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        晶體硅生產(chǎn)廢水零排放工程實(shí)例

        2021-07-07 08:51:44向磊徐毅雄
        工業(yè)用水與廢水 2021年3期
        關(guān)鍵詞:水質(zhì)

        向磊,徐毅雄

        (江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)股份有限公司,南京 210019)

        在水資源日益匱乏的今天,我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與水資源環(huán)境出現(xiàn)了極不協(xié)調(diào)的狀況,為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題,國(guó)家提出了“節(jié)水優(yōu)先”的治水方針,對(duì)外排廢水進(jìn)行回收利用,以及推廣零排放處理技術(shù)等[1]。本文介紹了某晶體硅公司高鹽廢水的零排放處理工藝流程,并給出了工藝設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)、調(diào)試運(yùn)行數(shù)據(jù)及處理效果,以期為同類含鹽廢水的處理提供參考。

        1 設(shè)計(jì)水質(zhì)

        新疆某晶體硅公司各車間在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放一定量的含鹽廢水,水量為25 m3/h。該含鹽廢水中鹽分種類較多,成分復(fù)雜。零排放處理產(chǎn)生的淡水回收利用,水質(zhì)滿足DL 5068—2014《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》的反滲透進(jìn)水水質(zhì)要求,作為廠區(qū)循環(huán)水反滲透裝置的進(jìn)水補(bǔ)充水源[2];生成的NaCl晶體可以回收,其純度要求達(dá)到95%以上,滿足該企業(yè)內(nèi)部工業(yè)副產(chǎn)品NaCl回收要求。高鹽廢水和淡水水質(zhì)如表1所示,其中高鹽廢水pH值為8,淡水pH值為6~8。

        表1 高鹽廢水和淡水水質(zhì)Tab.1 Characteristics of high-salt wastewater and fresh water mg·L-1

        2 工藝流程

        高鹽廢水的處理工藝一般遵循“預(yù)處理-濃縮-結(jié)晶”的原則,本項(xiàng)目結(jié)合來(lái)水中主要含Na+、Cl-,同時(shí)含有大量的Ca2+及一定量的SiO2等水質(zhì)特點(diǎn),采用混凝沉淀-超濾-弱酸陽(yáng)床-膜濃縮-三效蒸發(fā)結(jié)晶-單效蒸發(fā)結(jié)晶的工藝,對(duì)水中的硅及堿度進(jìn)行去除,再進(jìn)行減量濃縮,其中淡水回收[3],濃水進(jìn)行二次結(jié)晶蒸發(fā),NaCl回收,雜鹽外運(yùn)處置。工藝流程如圖1所示。

        圖1 高鹽廢水處理工藝流程Fig.1 Process flow of high-salt wastewater treatment

        從廠區(qū)排放的高鹽廢水進(jìn)入廢水調(diào)節(jié)池進(jìn)行充分的曝氣攪拌后,泵提進(jìn)入混凝沉淀池去除水中的SiO2和懸浮物,出水再提升進(jìn)入多介質(zhì)過(guò)濾器和超濾裝置進(jìn)一步去除膠體和濁度,濾后水進(jìn)入弱酸陽(yáng)床,水中的堿度全部轉(zhuǎn)換為CO2,CO2經(jīng)除碳器去除,此時(shí)水中的懸浮物及碳酸根、硅酸根等陰離子側(cè)結(jié)垢因子基本去除,具備進(jìn)入高壓反滲透裝置條件。水經(jīng)過(guò)高壓泵加壓后進(jìn)入高壓反滲透裝置進(jìn)行濃縮,淡水回收,濃水進(jìn)入三效蒸發(fā)裝置進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶,析出NaCl晶體,剩余的濃稠液進(jìn)入單效蒸發(fā)裝置和轉(zhuǎn)鼓切片機(jī)最終得到雜鹽。

        3 主要單元設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)備

        (1)混凝沉淀池。鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)防腐,1套,進(jìn)水流量為25 m3/h。裝置分氧化鎂混合區(qū)、混凝劑混合區(qū)、絮凝反應(yīng)區(qū)、泥水分離區(qū)。氧化鎂混合區(qū)尺寸為1.6 m×1.6 m×3.0 m,設(shè)1臺(tái)機(jī)械攪拌器,功率為2.2 k W?;炷齽┗旌蠀^(qū)尺寸為1.6 m×1.6 m×2.0 m,設(shè)1臺(tái)機(jī)械攪拌器,功率為1.5 k W。絮凝反應(yīng)區(qū)尺寸為3.5 m×3.5 m×4.0 m,設(shè)1只φ0.9 m導(dǎo)流筒和1臺(tái)機(jī)械攪拌器,功率為1.1 k W。泥水分離區(qū)尺寸為9.5 m×9.5 m×5.3 m,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7.5 m×7.5 m;下部設(shè)有1臺(tái)刮泥機(jī),刮泥機(jī)直徑為5.5 m,功率為0.55 k W。

