含硅高含鹽廢水的膜濃縮處理工藝及應(yīng)用

向磊， 張進(jìn)， 何松， 金家龍

（中電環(huán)保股份有限公司， 南京 211102）

新疆某多晶硅產(chǎn)業(yè)園區(qū)水資源匱乏， 用水水質(zhì)復(fù)雜， 在生產(chǎn)過(guò)程中既要節(jié)約用水， 對(duì)廢水進(jìn)行回收利用， 又要將無(wú)法回收的廢水進(jìn)行深度處理， 最終實(shí)現(xiàn)零排放要求， 減少對(duì)環(huán)境的污染。 本工程進(jìn)水主要是一級(jí)除鹽水系統(tǒng)排放的濃水， 水質(zhì)主要特點(diǎn)是硅含量較大， 含鹽量高。 針對(duì)廢水水質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合常規(guī)污水回用及膜濃縮處理工藝， 本設(shè)計(jì)提出了一級(jí)濃水反滲透－高效反應(yīng)沉淀池－雙介質(zhì)過(guò)濾器－超濾－鈉床－二級(jí)濃水反滲透－STRO 的組合處理工藝， 進(jìn)行分類逐步處理， 以達(dá)到蒸發(fā)結(jié)晶裝置的進(jìn)水含鹽量要求。

1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水量及水質(zhì)

本工程處理的廢水來(lái)源包括以下2 種： 一級(jí)除鹽反滲透系統(tǒng)濃水、 少量凝液混床再生廢水， 其中： 一級(jí)除鹽反滲透系統(tǒng)濃水水量為186 m3／h， 其水質(zhì)如表1 所示； 凝液混床再生廢水流量為2.3m3／h， TDS 質(zhì)量濃度為11 540.5 mg／L。 該工程屬于蒸發(fā)結(jié)晶裝置的預(yù)濃縮系統(tǒng)， 按照廢水零排放設(shè)計(jì)， 最終濃縮的高含鹽廢水排入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)， 要求其含鹽質(zhì)量濃度不低于90 000 mg／L， 濃水流量不小于12 m3／h。

表1 一級(jí)除鹽反滲透系統(tǒng)濃水水質(zhì)Tab. 1 Concentrated water quality of one-stage desalination RO system

本工程廢水含鹽量高， 成分復(fù)雜， 主要含有K＋、 Na＋、 Ca2＋、 Mg2＋、 Cl－、 SO42－、 NO3－、 COD、 硅等， 其中Ca2＋、 Mg2＋、 硅對(duì)膜濃縮系統(tǒng)選擇影響較大， 若不能對(duì)其中的Ca2＋、 Mg2＋、 硅進(jìn)行有效處理， 會(huì)造成膜濃縮系統(tǒng)的結(jié)垢污堵， 且極難清洗，大大縮短其核心元件膜的使用壽命， 嚴(yán)重影響膜系統(tǒng)的正常運(yùn)行［1］。 因此需選擇合適的工藝來(lái)對(duì)硬度及硅進(jìn)行最大限度的去除， 同時(shí)去除部分有機(jī)物。

2 處理工藝流程

經(jīng)過(guò)多種處理工藝對(duì)比， 本工程最終確定采用的工藝流程如圖1 所示。

圖1 工藝流程Fig. 1 Process flow

一級(jí)除鹽反滲透濃水可通過(guò)一級(jí)濃水反滲透系統(tǒng)進(jìn)一步濃縮， 此過(guò)程產(chǎn)生的濃水必須經(jīng)過(guò)軟化和除硅處理后， 才能進(jìn)入下一步的濃縮系統(tǒng)。 通過(guò)設(shè)計(jì)高效一體化反應(yīng)澄清裝置， 采用“氫氧化鈉＋碳酸鈉”法去除總堿度及硬度［2］， 同時(shí)投加氧化鎂藥劑強(qiáng)化除硅， 不但運(yùn)行成本、 系統(tǒng)投資低， 且運(yùn)行穩(wěn)定、 可靠。 經(jīng)過(guò)上述處理后， 硅含量降到足夠低， 水中絕大部分硬度也被去除。 此時(shí)水中濁度較大， 且殘余的硬度需要進(jìn)一步去除， 需通過(guò)多介質(zhì)過(guò)濾器和超濾組合去除懸浮物及部分有機(jī)物， 鈉床去除殘余硬度， 此時(shí)水中的有害物質(zhì)基本去除， 變成低濁軟化高離子廢水， 具備濃縮系統(tǒng)的進(jìn)水條件。 通過(guò)二級(jí)濃水反滲透及STRO 系統(tǒng)處理， 濃水被濃縮到足夠濃度后， 進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)處理［3－4］。

3 主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

（1） 一級(jí)濃水反滲透裝置。 共2 套， 單套進(jìn)水流量為93 m3／h， 單套濃水出水流量為32.5 m3／h，回收率為65%。 膜元件采用低壓抗污染膜， 型號(hào)為BW30FR－400／34， 膜材料為芳香族聚酰胺， 最大工作壓力為2.5 MPa。 水通量為8.5 L／（m2·h），裝置分為一級(jí)二段， 組合方式為11 ∶5， 共計(jì)192支膜元件。 投加專用阻垢劑防止膜元件被硅污染，硅阻垢投加量為400 mg／L。

