石膏制酸废水零排放处理工程设计实例

余波， 张楠

（陕西昕宇表面工程有限公司， 西安 710003）

1 工程概况

宁夏某锰业公司年产40 万t 石膏制酸项目位于宁夏中宁县中宁工业园宁新工业区， 为了缓解水资源匮乏的现状［1］， 建设一套废水处理系统， 以实现废水回用与零排放。 废水处理系统分为预处理段和深度处理段， 预处理段对生产排放的酸性废水和生活污水进行达标排放处理， 深度处理段对预处理后的酸性废水、 生活污水及循环水排污水的混合水进行处理。 由于进入深度处理段的废水盐分高、 硬度高、 碱度高， 本工程结合水质特点及目前零排放采用的多级膜浓缩工艺［2-3］， 使进入蒸发装置的水量尽量缩减， 以降低一次性投资规模， 减少运行费用。

2 设计水质及水量

废水处理系统水源为生产排放酸性废水、 厂区生活污水及循环水站排污水， 水量分别为20、 10和120 m3／h， 其中生活污水经过一体化设备处理，达到GB／T 18920—2002《城市污水再生利用城市杂用水水质》中的城市绿化用水要求后， 一部分用于厂区道路浇洒和绿化， 另一部分与中和沉淀后的酸性废水、 循环水排污水一起进入综合调节池， 经过后续回用工段处理后回用。 回用工段设计规模为150 m3／h， 设计进出水水质见表1。

3 工艺流程及说明

废水零排放的难点在于末端高盐水和盐泥的消化［4］， 核心是膜浓缩和蒸发结晶技术的选择， 最终目的是减少进入蒸发器水量， 降低总投资和能耗。目前， 零排放膜浓缩主要采用HERO、 NF 膜、 振动膜和正渗透技术， 蒸发结晶采用自然蒸发、 机械压缩蒸发（MVR）和多效蒸发［5－8］。 通过对目前运行的几个零排放案例进行深入分析［9－11］， 结合石膏制酸废水高盐分、 高硬度和碱度的特点， 最终选定与目前国内分盐最稳定、 废水回收率较高的中煤图克采用的高效反渗透-多效蒸发结晶相类似的工艺。本工程采用预处理-两级反渗透-NF 分盐-高压反渗透-蒸发结晶为主体的工艺。 预处理-两级反渗透主要对废水进行充分浓缩， 产生的高盐水再通过NF 膜分离一价盐（主要为Na＋和Cl－）和二价盐（主要为SO42－）， 然后NF 产水再通过高效反渗透进一步浓缩， 以减少进入蒸发器的水量， 降低投资。 工艺流程如图1 所示。

表1 设计进出水水质Tab. 1 Design influent and effluent water quality

图1 废水处理工艺流程Fig. 1 Wastewater treatment process flow

预处理采用高密沉淀-多介质过滤工艺， 主要去除综合废水中总硬度和悬浮物， 满足超滤进水要求， 然后再进行超滤-一级反渗透脱盐。 一级反渗透设计回收率为75%， 产水进入回用水池回用，浓水进入浓水收集池， 再经过树脂软化-脱碳酸处理后， 进入二级反渗透， 二级反渗透设计回收率为70%。 经过两级浓缩后， 反渗透浓水TDS 质量浓度在32 000 mg／L 左右， 水量约为11 m3／h， 此时，二级反渗透浓水再经过多介质过滤-NF 分盐， NF系统设计回收率为86%， 纳滤产水水量约为9.5 m3／h， TDS 质量浓度约为11 000 mg／L， 浓水约为1.5 m3／h， TDS 质量浓度约为150 000 mg／L。 NF 浓水直接送至蒸发结晶工段， NF 产水经过高压反渗透处理。 高压反渗透设计回收率为75%， 产水进入回用水池， 浓水送至蒸发结晶处理， 其浓水水量约为2.4 m3／h， TDS 质量浓度约为46 000 mg／L。

4 主要构筑物及设备参数

4.1 生活污水处理系统

（1） 格栅调节池。 1 座， 钢砼结构， 尺寸为5.0 m×4.0 m×6.0 m ， 有效容积为80 m3。 配套提升泵2 台， Q ＝10 m3／h， H ＝10 m， P ＝0.75 kW，1 用1 备。

