我國是全球人均水資源最缺乏的國家之一，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，缺水將成為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素。與此同時，我國污水排放量由1980年的3.15×1011t增加到2011年的6.52×1011t，多數(shù)城市地下水受到一定程度的污染，且有逐年加重的趨勢。水資源短缺和水污染嚴(yán)重已成為我國淡水資源的兩大突出問題。中水是介于自來水和污水之間可重復(fù)利用的再生水，是污水處理后達(dá)到一定回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水、市政綠化以及生活洗滌等方面。中水回用有效提高了水資源回用率，同時也減少了污水排放量，是節(jié)水減排、保護(hù)水資源、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。
為響應(yīng)國家環(huán)保號召，實現(xiàn)節(jié)能減排，山西省某水泥廠建立中水回用系統(tǒng)，處理生產(chǎn)過程中排放的污水并全部回用作補(bǔ)充余熱發(fā)電循環(huán)水。該水泥廠擁有一條1.20×106t/a的熟料新型干法水泥生產(chǎn)線，水泥年產(chǎn)量可達(dá)3.0×106t。筆者以該水泥廠的中水回用工程為例進(jìn)行分析。
1水質(zhì)情況
該水泥廠排放的污水主要由4部分組成：余熱發(fā)電循環(huán)水排污水、鍋爐定排水排污水、鍋爐聯(lián)排水排污水和化水車間濃水排污水，總排水量為28t/h。具體水質(zhì)和水量數(shù)據(jù)見表1。
表1顯示，余熱發(fā)電循環(huán)水排污水的排放量最大，占總排放量的82%，化水車間濃水排污水占總排放量的11%，鍋爐定排水排污水和鍋爐聯(lián)排水排污水所占比例較小，均為總排放量的3.5%。余熱發(fā)電循環(huán)水排污水除電導(dǎo)率高、濁度高、Cl-濃度高、硬度大外基本不含其他污染物，屬于優(yōu)質(zhì)雜排水，其他3種污水水質(zhì)較為復(fù)雜，但排放量少，故混合排污水的水質(zhì)以余熱發(fā)電循環(huán)水排污水為主。
GB/T19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》中規(guī)定，再生利用工業(yè)用水水質(zhì)需滿足總硬度≤450mg/L、總堿度≤450mg/L、濁度≤5NTU、余氯≥0.05mg/L、pH在6.0~9.0范圍內(nèi)。經(jīng)過對比分析得出如下結(jié)論：該水泥廠排放污水的總堿度、余氯和pH均在規(guī)定范圍內(nèi)，濁度偏高，總硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。因此該中水回用工程的重點(diǎn)是降低濁度和除鹽處理。
2工藝過程
中水回用工藝主要分為3部分：預(yù)處理系統(tǒng)、除鹽系統(tǒng)和配套加藥系統(tǒng)，具體工藝過程如圖1所示。
預(yù)處理系統(tǒng)包括全自動凈水器和超濾裝置，除鹽部分由反滲透裝置實現(xiàn)，配套加藥系統(tǒng)根據(jù)工藝過程向預(yù)處理系統(tǒng)和除鹽系統(tǒng)中注入不同的化學(xué)藥液，如助凝劑、絮凝劑等。
2.1預(yù)處理系統(tǒng)
預(yù)處理系統(tǒng)通過絮凝、反應(yīng)、沉淀、排污、過濾、純化和濃縮等一系列過程，可實現(xiàn)其出水水質(zhì)達(dá)到下一處理系統(tǒng)進(jìn)水要求的目的。該系統(tǒng)主要作用是降低污水濁度，通過全自動凈水器和超濾裝置完成。全自動凈水器主要包括絮凝反應(yīng)區(qū)、斜管沉淀區(qū)和石英砂過濾區(qū)3部分，并設(shè)計有水力自動反洗。設(shè)計單套處理水量為30t/h，經(jīng)過該裝置處理后出水水質(zhì)優(yōu)良，濁度≤3NTU。
廢水收集池中的混合廢水與助凝劑、絮凝劑混合后進(jìn)入絮凝反應(yīng)區(qū)并產(chǎn)生較大的絮凝體，進(jìn)入沉淀區(qū)后有機(jī)物、懸浮物及膠體等絮凝體顆粒在重力及斜管作用下沉降于沉淀器內(nèi)。沉淀區(qū)處理后的出水經(jīng)集水槽進(jìn)入全自動過濾區(qū)，水中顆粒較小的絮凝體被截留于石英砂濾層上，出水穿過濾層進(jìn)入清水池。當(dāng)運(yùn)行一段時間后，濾料層中的固體顆粒雜質(zhì)逐漸增多，水頭損失增加，反清洗裝置自動開啟進(jìn)行反洗，反洗時間持續(xù)約5min，反洗過程結(jié)束后過濾重新開始。
