盧斯煜，陳 凱，李建飛，柴少龍，羅偉鋒

(煤科集團杭州環(huán)保研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引言

近年來我國電鍍行業(yè)企業(yè)數(shù)量呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢，截至2018年我國已成為電鍍加工大國。絕大部分的電鍍企業(yè)分布在華南、華東及沿海制造業(yè)比較發(fā)達的地區(qū)，其中臺州部分地區(qū)還存在新增中小型電鍍企業(yè)速度快、密度高的現(xiàn)象。鑒于此現(xiàn)象當?shù)氐沫h(huán)境保護管理部門為控制該地區(qū)電鍍廢水排放總量對當?shù)仉婂兤髽I(yè)達標排放的水量進行了更嚴格的控制，故當?shù)仉婂兤髽I(yè)必須進行減量生產(chǎn)或對增加達標排放水再利用工藝。目前臺州某電鍍企業(yè)運營狀態(tài)良好無法減量生產(chǎn)，故需要對原污水站進行改造，增設中水回用工藝工程，通過比較電鍍廢水回用技術常用的反滲透過濾法、電滲析技術和離子交換樹脂三種工藝的優(yōu)缺點[1]，結合該電鍍企業(yè)現(xiàn)有的人員配置、場地限值等因素后選擇了在我國比較成熟且具有人員操作簡便及設備占地面積小等優(yōu)勢的反滲透過濾法。反滲透過濾法的缺陷在于反滲透膜在使用過程中受待處理水水質影響極大，若水質較差容易發(fā)生反滲透膜不可逆污堵問題從而必須更換新的反滲透膜，這將造成額外的經(jīng)濟損失[2]，而該電鍍企業(yè)日常運營過程中為控制成本，在不影響污水站出水指標的前提下使用石灰代替片堿進行電鍍廢水pH調(diào)節(jié)，導致出水硬度極高(Ca2+>3 000 mg/L)達到特硬水等級[3-4]，為保證反滲透膜的正常使用必須對污水站出水進行軟化處理。在吸取前人的經(jīng)驗基礎上，通過多方研究后決定采用“軟化+砂濾+UF+RO”組合工藝進行污水站中水回用，輔以CIP(在線清洗)工藝進行新增系統(tǒng)的日常維護。本工程于2017年11月下旬安裝調(diào)試結束并投產(chǎn)使用，至今系統(tǒng)運行穩(wěn)定，處理效果良好，可為電鍍企業(yè)污水站高硬度排放水回用改造提供較好的借鑒。

1 項目概況

臺州某電鍍企業(yè)污水站原有達標排放150 t/d電鍍廢水，出水重金屬濃度達到《電鍍污染物排放標準》(GB 21900—2008)新建企業(yè)水污染物濃度排放限值要求，其余指標達到《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)三級標準。企業(yè)為減少污水站排水量需要增設一套污水站中水回用系統(tǒng)，現(xiàn)結合電鍍企業(yè)電鍍線用水水質要求，在保證中水回用系統(tǒng)回用率≥50%的基礎上對回用系統(tǒng)的進水水質和回用水質做出了明確要求(其中污水站出水還需進行軟化處理此時的電導率測定無意義，為達到回用水質要求只需保證超濾產(chǎn)水電導率≤30 000 μS/cm；污水站出水的鈣離子則會對反滲透膜造成污堵，為保證反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運行需要保證一體式組合軟化池出水鈣含量≤20 mg/L)，水質具體要求見表1。

表1 設計進水水質和回用水水質

2 工藝流程

污水站放流池中水通過水泵抽入一體式組合軟化沉淀池，組合池內(nèi)中水依次通過軟化池、快混池和慢混池，在攪拌機的攪拌作用下使中水和藥劑充分接觸后進入斜管沉淀池進行固液分離，上清液通過溢流堰流至中間水槽；中間水槽水經(jīng)水泵抽入砂濾器過濾凈化后流入pH調(diào)節(jié)槽，在槽內(nèi)通過酸堿加藥系統(tǒng)在pH探頭實時監(jiān)測的控制下調(diào)節(jié)水體pH至中性后進入UF原水池；之后水經(jīng)超濾系統(tǒng)和兩級反滲透系統(tǒng)處理后獲得高品質水返回企業(yè)車間內(nèi)再次使用。

一體式組合沉淀池產(chǎn)生的污泥主要成分為碳酸鈣，定期通過污泥泵排入污水站污泥池中統(tǒng)一壓泥處理，產(chǎn)生的濾液回污水站前端混合處理，成型泥餅定期委外處理。