（2） 一体化设备。 碳钢防腐， 尺寸为10.0 m×2.5 m×2.7 m， 内置水解酸化填料及MBR 膜组件。 配套自吸泵2 台， 1 用1 备； Q ＝10 m3／h， H ＝10 m， N ＝1.5 kW， 回流泵1 台， Q ＝20 m3／h， H ＝10 m， N ＝1.5 kW； MBR 反洗泵1 台， Q ＝17 m3／h， H ＝20 m，N ＝2.2 kW。

4.2 酸性废水处理系统

（1） 调节池。 1 座， 钢砼结构， 玻璃钢防腐，尺寸为10.0 m×5.0 m×4.0 m， 有效容积为160 m3。配套提升泵2 台， 1 用1 备， Q ＝20 m3／h， H ＝10 m， N ＝3 kW。

（2） pH 调节池。 2 座， 钢砼结构， 玻璃钢防腐， 一级pH 值控制在3～4 之间， 二级pH 值控制在7～8 之间， 单座尺寸为1.0 m × 1.0 m × 4.0 m。配套搅拌机2 台， N=1.1 kW。

（3） 絮凝池。 1 座， 钢砼结构， 玻璃钢防腐，尺寸为1.0 m×1.0 m×4.0 m， 配套搅拌机1 台， N=0.55 kW。

（4） 斜管沉淀池。 1 座， 钢砼结构， 环氧沥青漆防腐， 尺寸为3.0 m×3.0 m×4.0 m。 配套污泥螺杆泵2 台， Q ＝10 m3／h， H ＝30 m， N ＝1.5 kW， 1用1 备。

4.3 回用水处理系统

（1） 综合调节池。 1 座， 半地下式， 钢砼结构， 环氧沥青漆防腐， 尺寸为15.0 m×9.0 m×5.0 m。 配套提升泵2 台， Q ＝150 m3／h， H ＝15 m， N ＝22 kW， 1 用1 备。

（2） 高密沉淀池。 1 座， 2 个系列， 半地下式，钢砼结构， 环氧沥青漆防腐， 全池尺寸为12.0 m×8.5 m×5.5 m， 其中反应区有效停留时间为5min，絮凝区有效停留时间为15 min， 沉淀区有效停留时间为2 h。 配套污泥循环泵3 台， 2 用1 备； Q ＝11m3／h， H ＝10， N ＝3 kW； 污泥排放泵3 台， 2用1 备， Q ＝5 m3／h， H ＝35 m， N ＝1.5 kW。

（3） 多介质过滤器。 2 台， 碳钢衬胶， 尺寸为φ3.4 m×3.5 m， 单台处理水量为75 m3／h， 设计滤速不超过8.5 m。 下层采用石英砂滤料， 有效粒径为1.5 mm， 400 mm 厚； 上层采用无烟煤， 有效粒径为2.5 mm， 400 mm 厚。

（4） 超滤装置。 2 套， 设计回收率为90%， 采用陶氏PVDF 超滤膜， 膜型号为SP2880， 单支膜面积为75 m2， 设计通量不超过50 L／（m2·h）， 23支／套， 总计46 支超滤膜。

（5） 一级反渗透装置。 2 套， 设计回收率为75%， 采用反渗透膜元件为陶氏BW30－365， 单支膜面积为34 m2， 每套84 支， 总计168 支膜； 单套采用12 支7 芯压力容器， 压力等级为5.52 MPa， 8 ∶4 排列， 合计24 支。 配套反渗透高压泵2 台， Q ＝75 m3／h， H ＝175 m， N ＝55 kW， 变频控制。

（6） 弱酸阳床。 2 台， 1 用1 备， 材质碳钢衬胶， 尺寸为φ2.0 m×3.8 m。 采用漂莱特C104PLUS型号树脂， 单床树脂体积为3.6 m3， 合计7.2 m3。

（7） 软化水池。 1 座， 半地下式， 钢砼结构，玻璃钢防腐， 尺寸为3.0 m×3.0 m×5.0 m， 有效停留时间为1.0 h， 配套提升泵2 台， 1 用1 备； Q ＝37.5 m3／h， H ＝30 m， N ＝11 kW， 配套脱气塔1座， 规格为φ1.0 m×6.0 m， 材质为FRP。