該套設(shè)備優(yōu)點(diǎn)為：(1)在沉淀區(qū)設(shè)置了斜管。斜管沉淀器與傳統(tǒng)的平流式沉淀器相比增加了沉淀面積，縮短了沉降時間。(2)設(shè)有全自動反清洗裝置，能夠根據(jù)濾料層的清潔程度巧妙利用水力學(xué)特性實現(xiàn)自動運(yùn)行，方便實用、操作簡單。
超濾裝置對于細(xì)菌和大多數(shù)病毒、膠體、淤泥等有極高的去除率，可達(dá)到分離、分級、純化、濃縮目的，保證反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行安全。
2.2除鹽系統(tǒng)
反滲透系統(tǒng)是該污水回用系統(tǒng)的主要脫鹽裝置。由于廢水經(jīng)過2~3倍濃縮，氯離子含量較高，采用反滲透能降低廢水的硬度及氯離子含量，確保產(chǎn)水作為循環(huán)水補(bǔ)充水。反滲透裝置設(shè)計為兩套平行裝置，每套出水均為15t/h，以確保某套反滲透裝置進(jìn)行反洗期間整個中水回用系統(tǒng)的連續(xù)性。
運(yùn)行過程中，反滲透膜會被無機(jī)物垢、膠體、微生物、金屬氧化物等污染或阻塞。這些物質(zhì)沉積在膜表面，會引起反滲透膜透過量下降和脫鹽率降低。因此，為恢復(fù)反滲透膜的透過量和脫鹽性能，需要定期進(jìn)行化學(xué)清洗。一般來說膜的清洗周期受其自身材質(zhì)、性能參數(shù)、運(yùn)行條件(如溫度、壓力等)的影響，清洗周期通常為3個月左右。
2.3配套加藥系統(tǒng)
根據(jù)工藝過程不同，配套加藥系統(tǒng)注入的化學(xué)藥液也不同，包括助凝劑加藥單元、絮凝劑加藥單元、氧化劑加藥單元、還原劑加藥單元和阻垢劑加藥單元。加藥水箱補(bǔ)充用水取自反滲透產(chǎn)水。具體配置為：(1)助凝劑加藥單元，采用1箱1泵，供全自動凈水器使用。(2)絮凝劑加藥單元，采用1箱1泵，供全自動凈水器使用。(3)氧化劑加藥單元，采用1箱1泵，供超濾裝置反洗使用。(4)還原劑加藥單元，采用1箱1泵，供反滲透裝置使用。(5)阻垢劑加藥單元，采用1箱1泵，供反滲透裝置使用。
3主要構(gòu)筑物設(shè)計參數(shù)及設(shè)備選型
3.1主要構(gòu)筑物設(shè)計參數(shù)
廢水收集池、清水池、濃水池、超濾水池和產(chǎn)水池等主要構(gòu)筑物建設(shè)在地下，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，重要性系數(shù)為1.0，不計側(cè)壁摩阻力的抗浮安全系數(shù)Kf=1.05。具體參數(shù)見表2。
構(gòu)筑物鋼筋保護(hù)層厚度設(shè)計如下：與水、土接觸或高濕度的墻、板為30mm，與污水接觸或受水汽影響的墻、板為35mm，與水、土接觸或高濕度的梁、柱為35mm，與污水接觸或水汽影響的梁、柱為40mm，基礎(chǔ)為40mm。
3.2 設(shè)備選型
(1)全自動凈水器。外形尺寸為3m×2.5m×4.4m，為碳鋼防腐材質(zhì)，最大運(yùn)行壓力為0.6MPa。沉淀區(qū)設(shè)計表面負(fù)荷7~8m3/(m2˙h)，斜管填料，分級石英砂過濾，濾速5~8m/h，濾料8t。配套設(shè)備有2只容積1m3的PE加藥桶，分別投加絮凝劑和助凝劑;2臺流量為0~3.8L/h、功率為370W的加藥泵;1臺轉(zhuǎn)速為60r/min、功率為750W的攪拌器。
(2)超濾裝置。超濾膜選用UF1IB200(山東招金膜天有限責(zé)任公司)，中空纖維膜材質(zhì)，數(shù)量6支，過濾精度在0.01mm左右，系統(tǒng)回收率98%，產(chǎn)水量30t/h，全自動運(yùn)行方式。配套設(shè)備有1只容積為1m3的PE加藥桶，投加氧化劑;設(shè)1臺加藥泵和1臺攪拌器。
(3)反滲透裝置。膜芯選用BW30-400(陶氏化學(xué)公司)，產(chǎn)水量40t/d，有效面積37m2，穩(wěn)定脫鹽率99.5%。每套反滲透裝置設(shè)計為12支8寸膜芯，采用一殼4芯，需3支8寸膜殼。每套反滲透裝置中一段和二段膜殼比例設(shè)計為2∶1。反滲透裝置進(jìn)水濁度<0.5 NTU，系統(tǒng)回收率為75%，全自動運(yùn)行方式。配套設(shè)備有2只容積為50L的PE加藥桶，分別投加還原劑和阻垢劑，設(shè)2臺加藥泵和2臺攪拌器。
