高回收率中水回用深度處理系統(tǒng)的典型問題分析及處理方法探討

摘" 要：某鋼鐵企業(yè)通過采用優(yōu)勢工藝組合與膜法梯級濃縮的高回收率中水回用深度處理系統(tǒng)對廠區(qū)中水進(jìn)行深度處理后回用，使企業(yè)實現(xiàn)全廠廢水近零排放。但該系統(tǒng)運行初期出現(xiàn)中水回用處理系統(tǒng)常見的幾種典型問題。根據(jù)該工藝系統(tǒng)的主要特點，分析幾個典型問題的形成原因，對各問題的解決方法和處理效果進(jìn)行全面深入的分析與探討，并對系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行提出行之有效的建議。

關(guān)鍵詞：高回收率;中水回用;中水深度處理;膜法處理;超濾

中圖分類號：X703.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0151-05

Abstract： A steel company uses a high-recovery water reuse advanced treatment system with superior process combinations and membrane method cascade concentration to deeply treat and reuse the water in the plant， allowing the company to achieve near-zero discharge of wastewater from the plant. However， several typical problems common to reclaimed water reuse and treatment systems occurred in the early stage of operation of the system. According to the main characteristics of the process system， the causes of several typical problems are analyzed， the solutions and treatment effects of each problem are comprehensively and deeply analyzed and discussed， and effective suggestions are put forward for the long-term stable operation of the system.

Keywords： high recovery rate; reclaimed water reuse; advanced treatment of reclaimed water; membrane treatment; ultrafiltration

鋼鐵、電力等傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程工業(yè)水耗量大、水質(zhì)要求高及用水成本高等問題已成為影響其生產(chǎn)運行經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的制約因素[1]。隨著國家對工業(yè)用水政策限制和對廢水排放要求的提高，企業(yè)全面推行節(jié)約用水成本、減少廢水排放的理念，加快對廠區(qū)中水進(jìn)行回收利用，將中水處理后回用、代替清潔水源，逐漸成為今后工業(yè)企業(yè)的重要水源[2]。

1" 系統(tǒng)介紹

1.1" 工藝系統(tǒng)簡介

該企業(yè)采用的高回收率中水回用深度處理系統(tǒng)以廢水預(yù)處理系統(tǒng)的達(dá)標(biāo)產(chǎn)水為水源，通過將傳統(tǒng)膜法處理與反洗水回收處理系統(tǒng)、軟化除硬工藝及濃水濃縮減量系統(tǒng)有效結(jié)合，使系統(tǒng)的產(chǎn)品水質(zhì)達(dá)到GB/T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)水質(zhì)要求，將系統(tǒng)的整體回收率提高至90%以上。系統(tǒng)的主要工藝流程如圖1所示。

1.2" 工藝特點

該系統(tǒng)將傳統(tǒng)雙膜法工藝與軟化除硬及濃水濃縮減量工藝有效組合，充分利用各子系統(tǒng)的優(yōu)勢，具備以下優(yōu)點。

第一，以膜法工藝為主體，系統(tǒng)除污脫鹽率高、產(chǎn)水品質(zhì)高、水質(zhì)水量穩(wěn)定。

第二，將一級反滲透系統(tǒng)的反洗水收集后進(jìn)行回收處理，將反滲透濃水進(jìn)行濃縮減量處理，大幅提高系統(tǒng)回收率。

第三，反滲透濃水軟化除硬后再進(jìn)行濃縮減量，可有效降低濃縮減量系統(tǒng)的結(jié)垢風(fēng)險潛勢，實現(xiàn)濃水的梯級濃縮，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

第四，采用雙相不銹鋼、316不銹鋼等高性能防腐材料，可有效防止系統(tǒng)腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和產(chǎn)水品質(zhì)合格。

第五，系統(tǒng)運行無需酸堿再生、對環(huán)境無二次污染，自動化程度高、操作簡便靈活。

2" 典型問題及形成原因分析

2.1" 典型問題

2.1.1" 多介質(zhì)過濾器產(chǎn)水懸浮物超標(biāo)