（8） 二级反渗透装置。 1 套， 设计回收率为70%， 采用反渗透膜元件为陶氏CR－100， 单支膜面积为37 m2， 总计48 支膜； 单套采用8 支6 芯压力容器， 压力等级为3.10 MPa， 5 ∶3 排列。 配套反渗透高压泵1 台， Q ＝37.5 m3／h， H ＝200 m， N ＝37 kW， 变频控制； 段间增压泵1 台， Q ＝24 m3／h， H ＝50 m， N ＝7.5 kW， 变频控制。

（9） 浓水多介质过滤器。 1 台， 碳钢衬胶， 尺寸为1.0 m×3.5 m， 单台处理水量为11 m3／h， 设计滤速不超过7.5 m／h。 下层采用石英砂滤料， 有效粒径为1.5 mm， 400 mm 厚； 上层采用无烟煤，有效粒径为2.5 mm， 400 mm 厚。

（10） NF 装置。 1 套， 设计回收率为86%， 采用GE 公司NF 膜， 膜元件型号为8040F35， 单支膜面积为31.9 m2， 总计25 支膜； 单套采用5 支5芯压力容器， 5 ∶3 排列， 其中一段采用5 支压力等级5.52 MPa 的压力容器， 二段采用3 支压力等级为6.90 MPa 的压力容器。 配套NF 高压泵1 台， Q ＝24 m3／h， H ＝440 m， N ＝55 kW， 变频控制； 段间增压泵1 台， Q ＝15.6 m3／h， H ＝180 m， N ＝15 kW，变频控制。

（11） 高压反渗透装置。 1 套， 设计回收率为75%， 采用陶氏反渗透膜， 膜元件型号为XC－70，单支膜面积为34.4 m2， 总计18 支膜； 单套采用3支6 芯5.52 MP 的压力容器， 2 ∶1 排列。 配套高压泵1 台， Q ＝13.3 m3／h， H ＝370 m， N ＝18.5 kW，变频控制； 段间增压泵1 台， Q ＝8.2 m3／h， H ＝100 m， N ＝4 kW， 变频控制。

（12） 膜处理间。 1 座， 平面尺寸为74.0 m ×44.0 m， 净高8 m， 局部二层。 膜装置、 加药装置、电气室、 机柜间都在膜厂房内。

（13） 蒸发结晶厂房。 1 座， 平面尺寸为19.0 m×14.0 m， 三层， 高度为13.0 m， 氯化钠、 硫酸钠三效蒸发装置及其配套电器设备布置在厂房内。

（14） 污泥浓缩池及污泥脱水间。 1 座， 污泥浓缩池尺寸为φ10.0 m×5.0 m， 污泥脱水间为二层框架结构， 平面尺寸为24.5 m×19.0 m， 高度为15 m， 配套250 m2高压板框脱水机3 台。

5 工程运行效果

工程实施后， 整体回收率高达97.25%， 每天可节水3 500 t。 回用水TDS 质量浓度为230 mg／L左右， 达到循环水补水要求； 每天产生氯化钠结晶盐2.9 t， 硫酸钠结晶盐5.5 t。

6 项目经济分析

工程总投资为4 919 万元， 其中土建费用1 620万， 设备及材料费用2 960 万元， 安装费用209 万元， 其他费用130 万元。

运行成本考虑电耗、 药剂费、 蒸汽费， 处理水量以150 m3／h 计， 年运行86 400 h， 折合吨水费用为38.26 元。

7 结语

针对石膏制酸废水高盐分、 高硬度和高碱度的特点， 采用两级反渗透膜浓缩-NF 分盐-高压反渗透-三效蒸发的组合工艺进行处理， 使进入蒸发结晶系统的水量尽可能减少， 降低一次性投资及运行费用， 处理后回用水TDS 质量浓度小于250 mg／L，蒸发结晶产生的盐纯度达到工业盐标准， 具有一定经济效益。

该工艺解决了废水回用及零排放难题， 工艺运行稳定、 可靠， 具有一定抗冲击性。 但也存在工艺流程过长， 投资、 运行成本较高， 运行中膜的有机污染， 废水的结晶结垢对蒸发器腐蚀等缺点。 因此， 在不断优化已有工程参数的同时， 针对零排放存在问题， 建议采用组合技术， 降低废水含盐量，确保系统稳定、 高效运行。