4 運(yùn)行調(diào)試結(jié)果分析
設(shè)備安裝就緒后，對整個工藝過程進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，基本穩(wěn)定后檢測不同階段的出水水質(zhì)，具體數(shù)據(jù)見表3。
由表3可見，預(yù)處理階段全自動凈水器對降低污水濁度貢獻(xiàn)最大，由原來的34.1NTU降為1.3NTU，效果顯著。該過程去除了部分Ca2+、Mg2+、CO32-等離子，降低了污水總硬度和總堿度，電導(dǎo)率也隨之有所下降，污水pH從8.2降到7.7。超濾過程去除污水中的細(xì)菌、懸浮物等，并有一定濃縮作用，因此水中Cl-濃度有小幅度的上升，電導(dǎo)率略微升高，污水濁度繼續(xù)降低，由1.3NTU降至0，達(dá)到反滲透裝置的進(jìn)水水質(zhì)要求。
反滲透除鹽階段污水的總硬度和電導(dǎo)率明顯下降，電導(dǎo)率由2770μS/cm降低到207μS/cm，下降幅度約93%，總硬度由2020mg/L降低到40mg/L，下降幅度約98%，總堿度由240mg/L降低到20mg/L，下降幅度約92%，pH基本保持不變。
圖2、圖3分別為電導(dǎo)率、總硬度、總堿度和濁度隨著系統(tǒng)工藝過程的變化規(guī)律。圖中橫坐標(biāo)的數(shù)字分別代表：1—原水，2—全自動凈水器出水，3—超濾出水，4—反滲透出水。圖2顯示電導(dǎo)率和總硬度的變化趨勢基本保持一致，在反滲透階段變化最大，其次是全自動凈水器預(yù)處理階段，超濾過程對2種指標(biāo)影響較小。圖3中總堿度在反滲透階段變化最大，預(yù)處理階段對其影響較小，濁度變化主要集中在預(yù)處理階段的全自動凈水器處理過程。
中水回用系統(tǒng)產(chǎn)水量為20t/h，最終出水水質(zhì)優(yōu)良，符合GB/T19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》對再生水用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)要求。該水泥廠在建立中水回用系統(tǒng)前循環(huán)水補(bǔ)水為地下水，地下水的電導(dǎo)率為2100μS/cm、硬度為1600mg/L、堿度為260mg/L，中水回用系統(tǒng)最終出水水質(zhì)優(yōu)于該地下水水質(zhì)。
5成本分析
該工程項目總投資150萬元，總處理費(fèi)用為2.17元/t，其中電費(fèi)1.12元/t，藥劑費(fèi)為0.71元/t，人工費(fèi)為0.34元/t。中水回用工程投運(yùn)之前該水泥廠用水全部取自地下水，總費(fèi)用為5.4元/t，包括基本水費(fèi)、代收費(fèi)和取水費(fèi)用，水泥廠產(chǎn)生的廢水全部外排，排污費(fèi)為1.8元/t，按此計算，中水回用工程投運(yùn)后每天節(jié)約費(fèi)用約3000元，1.5a即可收回總投資成本。由此可見，水泥廠中水回用系統(tǒng)的建立不僅具有良好的環(huán)境效益，同時還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
6結(jié)論
中水回用系統(tǒng)對水泥廠排放污水進(jìn)行了降低濁度和除鹽處理，使污水濁度由34.1NTU降至0，電導(dǎo)率由4090μS/cm降至207μS/cm，總硬度由3160mg/L降至40mg/L，總堿度由260mg/L降至20mg/L，出水水質(zhì)滿足GB/T19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》中對再生水用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)要求，可直接回用于該水泥廠余熱發(fā)電過程中。該水泥廠的污水排放量為28t/h，經(jīng)中水回用系統(tǒng)處理后回用水量為20t/h，污水回收率約75%，不僅減少了污水排放量，同時提高了水資源利用率，帶來良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。
來源：《工業(yè)水處理》2014年第12期
