，取水規(guī)模為4.8 kt/d，設(shè)計(jì)取水流量為0.056 m3/s。該取水口斷面年平均流量為111 m3/s，年平均最小月流量為31.36 m3/s，因此企業(yè)取水量所占斷面來水量的比例很小，對區(qū)域水資源產(chǎn)生的影響也很小，即使處于特枯水季節(jié)，河道來水仍能滿足供水要求。

取水口河段河勢穩(wěn)定，取水口的設(shè)置對下游及周邊用水的影響很小，既不會破壞生態(tài)環(huán)境又便于對取水口進(jìn)行監(jiān)督管理。依據(jù)徑流分析成果，該取水口斷面即使在保證率P＝95%的特枯水年，全年供水水量亦可完全滿足企業(yè)各項(xiàng)用水量需求。

1.2 河水水質(zhì)分析

該河水為地表水，容易受流域、季節(jié)水位、水體污染等因素影響，含有較多雜質(zhì)、懸浮物、有機(jī)物、膠體、無機(jī)鹽、重金屬離子，以及不同菌落、溶解氣體等。對該河河水取樣檢測的結(jié)果見表1。

表1 河水取樣檢測結(jié)果

由表1可知，該河河水濁度高，變化幅度大，電導(dǎo)率偏高，雜質(zhì)指標(biāo)高。該水質(zhì)如果不經(jīng)任何處理，會對工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品品質(zhì)帶來危害。

1.3 企業(yè)用水水質(zhì)要求

該企業(yè)一般質(zhì)量用水主要用于生產(chǎn)用水、輔助生產(chǎn)用水、部分間接冷卻用水，以及后續(xù)高質(zhì)量凈化水源水。高質(zhì)量用水規(guī)模主要用于附屬生產(chǎn)用水（研發(fā)化驗(yàn)檢測用水）、工藝用水、鍋爐用水等。具體水質(zhì)指標(biāo)要求見表2。

表2 企業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

2 凈化水方案

2.1 工業(yè)用水凈化處理技術(shù)

根據(jù)不同的水處理方法，凈化水工藝可分為混凝＋沉淀＋過濾、軟化法、微過濾及超過濾法、反滲透法幾類。各種凈化水工藝用途及分離物質(zhì)見圖1[1]。

圖1 凈化水工藝用途及分離物質(zhì)示意

1）混凝＋沉淀＋過濾?；炷恋恚^濾的處理方法是在水體中投加合適的絮凝劑，使水中分散的膠狀體與浮游雜質(zhì)等在絮凝劑的作用下互相聚集、絮凝，形成大顆粒，再通過沉淀、傳統(tǒng)過濾的方法去除。這種方法常用于城市自來水處理，無法進(jìn)一步處理復(fù)雜污染物質(zhì)。常規(guī)的混凝、沉淀、過濾，以降低河水濁度為主要處理目標(biāo)。隨著濁度的降低，原本河水中吸附于濁質(zhì)的有機(jī)物以及溶解度較低的有機(jī)物也得到相應(yīng)去除。資料表明，通過該工藝，分子量為10 000～100 000的有機(jī)物可去除約80%，分子量為3 000～10 000的有機(jī)物可去除約50%。因此，河水凈化系統(tǒng)，如城市自來水廠，常將此工藝用在日處理水量在8 000～10 000 m3以上的河水凈化水站上[2]。

2）軟化法。軟化法常用于處理主要雜質(zhì)為鈣鎂離子的硬度較高的源水。該方法采用離子交換、加藥劑等方式，將源水中的鈣鎂離子濃度降低或者去除。該法能改善源水的硬度，但無法去除源水中的微生物和有害病菌等。

3）微過濾及超過濾法。微過濾及超過濾法是利用約0.3 MPa的滲透壓力，使原水通過微濾和超濾微孔膜制成的纖維素或高分子材料，利用其緊湊的孔徑攔截水中雜質(zhì)。一般而言，微濾膜的孔徑為0.02~1.0μm，超濾膜孔徑為0.002~0.2μm。因此，采用微過濾及超過濾法可以有效地將水中的微粒、細(xì)菌等微觀納米量級的物質(zhì)過濾掉，但該法的缺點(diǎn)是產(chǎn)水量不高[3]。