系統(tǒng)投運初期，受預(yù)處理系統(tǒng)水質(zhì)惡化及運行不規(guī)范等因素影響，本系統(tǒng)進(jìn)水懸浮物高達(dá)將近30 mg/L，經(jīng)多介質(zhì)過濾器處理后的產(chǎn)水懸浮物含量在10～20 mg/L之間波動，無法達(dá)到超濾系統(tǒng)對進(jìn)水懸浮物（lt;5 mg/L）的要求。

2.1.2" 超濾裝置產(chǎn)水量急劇衰減、產(chǎn)水SDI15值超標(biāo) 本系統(tǒng)每套超濾裝置設(shè)計凈產(chǎn)水量為160 t/h（20 ℃），運行一個多月后，每套超濾裝置的產(chǎn)水量在一天內(nèi)衰減至近78 t/h，平均衰減率將近31.88%，最大衰減率高達(dá)將近51.25%，嚴(yán)重超過了超濾系統(tǒng)運行的允許衰減范圍15%～30%，超濾運行產(chǎn)水衰減率如圖2所示。

超濾的運行壓差從最初投運的將近0.03 MPa升高至0.1～0.16 MPa，嚴(yán)重超過了超濾膜的允許運行壓差0.04～0.08 MPa;超濾產(chǎn)水SDI15值從最初的小于1升高至3.3～6.4，遠(yuǎn)高于反滲透系統(tǒng)對進(jìn)水SDI15的要求值（不大于3）。超濾連續(xù)化學(xué)清洗后運行壓差的變化情況如圖3所示，超濾連續(xù)清洗時產(chǎn)水SDI15值的變化情況如圖4所示。

2.1.3" 軟化除硬系統(tǒng)再生頻繁，無法正常運行

本系統(tǒng)一級反滲透系統(tǒng)的回收率為75%，其濃水的硬度及含鹽量均為進(jìn)水的4倍，使軟化除硬系統(tǒng)的運行周期從原設(shè)計的將近14.1 h，衰減至將近7.1 h，衰減率高達(dá)～50%，再生頻次成倍增加，再生含鹽廢水、沖洗水排放量和再生鹽耗成倍增加，系統(tǒng)的制水時間減少，產(chǎn)水量大幅下降，后續(xù)濃縮減量系統(tǒng)無法正常運行。軟化系統(tǒng)運行周期衰減率如圖5所示。

2.2" 原因分析

2.2.1" 水質(zhì)波動大、預(yù)處理系統(tǒng)藥劑投加量及投加方式不合理

該廠區(qū)位于黃海入?？?，受季節(jié)變化、自然降水及海水倒灌等因素以及廢水預(yù)處理系統(tǒng)運行效果的影響，水質(zhì)波動較大，進(jìn)水懸浮物、膠體等顆粒物含量高。有機物在顆粒物表面的吸附使顆粒物更穩(wěn)定，不利于顆粒物間的聚集沉淀，影響過濾效果;而且懸浮物為微生物提供了附著場所，對微生物起到了保護(hù)作用，使其不受殺菌劑的影響;大量的無機鹽營養(yǎng)物質(zhì)聚集在顆粒表面，會使附著的細(xì)菌生長繁殖加快，削弱了殺菌劑的效果[3]。

此外，預(yù)處理系統(tǒng)運行時須投加一定量的絮凝劑（PAM）、助凝劑（PAC）及殺菌劑（NaClO）以加快懸浮物、膠體等的絮凝沉淀速度并抑制細(xì)菌、微生物及藻類的生長繁殖。但因廢水預(yù)處理系統(tǒng)PAM和PAC投加量過大，導(dǎo)致大量未完全反應(yīng)的PAM和PAC殘留藥劑進(jìn)入中水回用系統(tǒng)而污堵超濾膜（圖6、圖7）。