        (2)污泥濃縮及干化裝置。污泥濃縮池為鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)防腐,1座,泥水混合物流量為20 m3/h,池體直徑為18 m,高7.2 m,設(shè)有1臺(tái)刮泥機(jī),刮泥機(jī)直徑為7.5 m,功率為1.1 k W。板框壓濾機(jī)共2臺(tái),1用1備,單臺(tái)過(guò)濾面積為100 m2,產(chǎn)泥含水率約為60%。污泥干化裝置1臺(tái),污泥處理量為8 t/d,最終干污泥含水率小于25%。

        (3)多介質(zhì)過(guò)濾器。碳鋼襯膠,2臺(tái),1用1備,進(jìn)水流量為25 m3/h,過(guò)濾器直徑為1 600 mm,內(nèi)部填裝無(wú)煙煤和石英砂,填裝高度分別為400、800mm。

        (4)超濾。2套,1用1備,進(jìn)水流量為25 m3/h,產(chǎn)水流量為22.5 m3/h,回收率為90%,采用死端過(guò)濾方式。超濾膜采用外壓式膜,型號(hào)為SFP-2860,膜材料為PVDF[4],最大工作壓力為0.35 MPa,水通量為40L/(m2·h),每套超濾設(shè)11支膜。

        (5)弱酸陽(yáng)床。碳鋼襯膠,2套,1用1備,進(jìn)水流量為25 m3/h,罐體直徑為1 600 mm,選用D113弱酸陽(yáng)樹(shù)脂[5]。工作交換容量大于1 600 mmol/L,填裝高度為1.6 m。

        (6)除碳器。1臺(tái),直徑為1 000 mm,內(nèi)置φ50 mm多面空心球,填裝高度為3.0 m,淋水密度為57 m3/(m2·h),配套鼓風(fēng)機(jī)型號(hào)為CQ19-J,空氣耗量為1 128~1 692 m3/h。使CO2質(zhì)量濃度降至10 mg/L以內(nèi)[6]。

        (7)高壓反滲透。2套,1用1備,進(jìn)水流量為23m3/h,濃水流量為13.8 m3/h,淡水流量為9.2 m3/h,回收率為40%[7],采用耐超高壓特種膜,型號(hào)為XUS180808,最高運(yùn)行壓力為12 MPa,每只膜有效面積為26.4 m2,水流道厚度為0.85 mm,設(shè)計(jì)膜通量為8 L/(m2·h),膜壓力容器排列方式為一級(jí)三段,組合方式為3∶2∶2,共計(jì)42支膜元件。

        (8)蒸發(fā)結(jié)晶裝置。進(jìn)水量為15 t/h,包括三效強(qiáng)制循環(huán)逆流蒸發(fā)裝置和單效蒸發(fā)結(jié)晶裝置。三效蒸發(fā)裝置主要設(shè)備有1臺(tái)散熱器,1臺(tái)預(yù)熱器,1臺(tái)脫氣塔,3臺(tái)加熱室,3臺(tái)分離室,3臺(tái)軸流泵,1臺(tái)間接冷凝器,1臺(tái)離心機(jī),1臺(tái)真空泵等。單效蒸發(fā)裝置主要設(shè)備有1臺(tái)加熱室,1臺(tái)分離室,1臺(tái)軸流泵,1臺(tái)間接冷凝器,1臺(tái)真空泵,1臺(tái)轉(zhuǎn)鼓切片機(jī)等。

        4 系統(tǒng)運(yùn)行情況

        4.1 混凝沉淀

        在調(diào)試過(guò)程中,通過(guò)試驗(yàn)及試運(yùn)行確定藥劑投加量,其中氧化鎂與硅酸的質(zhì)量比約為10∶1,以pH值在10.0~10.3為指標(biāo)控制NaOH投加量[8],絮凝劑的投加量約為40 mg/L,助凝劑的投加量約為1 mg/L,出水處投加鹽酸控制p H值在7.5~8.0之間。沉淀池的進(jìn)出水濁度及SiO2濃度分別如圖2、圖3所示。從圖2、圖3中可以看出,沉淀池出水濁度約為1.3 NTU,SiO2質(zhì)量濃度在30 mg/L以內(nèi)。

        圖2 混凝沉淀池進(jìn)出水濁度Fig.2 Turbidity of influent and effluent water of coagulation sedimentation tank

        圖3 混凝沉淀池進(jìn)出水SiO2濃度Fig.3 SiO2 concentrations of influent and effluent water of coagulation sedimentation tank

