含硅高含盐废水的膜浓缩处理工艺及应用

向磊， 张进， 何松， 金家龙

（中电环保股份有限公司， 南京 211102）

新疆某多晶硅产业园区水资源匮乏， 用水水质复杂， 在生产过程中既要节约用水， 对废水进行回收利用， 又要将无法回收的废水进行深度处理， 最终实现零排放要求， 减少对环境的污染。 本工程进水主要是一级除盐水系统排放的浓水， 水质主要特点是硅含量较大， 含盐量高。 针对废水水质特点，结合常规污水回用及膜浓缩处理工艺， 本设计提出了一级浓水反渗透－高效反应沉淀池－双介质过滤器－超滤－钠床－二级浓水反渗透－STRO 的组合处理工艺， 进行分类逐步处理， 以达到蒸发结晶装置的进水含盐量要求。

1 设计进出水水量及水质

本工程处理的废水来源包括以下2 种： 一级除盐反渗透系统浓水、 少量凝液混床再生废水， 其中： 一级除盐反渗透系统浓水水量为186 m3／h， 其水质如表1 所示； 凝液混床再生废水流量为2.3m3／h， TDS 质量浓度为11 540.5 mg／L。 该工程属于蒸发结晶装置的预浓缩系统， 按照废水零排放设计， 最终浓缩的高含盐废水排入蒸发结晶系统， 要求其含盐质量浓度不低于90 000 mg／L， 浓水流量不小于12 m3／h。

表1 一级除盐反渗透系统浓水水质Tab. 1 Concentrated water quality of one-stage desalination RO system

本工程废水含盐量高， 成分复杂， 主要含有K＋、 Na＋、 Ca2＋、 Mg2＋、 Cl－、 SO42－、 NO3－、 COD、 硅等， 其中Ca2＋、 Mg2＋、 硅对膜浓缩系统选择影响较大， 若不能对其中的Ca2＋、 Mg2＋、 硅进行有效处理， 会造成膜浓缩系统的结垢污堵， 且极难清洗，大大缩短其核心元件膜的使用寿命， 严重影响膜系统的正常运行［1］。 因此需选择合适的工艺来对硬度及硅进行最大限度的去除， 同时去除部分有机物。

2 处理工艺流程

经过多种处理工艺对比， 本工程最终确定采用的工艺流程如图1 所示。

图1 工艺流程Fig. 1 Process flow

一级除盐反渗透浓水可通过一级浓水反渗透系统进一步浓缩， 此过程产生的浓水必须经过软化和除硅处理后， 才能进入下一步的浓缩系统。 通过设计高效一体化反应澄清装置， 采用“氢氧化钠＋碳酸钠”法去除总碱度及硬度［2］， 同时投加氧化镁药剂强化除硅， 不但运行成本、 系统投资低， 且运行稳定、 可靠。 经过上述处理后， 硅含量降到足够低， 水中绝大部分硬度也被去除。 此时水中浊度较大， 且残余的硬度需要进一步去除， 需通过多介质过滤器和超滤组合去除悬浮物及部分有机物， 钠床去除残余硬度， 此时水中的有害物质基本去除， 变成低浊软化高离子废水， 具备浓缩系统的进水条件。 通过二级浓水反渗透及STRO 系统处理， 浓水被浓缩到足够浓度后， 进入蒸发结晶系统处理［3－4］。

3 主要设备设计参数

（1） 一级浓水反渗透装置。 共2 套， 单套进水流量为93 m3／h， 单套浓水出水流量为32.5 m3／h，回收率为65%。 膜元件采用低压抗污染膜， 型号为BW30FR－400／34， 膜材料为芳香族聚酰胺， 最大工作压力为2.5 MPa。 水通量为8.5 L／（m2·h），装置分为一级二段， 组合方式为11 ∶5， 共计192支膜元件。 投加专用阻垢剂防止膜元件被硅污染，硅阻垢投加量为400 mg／L。

（2） 高效一体化澄清装置。 钢结构内防腐， 1套， 进水流量为100 m3／h， 出水流量为78.6 m3／h。装置分反应区、 混凝区、 泥水分离区。 反应区尺寸为6.6 m × 1.8 m × 4.4 m， 水 力 停 留 时 间 为37.5 min， 反应区平均分3 格， 每格各设1 台机械搅拌器， 单台功率为5.5 kW。 混凝区尺寸为1.8 m×1.8 m×4.4 m， 水力停留时间为10 min， 设1 只φ 0.8 m导流筒和1 台机械搅拌器， 功率为2.2 kW。 泥水分离区尺寸为9.6 m×8.5 m×6.5 m， 超高0.9 m， 泥渣浓缩时间为6 h， 池体上部设有斜板， 斜板长度为1 m， 倾角为60°， 铺设面积为7.0 m×8.5 m； 下部设有1 台刮泥机， 直径为7.5 m， 功率为1.1 kW。

（3） 双介质过滤器。 共2 套， 1 用1 备， 单套进出水流量为78.6 m3／h， 罐体直径为3 200 mm， 内部填装无烟煤（粒径为0.8 ～1.8 mm）、 石英砂（粒径为0.5 ～1.2 mm）， 填装高度分别为400、 800 mm。

（4） 超滤装置。 共2 套， 单套进水流量为40 m3／h， 单套产水流量为36 m3／h， 回收率为90%， 过滤方式为死端过滤。 装置采用外压式超滤膜， 型号ZeeWeed1500， 膜材料为PVDF［5］， 最大工作压力为0.35 MPa， 水通量为48 L／（m2·h）， 共计30 支膜。