PAC長期過量投加逐漸在后續(xù)單元富集并析出，被沖至超濾系統(tǒng)后截留在超濾膜表面，堵塞超濾膜流道，造成超濾膜組件產(chǎn)水量衰減、運行壓差升高。同時，因PAM溶于水后為無色透明黏稠溶液，其投加過量會導(dǎo)致絮凝物礬花體積變大，為細(xì)菌、微生物提供附著場所，加快其繁殖速度，保護(hù)其不受殺菌劑作用。該廠預(yù)處理系統(tǒng)實際運行未投加殺菌劑，加劇了微生物滋生對后續(xù)系統(tǒng)的影響。另一方面，PAM膠質(zhì)在運行時會逐漸穿透超濾膜絲進(jìn)入超濾產(chǎn)水池，在產(chǎn)水池中繼續(xù)發(fā)揮絮凝作用，將極少的細(xì)小懸浮物與微生物聚集（圖8、圖9），使超濾產(chǎn)水池的水質(zhì)惡化，反滲透進(jìn)水的SDI15值迅速升高，加劇反滲透進(jìn)水保安過濾器的污堵（圖10），惡化系統(tǒng)運行狀況。

同時，因廢水預(yù)處理系統(tǒng)各單元設(shè)施均為敞開式混凝土構(gòu)筑物，其粗糙的表面為微生物及藻類提供了良好的附著場所，在充足的光照和適宜的水溫環(huán)境下，藻類及微生物在短期內(nèi)瘋狂繁殖、爆發(fā)式生長（圖11），需要長期投加足量殺菌劑才可將其有效抑制。而殺菌劑投加量的增大，不僅會增加系統(tǒng)的藥劑運行成本，也使水中余氯含量增加，加速反滲透膜的氧化、衰老，影響其性能和壽命。

2.2.2" 中水硬度、含鹽量升高，加劇濃水膜系統(tǒng)結(jié)垢風(fēng)險

該系統(tǒng)中水的硬度主要是由鈣鎂離子與碳酸鹽結(jié)合引起的暫時硬度及其與Cl-、SO42-結(jié)合形成的永久硬度，2種硬度均可在反滲透膜濃水側(cè)形成無機鹽結(jié)垢，導(dǎo)致運行壓力升高、產(chǎn)水量衰減、產(chǎn)水水質(zhì)惡化[4]。

一級反滲透濃水的硬度及含鹽量成倍增加，大幅縮短了軟化系統(tǒng)的運行周期，軟化系統(tǒng)的再生需消耗大量工業(yè)鹽并產(chǎn)生濃鹽廢水。再生周期的縮短增加了系統(tǒng)自用水量、廢水產(chǎn)量和再生鹽耗量，減少了系統(tǒng)制水時間和產(chǎn)水率。

同時，濃水反滲透運行時需要投加高性能阻垢劑以降低膜系統(tǒng)的結(jié)垢風(fēng)險，而硬度的驟增造成了阻垢劑投加量的增加，提高了系統(tǒng)運行成本，且阻垢劑的最佳性能范圍一旦突破，阻垢效果受限，膜系統(tǒng)不可避免地會出現(xiàn)結(jié)垢，整個膜系統(tǒng)則無法正常運行。

3" 處理方法

3.1" 調(diào)整預(yù)處理系統(tǒng)藥劑投加量

通過長期的運行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)不同季節(jié)氣候條件下水質(zhì)的波動情況，確定合適的PAC、PAM和殺菌劑投加量及投加比例，利用在線監(jiān)控實時檢測水質(zhì)的變化情況，并及時調(diào)整預(yù)處理系統(tǒng)各藥劑的投加量，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3.2" 深度化學(xué)清洗，恢復(fù)超濾裝置性能

正常運行時，超濾運行出現(xiàn)壓差升高一倍、連續(xù)5次測量反滲透進(jìn)水SDI15gt;3，以及超濾產(chǎn)水量衰減率為20%～30%時，應(yīng)及時對超濾裝置進(jìn)行化學(xué)清洗以恢復(fù)其性能[5]。

