趙曉霞

上海東碩環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>

1 引言

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重匱乏的國(guó)家，居世界第88位，僅為世界人均占有量的1/4；隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，廢水排放的種類及總量迅猛增大，對(duì)水體的污染也日趨嚴(yán)重，威脅環(huán)境安全和人類的健康；國(guó)家倡導(dǎo)企業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，降低能耗、資源回用、循環(huán)經(jīng)濟(jì)。故化工廠實(shí)現(xiàn)少排污及零排污是大勢(shì)所趨，實(shí)現(xiàn)廢水回用和零排放勢(shì)在必行。本工程項(xiàng)目位于安徽某煤化工產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，廢水來源為廠區(qū)及園區(qū)中水回用排放濃鹽水，處理目標(biāo)實(shí)現(xiàn)零排放，詳細(xì)設(shè)計(jì)如下。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

設(shè)計(jì)水量：120t/h，蒸發(fā)結(jié)晶進(jìn)水量≤20t/h，總產(chǎn)水率≥85%，達(dá)標(biāo)產(chǎn)水直接進(jìn)入園區(qū)脫鹽水的超濾產(chǎn)水箱。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1

資源化鹽品：

硫酸鈉滿足《工業(yè)無水硫酸鈉》（GB/T 6009—2014）Ⅱ類一等品標(biāo)準(zhǔn)，氯化鈉滿足《工業(yè)鹽》（GB/T 5462—2015）精制工業(yè)干鹽一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

污泥及雜鹽排放：

污泥排放含水率≤75%，雜鹽排放含水率≤5%，雜鹽率≤15%。

3 工藝比選說明

零排放項(xiàng)目的工藝路線都很長(zhǎng)，基本上常規(guī)工藝均有應(yīng)用，如混凝、沉淀、污泥脫水、吸附、過濾、樹脂軟化、脫碳、超濾UF、納濾NF、微濾MF、反滲透、DTRO、EDM、臭氧催化氧化法等物理化學(xué)處理法，還有BAF、A/O、A2/O等生化法，還有多效蒸發(fā)、冷凍結(jié)晶、MVR、LAT等蒸發(fā)結(jié)晶熱法工藝，以上工藝單元可根據(jù)需要單選或多選、排列組合。綜上所述，目前零排放的前沿主流工藝可大致概括為：熱膜耦合法。

根據(jù)本項(xiàng)目進(jìn)出水水質(zhì)分析：來水CODcr、TDS、硬度、堿度、硅等含量均較高，而零排放的終點(diǎn)是鹽、水分離，這就對(duì)容易引起結(jié)垢、污堵等污染的離子含量要求極高，把各工段離子的含量控制在合適范圍內(nèi)是最重要的任務(wù)。該項(xiàng)目TDS從15713mg/L左右濃縮至10萬mg/L~20萬mg/L以上，濃縮范圍6~12倍以上，需要經(jīng)過除硬、除硅，除COD、膜濃縮、蒸發(fā)結(jié)晶等重要工序，據(jù)此，該設(shè)計(jì)分3個(gè)步驟進(jìn)行，詳述如下。

3.1 工藝設(shè)計(jì)

3.1.1 預(yù)處理階段

調(diào)節(jié)池→軟化澄清→清水池→多介質(zhì)過濾器→弱酸陽床→脫碳塔及水池。

該階段目的是軟化除硬除堿度除硅除濁，為膜濃縮提供良好的進(jìn)水條件，先通過在高密池中投加針對(duì)性藥劑，反應(yīng)沉淀后降低進(jìn)水中的硬度、堿度、可溶硅，過程需控制pH值，再經(jīng)過濾去除沉淀出水的懸浮物、膠體等雜質(zhì)，因高倍濃縮需設(shè)弱酸陽床離子交換徹底除硬，除硬的同時(shí)也要除堿度，利用除碳器去除水中的CO2[1]。

3.1.2 膜濃縮預(yù)分鹽階段

脫碳塔→NF裝置→NF產(chǎn)水池→RO裝置→RO濃水池→EDM工藝包。

NF濃水池→AOP；RO產(chǎn)水→RO產(chǎn)水池→回用。

第二步是深度濃縮，利用NF只截留高價(jià)離子不截留單價(jià)離子的特性，進(jìn)行預(yù)分鹽后將系統(tǒng)分成兩條線；主要以氯化鈉為主的NF產(chǎn)水線，以硫酸鈉為主的NF濃水線。（1）NF產(chǎn)水再經(jīng)RO裝置，使RO濃水鹽量至30000mg/l左右進(jìn)入ED高倍濃縮，再去氯化鈉蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。（2）NF濃水的水質(zhì)TDS約80000mg/L左右，COD約1400 mg/L左右，為達(dá)到鹽品質(zhì)需設(shè)臭氧催化氧化除CODcr。

3.1.3 分質(zhì)結(jié)晶

（1）氯化鈉蒸發(fā)結(jié)晶工段：EDM濃水池→NaCl蒸發(fā)結(jié)晶。

此時(shí)水中氯化鈉的濃度達(dá)到16%左右，易污堵結(jié)垢各指標(biāo)都控制到很低，蒸汽充裕，故直接采用多效蒸發(fā)結(jié)晶法，產(chǎn)出氯化鈉單鹽，冷凝液換熱冷卻后可直接或再處理后回用。