反滲透系統(tǒng)在運行過程中污染物會在濃水側富集，一級反滲透富集濃水內(nèi)會含較多的雜質故返回污水站前端混合處理，由于二級反滲透用于一級反滲透產(chǎn)水品質提升，水體自身的污染物濃度較低，故產(chǎn)生的富集濃水返回一級反滲透系統(tǒng)前端再次利用。詳細工藝流程詳見圖1。

3 主要構筑物設計

本工程主要構筑物見表2。

3.1 一體式組合軟化沉淀池

一體式組合軟化沉淀池由軟化池、快混池、慢混池、pH調(diào)節(jié)池和斜管沉淀池組合而成，各反應池之間共用隔墻，沉淀池選用表面負荷較大的斜管沉淀方式，通過池體結構優(yōu)化以節(jié)約占地面積。系統(tǒng)運行時軟化池中加藥系統(tǒng)會自動投加過量的純堿引入碳酸根離子，同時通過投加液堿調(diào)節(jié)水體的pH維持在10～12之間，污水站中水通過攪拌機攪拌作用充分與藥劑接觸反應形成碳酸鈣沉淀，反應后的水流經(jīng)快、慢混池加藥混凝后流入斜管沉淀池中沉淀，上清液通過溢流堰流入中間水槽，沉淀池底部污泥通過水泵輸送至污水站的污泥收集池經(jīng)壓濾機壓成泥餅后處理。

表2 主要構筑物一覽表

一體式組合沉淀池內(nèi)發(fā)生軟化作用的“純堿+液堿”的組合軟化工藝通過碳酸鈣的溶度積常數(shù)[5]和碳酸在不同pH水體中存在的形態(tài)確定，藥劑投加量及最佳反應pH則通過后期工況調(diào)試確定。

3.2 砂濾器

企業(yè)污水站內(nèi)原有配套管路完整的濾器罐體，但因污水站處理工藝修改遭廢棄，在本工程中考慮到一體式組合軟化沉淀池出水水質會受到污水站出水水質波動影響，為了提高系統(tǒng)整體抗沖擊能力在組合沉淀池出水后接入過濾器過濾，一方面提高系統(tǒng)整體的抗沖擊能力，一方面也將廢棄濾器罐體再次利用起來。本工程中過濾器過濾介質采用石英砂填料故稱砂濾器，用于去除生化沉淀出水中殘留的顆粒、膠體物質、懸浮固體等，以提高水質，增強系統(tǒng)抗沖擊能力，保證后續(xù)工序的正常運轉。

3.3 超濾(UF)系統(tǒng)

超濾(UF)工藝[6]在砂濾器過濾作用后進一步去除水中的雜質，該系統(tǒng)在一定壓力下，當水流過膜表面時，只允許水、無機鹽和小分子物質透過膜，而截留水中的懸浮物、膠體和微生物，以達到凈化分離的目的。本系統(tǒng)中超濾膜過水的運行方式采用死端過濾方式，將所有的進水在壓力差的作用下透過超濾膜，把進水中的雜質截留在超濾膜上，并輔以頻繁水反洗技術去除截留在超濾膜表面的雜質，以保證膜系統(tǒng)穩(wěn)定的產(chǎn)水量，并提高系統(tǒng)的水利用率，使系統(tǒng)運行更穩(wěn)定。

3.4 反滲透(RO)系統(tǒng)

反滲透(RO)技術[7]作為中水回用的核心步驟，本工程中采用的反滲透膜元件具有脫鹽率高、透過速度快、機械強度好、抗污染性能好等特點。超濾產(chǎn)水經(jīng)過兩級反滲透膜系統(tǒng)處理后的產(chǎn)水進入回用水池，經(jīng)節(jié)能變頻恒壓供水系統(tǒng)送至企業(yè)車間用水點，一級反滲透污染物富集濃水返回臺州某電鍍公司企業(yè)配套的企業(yè)內(nèi)污水站和原處理水混合后處理，二級反滲透污染物富集濃水由于污染物濃度較低可以返回超濾產(chǎn)水箱再次處理提高中水回用率。兩級反滲透膜管數(shù)量采用3∶1(一級膜數(shù)量∶二級膜數(shù)量)的比例進行處理，在安裝過程中反滲透膜管架采用垂直疊加式制作，在平面空間上做到了盡可能小的占地面積。

本工程雖然采用了“砂濾器+超濾系統(tǒng)”的串聯(lián)工藝作為反滲透系統(tǒng)的預處理模塊，但反滲透系統(tǒng)的膜元件不被污染是不現(xiàn)實的。為確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，本工程反滲透系統(tǒng)配有在線清洗(CIP)工藝，在污堵發(fā)生后配制特定清洗液清除膜中污染物質，通過此方法可以有效地恢復膜元件的性能。