        4.2 超濾

        混凝沉淀池出水經(jīng)多介質(zhì)過(guò)濾器進(jìn)入超濾系統(tǒng),進(jìn)水壓力為0.08 MPa左右,跨膜壓差為0.025 MPa以內(nèi),每40 min反洗1次。超濾進(jìn)出水濁度如圖4所示。從圖4中可以看出,出水濁度穩(wěn)定在0.075 NTU以內(nèi),完全滿足后續(xù)系統(tǒng)進(jìn)水要求。

        圖4 超濾進(jìn)出水濁度Fig.4 Turbidity of UF influent and effluent water

        4.3 弱酸陽(yáng)床

        弱酸陽(yáng)床出水呈酸性,p H值在2.2~4.3之間。當(dāng)p H值上升到4.3時(shí)樹(shù)脂失效,需進(jìn)入再生程序。弱酸陽(yáng)床進(jìn)出水堿度及除碳器進(jìn)出水CO2濃度如圖5、圖6所示。從圖5、圖6中可以看出,陽(yáng)床出水堿度為0,除碳器出水CO2質(zhì)量濃度降為7.0 mg/L以內(nèi)。

        圖5 弱酸陽(yáng)床進(jìn)出水堿度Fig.5 Alkalinity of influent and effluent water of weak acid cation bed

        圖6 除碳器進(jìn)出水CO2濃度Fig.6 CO2 concentrations of influent and effluent water of carbon remover

        4.4 膜濃縮

        去除CO2的廢水經(jīng)加堿調(diào)節(jié)p H值至中性,加入阻垢劑后進(jìn)入高壓反滲透系統(tǒng)。系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中,逐步調(diào)節(jié)電動(dòng)濃水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,并提高高壓泵頻率至48 Hz,當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)整至25%時(shí),系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)額定工況,此時(shí)進(jìn)水壓力在4.5 MPa左右,回收率在40%以上,脫鹽率在96%以上。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,系統(tǒng)進(jìn)水和濃水TDS值如圖7所示。從圖7中可以看出,濃水TDS質(zhì)量濃度在50 000 mg/L以上。

        圖7 高壓反滲透進(jìn)水和濃水TDSFig.7 TDSof influent water and concentrated water of high pressure RO system

        4.5 運(yùn)行效果

        系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,由檢測(cè)結(jié)果可知,淡水p H值約為6.5,SS未檢出,Ca2+質(zhì)量濃度約為20 mg/L,Mg2+質(zhì)量濃度約為0.5 mg/L,TDS質(zhì)量濃度約為1 240 mg/L,各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求;對(duì)回收的NaCl晶體取樣分析,其NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到95.5%以上,滿足該廠回收純度要求。運(yùn)行期間未進(jìn)行廢水外排,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的廢水零排放。

        5 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

        該高鹽廢水處理裝置的日常運(yùn)行成本包括電費(fèi)、蒸汽費(fèi)、藥劑及人工費(fèi)。電費(fèi)為2.24元/t,蒸汽費(fèi)為10.33元/t,藥劑費(fèi)為8.65元/t,人工費(fèi)為0.9元/t,運(yùn)行成本合計(jì)為22.12元/t。

        該系統(tǒng)投運(yùn)當(dāng)月累計(jì)處理廢水15 000 t,回收淡水5 600 t,回收NaCl固體近200 t,成功解決了企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的高含鹽廢水處理問(wèn)題,并創(chuàng)造了良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

        6 結(jié)語(yǔ)

        (1)對(duì)于含有大量NaCl、Ca2+含量高及含有一定量SiO2的廢水,采用混凝沉淀-多介質(zhì)過(guò)濾器-超濾-弱酸陽(yáng)床-高壓反滲透工藝來(lái)進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶前的預(yù)濃縮,并采用三效蒸發(fā)裝置提取NaCl,單效蒸發(fā)裝置及轉(zhuǎn)鼓切片機(jī)獲得雜鹽,工藝整體是可行的。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高,運(yùn)行穩(wěn)定,淡水水質(zhì)及NaCl固體品質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求。

        (2)除碳器的設(shè)計(jì)選型應(yīng)充分考慮CO2的去除率,去除效果的好壞將直接影響高壓反滲透的脫鹽率和結(jié)垢程度。

        (3)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將廢水中的主要結(jié)垢因子堿度去除,但并未去除鈣鎂離子,由于水中含有一定量的硫酸根、少量氟離子和硅酸根離子,因此建議要求高壓反滲透阻垢劑供應(yīng)商根據(jù)實(shí)際的進(jìn)水水質(zhì)計(jì)算最佳投加量。進(jìn)水水質(zhì)如有改變,應(yīng)及時(shí)調(diào)整投加量。

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