本系統(tǒng)運行中上述指標(biāo)均已突破化學(xué)清洗的設(shè)定值。根據(jù)初次化學(xué)清洗的情況，判斷系統(tǒng)為物理性堵塞及微生物有機污堵為主，將常規(guī)化學(xué)清洗方案堿洗步驟中殺菌劑的濃度提高至0.2%，堿洗循環(huán)浸泡時間延長至1.5 h，循環(huán)過程中逐漸提高反洗水流量，每隔10～15 min測定堿洗液的pH，及時補充堿液，保證pH維持在11～12，清除超濾膜組件內(nèi)富集的微生物及有機物（圖12）。為避免超濾產(chǎn)水池內(nèi)不合格的產(chǎn)水影響化學(xué)清洗效果及對超濾膜造成二次污染，將超濾化學(xué)清洗水源由原設(shè)計的超濾產(chǎn)水調(diào)整為一級反滲透產(chǎn)水。此外，增加化學(xué)清洗劑擦洗的次數(shù)，延長氣擦洗時間，徹底清除超濾膜表面的污堵物（圖13）。

長期的累積污堵需要多次反復(fù)深度化學(xué)清洗，逐步恢復(fù)膜組件的初始性能。本系統(tǒng)經(jīng)將近15 d的反復(fù)清洗，超濾的運行情況明顯好轉(zhuǎn)和恢復(fù)，系統(tǒng)產(chǎn)水量及產(chǎn)水水質(zhì)基本滿足反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水要求。化學(xué)清洗劑清洗前后性能對比見表1。

3.3" 產(chǎn)水勾兌濃水，降低濃水硬度

為避免高硬度、高含鹽量的反滲透濃水在濃縮減量系統(tǒng)造成濃水反滲透膜結(jié)垢，軟化除硬至關(guān)重要。

表2為軟化系統(tǒng)運行工況對比。實際硬度遠(yuǎn)高于設(shè)計硬度，因此系統(tǒng)的再生頻次、再生鹽耗及含鹽廢水排放量成倍增加。實際運行每臺設(shè)備的再生周期將近7.1 h，每次再生耗時為2～3 h，系統(tǒng)無法正常運行。因此，將原設(shè)計的軟化過濾器由三用一備運行調(diào)整為2臺正常制水+1臺失效運行+1臺再生備用的方式。通過軟化系統(tǒng)產(chǎn)水對一級濃鹽水進(jìn)行勾兌，以降低后續(xù)膜系統(tǒng)進(jìn)水硬度，有效避免濃水反滲透結(jié)垢。

3.4" 提高運行水平，加強運行管理

本系統(tǒng)工藝流程長，工藝路線復(fù)雜，各級子系統(tǒng)水質(zhì)、水量、壓力和溫度等的變化都會影響整個系統(tǒng)的運行，對運行人員的操作水平和運行經(jīng)驗要求高。同時，本系統(tǒng)自動化程度高，控制精細(xì)，在線監(jiān)控與人工檢測相互對照，須規(guī)范運行人員的操作習(xí)慣、提高運行人員的操作水平、重視系統(tǒng)與設(shè)備的日常維護(hù)[6]。

4" 結(jié)論與建議

1）超濾膜的可逆性污堵在短時間內(nèi)會對系統(tǒng)運行帶來極大困擾，及時采取合理的深度化學(xué)清洗方案，反復(fù)多次深度化學(xué)清洗，逐漸恢復(fù)超濾的初始性能。

2）短期內(nèi)水質(zhì)嚴(yán)重偏離設(shè)計工況時，因地制宜地調(diào)整軟化除硬系統(tǒng)的運行機制，有效緩解再生頻繁造成的系統(tǒng)全面癱瘓，確保系統(tǒng)能夠保產(chǎn)運行。

3）從源頭排查，對預(yù)處理系統(tǒng)藥劑投加量和投加比例合理調(diào)整，規(guī)范運行操作習(xí)慣，加強運行管理，確保系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定運行。

4）中水水質(zhì)復(fù)雜、水質(zhì)波動性大等特點導(dǎo)致系統(tǒng)運行時易出現(xiàn)的典型問題不容忽視。采用合理的方式有效緩解、遏制微生物滋生和膜系統(tǒng)的結(jié)垢是保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

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第一作者簡介：王朋（1984-），男，碩士，高級工程師。研究方向為電子半導(dǎo)體純廢水處理、工業(yè)廢水零排放。