（2）硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶工段：AOP產(chǎn)水→冷凍產(chǎn)芒硝→Na2SO4蒸發(fā)結(jié)晶。

NF濃水經(jīng)AOP去除有機(jī)物后，以硫酸鈉為主體系，控制溫度-5℃~0℃時(shí)冷凍結(jié)晶，直接冷凍析出芒硝，為了得到高純度的硫酸鈉單鹽，將芒硝進(jìn)行熔融重結(jié)晶。

通過熱膜耦合工藝處理后，85%以上的廢水達(dá)標(biāo)后回用，其余的為可商業(yè)化出售的結(jié)晶鹽，只產(chǎn)生極小量的雜鹽。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

3.2 關(guān)鍵工藝單元設(shè)計(jì)

（1）水池。均為鋼混凝土內(nèi)防腐結(jié)構(gòu)，除調(diào)節(jié)池、事故池HRT為48h之外，其他過程水池HRT均為1h，均設(shè)在線液位計(jì)。

（2）軟化澄清池。采用高密池形式，是一種高速一體式組合沉淀/濃縮池，采用混凝反應(yīng)池與化學(xué)加藥相結(jié)合去除污染物的過程，分四個(gè)區(qū)，也可根據(jù)情況增加功能區(qū)，是很重要的軟化除硬、除硅單元，設(shè)計(jì)時(shí)須控制好攪拌速度、反應(yīng)時(shí)間、沉淀時(shí)間、pH值等指標(biāo)，方能達(dá)到聯(lián)合軟化及除硅的效果。污泥去板框脫水機(jī)，泥餅含固率≮30%。

共2座，鋼混凝土內(nèi)防腐，單座尺寸5.2m×5.2m×7m，共設(shè)攪拌機(jī)6臺(tái)，其中，混合攪拌4臺(tái)，絮凝攪拌2臺(tái)；刮泥機(jī)2臺(tái)，污泥回流排放泵6臺(tái)，4用2備。

（3）多介質(zhì)過濾器。共3臺(tái)，Φ2.8m，45t/h/臺(tái)，設(shè)匹配的反洗水泵、風(fēng)機(jī)各2臺(tái)。

（4）弱酸陽床。弱酸陽樹脂交換容量大，約為強(qiáng)酸陽樹脂的兩倍。鑒于此，用來深度除硬，可使硬度降至≤0.03mmol/L。共3套，62t/h/套，Φ2m，V=19.7m/h，設(shè)酸堿再生加藥系統(tǒng)各一套。

（5）脫碳塔。調(diào)整pH值后，在脫碳塔中鼓風(fēng)吹脫就極易的去除CO2，即去除堿度。共2臺(tái)，碳鋼襯膠，Φ1600。

（6）NF裝置。NF膜目前也越來越多用到零排放系統(tǒng)，利用其有選擇性截留離子的特點(diǎn)，初步分鹽，減小了熱法分鹽的負(fù)擔(dān)；截留有機(jī)物，為提供RO良好的運(yùn)行環(huán)境。共設(shè)2級(jí)NF裝置。一級(jí)NF：共3套，89.2t/h/套，R=85%，6芯膜殼3段式排列，設(shè)保安過濾器3臺(tái)，高壓泵3臺(tái)，單臺(tái)水量118t/h，壓力17.1bar；二段段間泵3臺(tái)，流量78t/h，P=4bar；三段段間泵3臺(tái)，流量48t/h，P=5bar。濃水NF：共2套，26.7t/h/套，R=50%，4芯膜殼1段式排列，設(shè)保安過濾器2臺(tái)，高壓泵2臺(tái)，流量36t/h，壓力43.8bar。

（7）反滲透裝置。重要的脫鹽裝置，保證3年內(nèi)97%以上脫鹽率，根據(jù)進(jìn)水鹽量不同合理選用抗污染的苦咸水膜及抗污染的海淡膜。

共3套，87.1t/h/套，R=65%，6芯膜殼1段式排列，設(shè)保安過濾器3臺(tái)，高壓泵3臺(tái)，單臺(tái)水量108t/h，壓力31.3bar。

（8）EDM（電驅(qū)離子膜）。低溫低壓運(yùn)行，大大減小了蒸發(fā)器的規(guī)模，投資和運(yùn)行管理?xiàng)l件都優(yōu)于蒸發(fā)結(jié)晶，在零排放分鹽中，可采用一價(jià)選擇性膜，對(duì)氯根和硫酸根二次分離。共2套，62t/h/套，采用日本旭硝子DW-4膜組，有效膜面積0.855平方米/片，1200片/套；設(shè)置濃水箱、淡水箱各1臺(tái)10m3；陰、陽極液箱各1臺(tái)1m3；各3臺(tái)淡水、濃水液循環(huán)泵流量為210t/h；陽極液、陰極液循環(huán)泵各1臺(tái)，水量10t/h。