4）反滲透膜法。反滲透是利用更致密的膜來對水中物質(zhì)進(jìn)行選擇性透過的方法。該法一般可截留0.000 1μm的粒子。反滲透系統(tǒng)的純水水量能夠達(dá)到被處理水量的75%～85%。但在這個過程中，有部分高鹽溶液被浪費(fèi)[3]。

5）復(fù)合型凈化水工藝。由于單一的凈水工藝只能滿足一般性需求用水，無法滿足更高質(zhì)量的企業(yè)生產(chǎn)工藝、鍋爐用水需求，因此逐漸發(fā)展出復(fù)合型凈化水工藝，即將上述兩種或者兩種以上的工藝進(jìn)行組合，如“超濾＋反滲透”組合、“活性炭吸附＋微濾膜”組合等。不同工藝各取所長，組成復(fù)合型凈化水系統(tǒng)進(jìn)一步去除水中雜質(zhì)，提高了產(chǎn)水的質(zhì)量。

2.2 凈化水技術(shù)選型

該河河水由于污染以及季節(jié)變化的影響，容易發(fā)生水質(zhì)變化，從而影響凈化水系統(tǒng)出水質(zhì)量的穩(wěn)定。采用常規(guī)河水凈化方式存在流程長、占地面積大、投入資金量大、建設(shè)周期長等缺點(diǎn)。因此，綜合考慮企業(yè)實(shí)施條件，設(shè)計(jì)采用新型一體化凈水器替代河水水站處理凈化該河河水的方案，將常規(guī)的水處理工藝混凝、沉淀、過濾高效整合在一起，設(shè)計(jì)在一套設(shè)備內(nèi)，再配合投加絮凝、藥劑等附屬設(shè)備，成為具有整套凈化水功能的凈水站。該方案的優(yōu)點(diǎn)為凈水流程短、效率高、施工周期短、設(shè)施占地面積小，滿足企業(yè)一級凈化水要求。

經(jīng)過一體化凈水器處理，河水能滿足企業(yè)一般用水要求，但無法滿足更高質(zhì)量的用水要求，還需要通過兩個或者兩個以上的工藝進(jìn)行組合，形成一個復(fù)合型凈化水系統(tǒng)。為此，在一級凈化的基礎(chǔ)上增加后續(xù)水凈化工藝進(jìn)行二次處理，比如反滲透脫鹽水處理系統(tǒng)，離子交換（復(fù)床、混床），電滲析軟化、除鹽水系統(tǒng)，超純水處理設(shè)備等。經(jīng)過對比分析上述各類水處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用環(huán)境，最終選用反滲透脫鹽水處理系統(tǒng)作為該企業(yè)二級凈化水系統(tǒng)。

在這種設(shè)計(jì)思路下，該企業(yè)組成了一套采用一體化凈水器進(jìn)行一級凈化，反滲透膜法進(jìn)行二級凈化的高效工業(yè)用水凈化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)對不同等級工業(yè)用水的需求。

3 分級凈水系統(tǒng)及特點(diǎn)

3.1 一級凈化水系統(tǒng)

企業(yè)在取水點(diǎn)通過取水泵抽取該河河水，經(jīng)埋地敷設(shè)DN400供水管線從西面進(jìn)入廠區(qū)，輸送到一級凈水站?？紤]到該河河水pH值低于7，進(jìn)入一級凈水站后，增設(shè)加堿裝置定量加入氫氧化鈉溶液，將原水調(diào)成弱堿性，然后加入定量絮凝劑，經(jīng)過管道混合器充分混合，進(jìn)入一體化凈水器進(jìn)行反應(yīng)、沉淀、過濾處理。產(chǎn)出的凈化水定量加入二氧化氯進(jìn)行殺菌，然后轉(zhuǎn)入清水池，通過給水泵送往使用單位和二級凈化水系統(tǒng)；產(chǎn)出的污水流進(jìn)污水池，通過壓榨泵壓入壓濾機(jī)中。壓干污泥主要為泥沙，污水則再次進(jìn)入一體化凈水器進(jìn)行凈化。具體的一級凈化水系統(tǒng)工藝流程見圖2。