4 運行效果分析

4.1 運行情況

該工程自2017年11月下旬設備安裝調(diào)試結束后開始使用，經(jīng)半年多的運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，設備運行良好，處理效果可靠，達到設計要求和預期目的，排放指標均低于設計要求，系統(tǒng)在調(diào)試期間和運行半年后各取一周的數(shù)據(jù)，處理效果見圖2、圖3。

圖中所示數(shù)據(jù)的水樣分別取于一體式組合軟化沉淀池進水端和砂濾器出水端。從圖中可以觀察到，從污水站放流池中抽入的中水含有大量的鈣離子，通過調(diào)試期進水數(shù)據(jù)曲線和系統(tǒng)運行半年后隨機抽取一周的進水數(shù)據(jù)曲線可以發(fā)現(xiàn)中水中鈣離子含量在3 000～7 000 mg/L范圍內(nèi)波動。軟化出水的鈣離子含量有明顯的減少，在調(diào)試初期軟化出水的鈣離子含量就達到≤50 mg/L的要求。但對于膜系統(tǒng)而言鈣離子含量越低就越不容易造成膜污染，因此將一體式組合軟化沉淀池中軟化單元的pH控制點由10.5提至11.5。從圖中調(diào)試期軟化出水后半段數(shù)據(jù)曲線和系統(tǒng)運行半年后隨機抽取一周的軟化出水數(shù)據(jù)曲線可以看出軟化出水的鈣離子含量穩(wěn)定<15 mg/L。

圖中所示數(shù)據(jù)的水樣分別取于超濾工藝的產(chǎn)水端和反滲透工藝的產(chǎn)水端。通過兩級反滲透處理，中水電導率由14 000～20 000 μs/cm穩(wěn)定降至40～110 μs/cm(圖3(a)電導率變化)，滿足回用水電導率≤300 μs/cm的要求；中水CODCr由350～420 mg/L穩(wěn)定降至8～20 mg/L(圖3(b)CODCr變化)，滿足回用水CODCr≤20 mg/L的要求；中水SS由360～440 mg/L穩(wěn)定降至0～4 mg/L(圖3(c)SS變化)，滿足回用水SS≤10 mg/L的要求。

綜上所述，本工程中通過“軟化+砂濾+超濾+反滲透”組合工藝對污水站出水進行深度處理后的回用水質能夠達到設計要求，且經(jīng)過半年運行后系統(tǒng)依舊相對穩(wěn)定。

4.2 直接運行成本分析

本工程總投資100萬元，處理水量150 t/d，正常生產(chǎn)運行費用主要包括電費、藥劑費、人工費、耗材費和維修費，各費用計算如下：

(1)電費：系統(tǒng)正常運行期間各設備的用電量構成，計算后為7.13元/t；

(2)藥劑費：系統(tǒng)運行期間各藥劑投加量構成，其中每噸水的藥劑費分別為氫氧化鈉0.33元/t，50%硫酸0.3元/t，PAC 0.28元/t，PAM 0.07元/t，純堿4.07元/t組成，共計5.05元/t；

(3)人工費：系統(tǒng)需要專人進行操作維護，由于系統(tǒng)自動化程度高，崗位只需1人，結合當?shù)毓べY收入情況，工資以135元/d計，則人工費為0.9元/t；

(4)耗材費：系統(tǒng)正常運行期間砂濾器過濾介質，日常用品，化驗室易耗品等，折算后為0.69元/t；

(5)維修費：系統(tǒng)正常運行期間設備難免出現(xiàn)故障，為排除故障產(chǎn)生得費用，費用參考給排水手冊以5 000元/月計，即維修費為0.11元/t。

(6)直接運行費用：上述費用合計為13.88元/t。

5 結語

采用“軟化+砂濾+超濾+反滲透”組合工藝處理臺州某電鍍企業(yè)污水站達標排放的高硬度電鍍污水，回用水水質穩(wěn)定達到CODCr≤20 mg/L，電導率≤300 μS/cm，SS≤10 mg/L，pH 6～9，回用率≥50%，滿足臺州某電鍍企業(yè)對回用水水質的要求。高硬度廢水本身易造成反滲透膜產(chǎn)生不可逆的污堵，本工程中通過系統(tǒng)前端的廢水軟化處理和反滲透系統(tǒng)CIP在線清洗維護下，經(jīng)半年多運行后系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)指標較調(diào)試期數(shù)據(jù)無明顯變化。