（2） 高效一體化澄清裝置。 鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)防腐， 1套， 進(jìn)水流量為100 m3／h， 出水流量為78.6 m3／h。裝置分反應(yīng)區(qū)、 混凝區(qū)、 泥水分離區(qū)。 反應(yīng)區(qū)尺寸為6.6 m × 1.8 m × 4.4 m， 水 力 停 留 時(shí) 間 為37.5 min， 反應(yīng)區(qū)平均分3 格， 每格各設(shè)1 臺(tái)機(jī)械攪拌器， 單臺(tái)功率為5.5 kW。 混凝區(qū)尺寸為1.8 m×1.8 m×4.4 m， 水力停留時(shí)間為10 min， 設(shè)1 只φ 0.8 m導(dǎo)流筒和1 臺(tái)機(jī)械攪拌器， 功率為2.2 kW。 泥水分離區(qū)尺寸為9.6 m×8.5 m×6.5 m， 超高0.9 m， 泥渣濃縮時(shí)間為6 h， 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7.0 m×8.5 m； 下部設(shè)有1 臺(tái)刮泥機(jī)， 直徑為7.5 m， 功率為1.1 kW。

（3） 雙介質(zhì)過(guò)濾器。 共2 套， 1 用1 備， 單套進(jìn)出水流量為78.6 m3／h， 罐體直徑為3 200 mm， 內(nèi)部填裝無(wú)煙煤（粒徑為0.8 ～1.8 mm）、 石英砂（粒徑為0.5 ～1.2 mm）， 填裝高度分別為400、 800 mm。

（4） 超濾裝置。 共2 套， 單套進(jìn)水流量為40 m3／h， 單套產(chǎn)水流量為36 m3／h， 回收率為90%， 過(guò)濾方式為死端過(guò)濾。 裝置采用外壓式超濾膜， 型號(hào)ZeeWeed1500， 膜材料為PVDF［5］， 最大工作壓力為0.35 MPa， 水通量為48 L／（m2·h）， 共計(jì)30 支膜。

（5） 鈉床。 共2 套， 1 用1 備， 單套進(jìn)出水流量為75 m3／h， 罐體直徑為2 000 mm， 選用001×7鈉型強(qiáng)酸陽(yáng)離子樹(shù)脂［6］， 再生溶液為10%的氯化鈉溶液［7］。 填裝高度為2 000 mm。

（6） 二級(jí)濃水反滲透裝置。 共2 套， 單套進(jìn)出水流量為37.5 m3／h， 單套濃水出水流量為13 m3／h，回收率為65%， 采用高壓耐污染膜， 型號(hào)為CR100，膜材料為芳香族聚酰胺， 最大工作壓力為4.2 MPa。水通量為15.4 L／（m2·h）， 裝置分為一級(jí)二段， 組合方式為5 ∶3， 共計(jì)96 支膜元件。

（7） STRO 裝置。 共2 套， 單套進(jìn)出水流量為13 m3／h， 單套濃水出水流量為5.85 m3／h， 回收率為55%， 采用高壓寬通道抗污染膜， 型號(hào)為RD-90， 膜材料為芳香族聚酰胺， 最大工作壓力為9 MPa。 開(kāi)放式流道， 可降低流動(dòng)阻力， 降低濃差極化［8］。 膜通量為11 L／（m2·h）， 裝置分為一級(jí)二段，組合方式為1 ∶3， 共計(jì)48 支膜元件。

4 調(diào)試與運(yùn)行效果

本系統(tǒng)主要來(lái)水為一級(jí)除鹽反滲透濃水， 首先進(jìn)行調(diào)試的為一級(jí)濃水反滲透系統(tǒng)， 由于進(jìn)水中結(jié)垢離子含量較高， 調(diào)試過(guò)程中逐步提高回收率至65%， 同時(shí)觀察段間壓差等運(yùn)行情況， 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行， 系統(tǒng)一、 二段壓差均保持在0.1 MPa 以內(nèi)， 無(wú)明顯增加， 運(yùn)行正常穩(wěn)定。