圖2 一級凈化水系統(tǒng)工藝流程

如圖2可知，該系統(tǒng)處理工藝較為合理，工人操作勞動強(qiáng)度較低，特點(diǎn)如下：1）主要處理設(shè)備為一體化凈水器。該設(shè)備采用改進(jìn)后的快速斜管沉淀工藝，與重力式自動反沖洗過濾工藝相結(jié)合，具有獨(dú)特先進(jìn)的流體力學(xué)工藝設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)配置。凈水設(shè)備布置緊湊，較豎流沉淀器和重力無閥過濾器等其他凈化水設(shè)備，占地的面積可減少30%以上。2）系統(tǒng)采用水力自動反沖等工藝，無須設(shè)置反沖水泵，沒有多余的電耗輸出，使整體系統(tǒng)的電耗大幅度下降。采用氣動排泥，根據(jù)進(jìn)水流量及濁度數(shù)據(jù)計(jì)算凈水器的排泥周期，控制凈水器合適的排泥時間及排泥周期，保證凈水器長期在良好的環(huán)境下運(yùn)行。3）針對源水pH值偏弱酸性，絮凝效果不佳的特性，增加了加堿裝置，提高了絮凝效果。4）系統(tǒng)的自耗水量極低。一級凈化水系統(tǒng)產(chǎn)出污水通過壓料泵壓入壓濾機(jī)中，壓干污泥主要為泥沙，污水再次進(jìn)入一體化凈水器進(jìn)行凈化。另外，利用改進(jìn)后的快速斜管沉淀工藝以及重力式水力自動反沖過濾工藝，反洗清洗水用量少30%以上。5）采用網(wǎng)格旋流反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)簡單，水流作用下顆粒間的碰撞有助于提升絮凝效果，與普通反應(yīng)比較，效果高出2倍以上[4]。

3.2 二級凈化水系統(tǒng)

河水經(jīng)一級凈化水系統(tǒng)凈化后，通過給水泵經(jīng)DN200給水管線，輸送到二級凈水站。雖然原水經(jīng)過了一級凈化系統(tǒng)的處理，水中的懸浮物質(zhì)已經(jīng)較少（一般小于3×10-6），水質(zhì)優(yōu)良。但是對于后續(xù)的二級凈化水系統(tǒng)來說，原水中的懸浮物質(zhì)還是會堵塞離子交換通道或反滲透膜，使離子交換樹脂或反滲透膜受損，嚴(yán)重地影響二級凈化水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，縮短設(shè)備的使用壽命，因此仍需要對進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理。

預(yù)處理第一道采用機(jī)械過濾器，利用機(jī)械過濾器中不同粒徑石英砂間的細(xì)小縫隙，使顆粒物在隨水流流經(jīng)濾料時被截留。經(jīng)過機(jī)械過濾器，其出水濁度已經(jīng)基本達(dá)到反滲透進(jìn)水要求，但是過濾水中仍含有一定量的有機(jī)物、余氯、微生物等沒得到處理。為此在石英砂機(jī)械過濾器后配置活性炭過濾器，利用活性炭比表面積大的特點(diǎn)，有效吸附進(jìn)水中的有機(jī)物，降低預(yù)處理水的臭味、色度、微生物數(shù)量、余氯等。經(jīng)過機(jī)械過濾器及活性炭吸附后的出水完全符合預(yù)處理出水要求，可以進(jìn)入反滲透膜裝置進(jìn)行凈化處理[5]。

進(jìn)入二級凈水站的一級凈化水通過原水泵加壓經(jīng)過機(jī)械過濾器、活性炭過濾器、保安過濾器，接著通過高壓表再次加壓，進(jìn)入反滲透裝置過濾處理，產(chǎn)出的凈化水轉(zhuǎn)入純水罐，最后通過給水泵將二級凈化水送往使用單位使用。另外，反滲透裝置產(chǎn)出的濃水流進(jìn)濃水罐，通過給水泵供往各車間做設(shè)備冷卻水等回用水使用。二級凈化水系統(tǒng)具體工藝流程見圖3。