（9）大孔樹脂吸附器。對(duì)長(zhǎng)鏈的有機(jī)物吸附能力較強(qiáng)，故其一般設(shè)置在臭氧之前，樹脂吸附后可通過堿或甲醇再生，是一種新型的除有機(jī)物的工藝。共3臺(tái)，Φ1.6m，15t/h/臺(tái)，設(shè)樹脂捕捉器3臺(tái)，次氯酸鈉及堿再生裝置各一套。后增補(bǔ)。

（10）臭氧催化氧化。利用臭氧產(chǎn)生?OH自由基迅速氧化降解水中有機(jī)物的過程，結(jié)合投加催化介質(zhì)，可大大提高脫除效率。共1臺(tái)，5kg/h氧氣源，處理量13.4t/h，設(shè)反應(yīng)池1座，池容145m3設(shè)尾氣破壞器1臺(tái)，外送泵2臺(tái)，處理量15t/h。

（11）蒸發(fā)結(jié)晶。①硫酸鈉冷凍段。進(jìn)水硫酸鈉含量高，COD含量高，利用硫酸鈉0度以下溶解度極低的特點(diǎn)，采用冷凍法得到純凈的十水硫酸鈉；母液去雜鹽干燥系統(tǒng)[2]。進(jìn)料量30t/h，冷凍機(jī)組2臺(tái)，冷凍結(jié)晶器1臺(tái)，外冷器2臺(tái)，沉降器8臺(tái)，溶硝罐2臺(tái)，溶硝泵2臺(tái)。②芒硝蒸發(fā)段。芒硝再經(jīng)過熔融結(jié)晶，得到較高品質(zhì)的硫酸鈉單鹽。單效蒸發(fā)器，處理量1.83t/h，共設(shè)加熱室1臺(tái)，分離室1臺(tái)，軸流泵1臺(tái)，真空機(jī)組1臺(tái)，稠厚器2臺(tái)，離心機(jī)1臺(tái)，盤干機(jī)1臺(tái)，半自動(dòng)噸袋包裝機(jī)1臺(tái)。③氯化鈉蒸發(fā)段。進(jìn)料NaCl占比最高，蒸發(fā)時(shí)先達(dá)到NaCl的飽和點(diǎn)，結(jié)晶出NaCl單鹽后回到低濃度，過程中Na2SO4和硝酸鈉占比慢慢變高，控制Na2SO4濃度在共飽點(diǎn)以下?？刂破渌镔|(zhì)的濃度，這樣只結(jié)晶出NaCl而不析出其他，母液去干燥單元[2]。二效順流蒸發(fā)器，處理量5.71t/h，共設(shè)加熱室2臺(tái)，分離室2臺(tái)，軸流泵2臺(tái)，真空機(jī)組1臺(tái)，稠厚器2臺(tái)，離心機(jī)1臺(tái)，盤干機(jī)1臺(tái)，半自動(dòng)噸袋包裝機(jī)1臺(tái)。④結(jié)晶母液處置。主要含NaCl、Na2SO4及從前面工序過來的雜質(zhì)離子和有機(jī)物。設(shè)滾筒干燥器，處理量2.8t/h。

3.3 運(yùn)行效果

該工程于2017年11月開始施工，2018年6月機(jī)械竣工，經(jīng)過2個(gè)月的調(diào)試，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，同年8月驗(yàn)收投產(chǎn)使用。廠區(qū)實(shí)驗(yàn)室對(duì)該系統(tǒng)關(guān)鍵單元水質(zhì)也進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：運(yùn)行穩(wěn)定，處理效果良好，產(chǎn)水達(dá)標(biāo)；硫酸鈉純度達(dá)98%以上，氯化鈉純度達(dá)98.5%以上，運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。

表2 運(yùn)行數(shù)據(jù)表

3.4 工程投資及運(yùn)行費(fèi)用

本工程總投資4823萬元，包括設(shè)備材料、安裝調(diào)試、技術(shù)服務(wù)費(fèi)。本工程總運(yùn)行功率為2224kW，噸水直接運(yùn)行費(fèi)用：電費(fèi)6.16元，藥劑費(fèi)7.49元，蒸汽費(fèi)3.97元；噸水成本為17.62元（其中電價(jià)0.6元/度；蒸汽單價(jià)100元/噸，藥劑單價(jià)為采購價(jià)，年運(yùn)行時(shí)間8000h）。本工程總占地面積：172m×42m=7224m2。

4 結(jié)語語

本工程雖達(dá)標(biāo)驗(yàn)收，但也存有一些小問題可優(yōu)化，有部分工藝的增補(bǔ)，如水中硅含量超過原設(shè)計(jì)值10%，故后續(xù)增加二級(jí)除硅高密池，臭氧氧化效果未達(dá)到預(yù)期效果，COD超標(biāo)，后續(xù)增補(bǔ)了樹脂吸附除有機(jī)物?；瘜W(xué)加藥混凝沉淀后經(jīng)多介質(zhì)過濾直接進(jìn)膜，會(huì)造成膜的清洗頻繁，縮短壽命，可增加超濾單元，為膜系統(tǒng)提供更好的水質(zhì)條件。