高效一體化澄清裝置的進(jìn)水主要有： 一級(jí)濃水反滲透濃水、 凝液混床再生廢水， 及系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的多介質(zhì)過(guò)濾器反洗水、 超濾反洗水、 鈉床再生廢水。 經(jīng)對(duì)比， 一級(jí)濃水反滲透濃水水量較大， 水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定， 為了防止凝液混床廢水、 鈉床再生廢水對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負(fù)荷， 故在調(diào)節(jié)池前設(shè)置再生水池， 并配備小流量的水泵， 將此兩股濃水均勻地提升至調(diào)節(jié)池。 高效一體化澄清裝置在調(diào)試過(guò)程中， 氧化鎂溶液和液堿在反應(yīng)區(qū)第1 格前端投加， 通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pH 值實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)條件的控制，調(diào)節(jié)pH 值為10.0 ～10.3； 液堿和碳酸鈉溶液在反應(yīng)區(qū)第2 格前端投加； 混凝劑、 助凝劑在反應(yīng)區(qū)第3 格末端投加后進(jìn)入混凝區(qū)， 絮凝劑采用聚合硫酸鋁鐵（PAFS）， 助凝劑采用陰離子型聚丙烯酰胺。廢水經(jīng)過(guò)充分混凝后進(jìn)入泥水分離區(qū)， 泥水分離區(qū)產(chǎn)生的污泥通過(guò)變頻回流泵部分回流至混凝區(qū)， 剩余排至污泥濃縮池。 通過(guò)分區(qū)分格投加藥劑、 污泥回流并控制反應(yīng)條件， 廢水經(jīng)絮凝、 沉淀處理后，水中絕大部分硬度和硅被去除， 并進(jìn)一步除去SS和部分COD［9］。 處理后實(shí)際水質(zhì)硬度在1.6 mmol／L以內(nèi)， 硅濃度降至1 mmol／L 以內(nèi)。

通過(guò)雙介質(zhì)過(guò)濾器和超濾系統(tǒng)的雙重過(guò)濾， 實(shí)際出水濁度在0.2 NTU 以內(nèi)， 再經(jīng)過(guò)鈉床軟化， 實(shí)際出水硬度在0.02 mmol／L 以內(nèi)［10］。

經(jīng)過(guò)去除硬度、 硅和濁度后， 廢水進(jìn)入二級(jí)濃水反滲透系統(tǒng)進(jìn)行濃縮， 產(chǎn)水回收， 濃水進(jìn)入STRO系統(tǒng)繼續(xù)濃縮， 產(chǎn)水回收， 濃水進(jìn)入后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)， 此時(shí)濃水含鹽的質(zhì)量濃度在90 000 mg／L以上。

本項(xiàng)目2018 年7 月初安裝結(jié)束， 經(jīng)過(guò)近4 個(gè)多月調(diào)試及運(yùn)行， 系統(tǒng)趨于穩(wěn)定， 其主要子系統(tǒng)水量及濃水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)如表2 所示。

由表2 可以得出， 來(lái)水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后， 硬度基本去除， 硅得到有效去除。 STRO 濃水側(cè)含硅的質(zhì)量濃度未超過(guò)200 mg／L， 不會(huì)對(duì)膜濃縮系統(tǒng)造成結(jié)垢和污堵風(fēng)險(xiǎn)； 且出水TDS 的質(zhì)量濃度在90 000mg／L 以上， 滿足蒸發(fā)結(jié)晶裝置進(jìn)水要求。

表2 系統(tǒng)主要出水水質(zhì)平均值Tab. 2 Mean values of effluent water quality of the system

5 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

本系統(tǒng)設(shè)備投資為1 725 萬(wàn)元。 進(jìn)水量按188.3 m3／h 計(jì)算， 運(yùn)行費(fèi)用主要有： 電費(fèi)5 229 元／d， 藥劑費(fèi)85 035 元／d， 人工費(fèi)1 000 元／d。 系統(tǒng)運(yùn)行成本約為20.19 元／m3。

6 結(jié)語(yǔ)

（1） 該工程實(shí)踐表明， 對(duì)于硅含量高、 硬度高及含鹽量大的廢水， 采用一級(jí)濃水反滲透－高效反應(yīng)沉淀池－雙介質(zhì)過(guò)濾器－超濾－鈉床－二級(jí)濃水反滲透－STRO 的組合工藝進(jìn)行處理是可行的。 其中膜系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中， 未發(fā)生明顯硅污染和結(jié)垢傾向， 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、 正常， 出水水質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求。

（2） 在調(diào)試及運(yùn)行過(guò)程中， 高效一體化澄清裝置應(yīng)注意絮凝劑的投加量， 避免其投加過(guò)量而導(dǎo)致微小絮凝劑分子污染反滲透膜元件； 對(duì)于二級(jí)濃水反滲透系統(tǒng)和STRO 系統(tǒng)， 回收率應(yīng)逐步提高至設(shè)計(jì)值， 同時(shí)觀察進(jìn)水壓力、 段間壓差等是否有增大趨勢(shì)， 定期檢測(cè)來(lái)水水質(zhì)情況， 發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)調(diào)整回收率。

（3） 針對(duì)高含鹽廢水， 目前普遍采用膜處理系統(tǒng)作為廢水零排放的預(yù)濃縮工藝， 那么對(duì)于膜處理系統(tǒng)而言， 應(yīng)根據(jù)廢水水質(zhì)參數(shù)， 針對(duì)不同的離子選擇不同的前端預(yù)處理工藝， 并調(diào)整加藥的類別，對(duì)“癥”下藥， 去除對(duì)膜處理系統(tǒng)有害的離子， 保證膜處理系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。