圖3 二級凈化水系統(tǒng)工藝流程

由圖3可知，二級凈化水系統(tǒng)由機(jī)械過濾器（石英砂）、活性炭過濾器、阻垢劑投加裝置、非氧化性殺菌劑投加裝置、兩級保安過濾器、高壓泵、反滲透裝置、反滲透化學(xué)清洗裝置組成，處理工藝較為合理，工人操作勞動強(qiáng)度較低，特點(diǎn)如下：1）以一級凈化水為源水，經(jīng)過石英砂機(jī)械過濾器、活性炭過濾器、兩級保安過濾器過濾，除去了一級凈化水中殘余的懸浮物質(zhì)以及膠體等，嚴(yán)格控制了反滲透裝置進(jìn)水中的有機(jī)物濃度以及余氯量，防止了上一級處理泄漏的濾料等物質(zhì)給系統(tǒng)元件帶來損害，延長了二級凈水系統(tǒng)使用壽命，確保了二級凈化水水質(zhì)。2）在對原水進(jìn)行預(yù)處理時，增加了阻垢劑、非氧化性殺菌劑使用，對原水進(jìn)行了預(yù)處理，保護(hù)了反滲透膜，延長了反滲透膜使用壽命。3）采用PLC自動控制，操作過程均為自動化操作，反洗操作和制水運(yùn)行均按設(shè)定參數(shù)運(yùn)行，確保了凈水系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)不受人工影響，穩(wěn)定運(yùn)行。4）二級凈化水系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮了企業(yè)運(yùn)行工況，可兩套系統(tǒng)輪流或一起運(yùn)行，在滿足生產(chǎn)用水需求的同時，可以根據(jù)自來水壓，錯峰制水，保障了設(shè)備高效安全運(yùn)行，同時考慮到場地限制，共用1臺原水泵和反滲透化學(xué)清洗裝置，進(jìn)水采用恒壓變頻，確保進(jìn)水在壓力波動時，系統(tǒng)水壓穩(wěn)定，降低了設(shè)備投資。5）根據(jù)保養(yǎng)需求，可分別對兩套系統(tǒng)輪流進(jìn)行反沖洗、濾芯更換、再生等保養(yǎng)，并且可單獨(dú)對一套裝置一段膜和二段膜分開清洗，以達(dá)到充分清洗的最佳效果。

4 運(yùn)行效益

4.1 凈水系統(tǒng)產(chǎn)水量

一級凈化水系統(tǒng)平均產(chǎn)水量215 t/h、日產(chǎn)水量4 945 t，達(dá)到企業(yè)一級凈化水用量需求，產(chǎn)出污水回用進(jìn)入凈水系統(tǒng)再次凈化，利用率100%。

二級凈化水系統(tǒng)平均產(chǎn)水量106 t/h、日產(chǎn)水量2 438 t，達(dá)到企業(yè)二級凈化水用量需求。脫鹽率均值為96.0%，產(chǎn)出濃水回收用于間接冷卻用水和一般用水，設(shè)備反沖洗水回用至一級凈化水系統(tǒng)凈化，利用率100%。

4.2 凈水系統(tǒng)產(chǎn)出水質(zhì)量

監(jiān)測一級凈化水系統(tǒng)進(jìn)水與出水、二級凈化水系統(tǒng)出水，形成凈水系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)檢測報(bào)告，具體見表3，達(dá)到企業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)。

表3 凈水系統(tǒng)產(chǎn)水質(zhì)量

4.3 凈水系統(tǒng)運(yùn)行成本

經(jīng)測算，一級凈化水運(yùn)行成本約0.97元/t，二級凈化水運(yùn)行成本約1.06元/t。一級凈化水如果采用市政自來水，則自來水的單價為3.06元/t。因此，采用設(shè)計(jì)凈化水系統(tǒng)運(yùn)行成本較低，滿足了企業(yè)低成本設(shè)計(jì)要求，降低了企業(yè)成本負(fù)擔(dān)，具體見表4。

表4 凈水系統(tǒng)運(yùn)行成本

5 結(jié)論

水是化工企業(yè)重要的資源性原料，隨著化工行業(yè)向精細(xì)化發(fā)展，工業(yè)凈化水系統(tǒng)向著便捷化、集成化、數(shù)字化、智能化發(fā)展。本方案設(shè)計(jì)的凈化水系統(tǒng)效率高，成本低，控制快捷方便，能有效延長設(shè)備使用壽命，可用于化工工業(yè)凈化水系統(tǒng)中設(shè)備設(shè)施更新升級，值得在類似化工企業(yè)凈化水項(xiàng)目中得到推廣運(yùn)用。