（5） 钠床。 共2 套， 1 用1 备， 单套进出水流量为75 m3／h， 罐体直径为2 000 mm， 选用001×7钠型强酸阳离子树脂［6］， 再生溶液为10%的氯化钠溶液［7］。 填装高度为2 000 mm。

（6） 二级浓水反渗透装置。 共2 套， 单套进出水流量为37.5 m3／h， 单套浓水出水流量为13 m3／h，回收率为65%， 采用高压耐污染膜， 型号为CR100，膜材料为芳香族聚酰胺， 最大工作压力为4.2 MPa。水通量为15.4 L／（m2·h）， 装置分为一级二段， 组合方式为5 ∶3， 共计96 支膜元件。

（7） STRO 装置。 共2 套， 单套进出水流量为13 m3／h， 单套浓水出水流量为5.85 m3／h， 回收率为55%， 采用高压宽通道抗污染膜， 型号为RD-90， 膜材料为芳香族聚酰胺， 最大工作压力为9 MPa。 开放式流道， 可降低流动阻力， 降低浓差极化［8］。 膜通量为11 L／（m2·h）， 装置分为一级二段，组合方式为1 ∶3， 共计48 支膜元件。

4 调试与运行效果

本系统主要来水为一级除盐反渗透浓水， 首先进行调试的为一级浓水反渗透系统， 由于进水中结垢离子含量较高， 调试过程中逐步提高回收率至65%， 同时观察段间压差等运行情况， 经过一段时间运行， 系统一、 二段压差均保持在0.1 MPa 以内， 无明显增加， 运行正常稳定。

高效一体化澄清装置的进水主要有： 一级浓水反渗透浓水、 凝液混床再生废水， 及系统运行过程中产生的多介质过滤器反洗水、 超滤反洗水、 钠床再生废水。 经对比， 一级浓水反渗透浓水水量较大， 水质相对稳定， 为了防止凝液混床废水、 钠床再生废水对系统产生冲击负荷， 故在调节池前设置再生水池， 并配备小流量的水泵， 将此两股浓水均匀地提升至调节池。 高效一体化澄清装置在调试过程中， 氧化镁溶液和液碱在反应区第1 格前端投加， 通过实时监测pH 值实现对反应条件的控制，调节pH 值为10.0 ～10.3； 液碱和碳酸钠溶液在反应区第2 格前端投加； 混凝剂、 助凝剂在反应区第3 格末端投加后进入混凝区， 絮凝剂采用聚合硫酸铝铁（PAFS）， 助凝剂采用阴离子型聚丙烯酰胺。废水经过充分混凝后进入泥水分离区， 泥水分离区产生的污泥通过变频回流泵部分回流至混凝区， 剩余排至污泥浓缩池。 通过分区分格投加药剂、 污泥回流并控制反应条件， 废水经絮凝、 沉淀处理后，水中绝大部分硬度和硅被去除， 并进一步除去SS和部分COD［9］。 处理后实际水质硬度在1.6 mmol／L以内， 硅浓度降至1 mmol／L 以内。

通过双介质过滤器和超滤系统的双重过滤， 实际出水浊度在0.2 NTU 以内， 再经过钠床软化， 实际出水硬度在0.02 mmol／L 以内［10］。

经过去除硬度、 硅和浊度后， 废水进入二级浓水反渗透系统进行浓缩， 产水回收， 浓水进入STRO系统继续浓缩， 产水回收， 浓水进入后续蒸发结晶系统， 此时浓水含盐的质量浓度在90 000 mg／L以上。

本项目2018 年7 月初安装结束， 经过近4 个多月调试及运行， 系统趋于稳定， 其主要子系统水量及浓水水质各项指标如表2 所示。

由表2 可以得出， 来水经过预处理后， 硬度基本去除， 硅得到有效去除。 STRO 浓水侧含硅的质量浓度未超过200 mg／L， 不会对膜浓缩系统造成结垢和污堵风险； 且出水TDS 的质量浓度在90 000mg／L 以上， 满足蒸发结晶装置进水要求。

表2 系统主要出水水质平均值Tab. 2 Mean values of effluent water quality of the system

5 主要经济指标

本系统设备投资为1 725 万元。 进水量按188.3 m3／h 计算， 运行费用主要有： 电费5 229 元／d， 药剂费85 035 元／d， 人工费1 000 元／d。 系统运行成本约为20.19 元／m3。

6 结语

（1） 该工程实践表明， 对于硅含量高、 硬度高及含盐量大的废水， 采用一级浓水反渗透－高效反应沉淀池－双介质过滤器－超滤－钠床－二级浓水反渗透－STRO 的组合工艺进行处理是可行的。 其中膜系统在连续运行过程中， 未发生明显硅污染和结垢倾向， 系统运行稳定、 正常， 出水水质满足设计要求。

（2） 在调试及运行过程中， 高效一体化澄清装置应注意絮凝剂的投加量， 避免其投加过量而导致微小絮凝剂分子污染反渗透膜元件； 对于二级浓水反渗透系统和STRO 系统， 回收率应逐步提高至设计值， 同时观察进水压力、 段间压差等是否有增大趋势， 定期检测来水水质情况， 发现异常及时调整回收率。

（3） 针对高含盐废水， 目前普遍采用膜处理系统作为废水零排放的预浓缩工艺， 那么对于膜处理系统而言， 应根据废水水质参数， 针对不同的离子选择不同的前端预处理工艺， 并调整加药的类别，对“症”下药， 去除对膜处理系统有害的离子， 保证膜处理系统正常稳定运行。