复合式软化及膜浓缩技术在光伏废水处理中的应用

杨国敏

（海乐乐（中国）有限公司，上海201600）

工矿企业循环冷却水用量极大，占到企业总用水量的65%~80%〔1〕，为了节约用水，可以采取提高循环水浓缩倍数的方法。膜浓缩是常用的脱盐手段，如果将膜浓缩应用到对循环水的处理，则相当于可以将原来意义上的“循环水浓缩倍数”进一步提高，例如：循环水系统的浓缩倍数为4，处理其排污水的膜系统回收率为80%，即膜浓缩5倍，则相当于整个系统浓缩倍数为20，节水效果非常明显。但对于过滤孔径只有0.1 nm级的反渗透膜，其对进水水质的要求非常严格，预处理效果不好，会引起膜寿命大幅下降甚至损坏，造成运行成本升高。笔者对内蒙古盾安光伏科技有限公司综合废水处理系统的水质检测数据和设备运行数据进行采集，通过数据分析，来探讨化学软化及膜浓缩在工业化应用中的效果，以期为相关的研究或设计提供参考。

1 项目概况

内蒙古盾安光伏科技有限公司全厂综合废水主要包括循环水处理站的膜浓缩液及少量其他杂用水，循环水处理站采用“过滤+超滤+反渗透”工艺对循环排污水进行处理，回收率91.7%左右，相当于浓缩12倍，其产生的脱盐水回用，浓缩液则进入综合废水处理系统，综合废水处理系统于2018年6月开始调试，并于7月开始正常运行。

综合废水处理系统处理能力：120 m3/h，透过液量108 m3/d，总回收率90%，相当于在原来12倍的基础上再浓缩10倍，即120倍浓缩，产出的脱盐水作为循环水补充水。设计进出水质指标见表1。

2 工艺设计说明

根据回收率要求及表1的进水要求（硬度较高、盐分较高、含硅），综合废水处理采用“加药及离子交换的复合式软化+多级膜浓缩”工艺设计。其工艺流程如图1所示。

表1 进出水水质

图1 工艺流程

（1）综合废水进入调节池，经均质均量后进入软化反应池，通过投加NaOH和碳酸钠去除水中硬度，再通过混凝沉淀进行泥水分离，其中部分污泥回流，使过量的药剂充分反应。上清液通过多介质过滤去除残余悬浮物，经过离子交换进一步除硬后，依次进入超滤和RO（反渗透），反渗透的浓缩液进入浓水RO，透过液经过pH回调后回用。浓水RO的透过液进入反渗透再回收，其浓缩液进入中高压RO，进一步浓缩。中高压RO的透过液进入RO再回收，其浓缩液则进入蒸发系统。

（2）系统全部冲洗水、再生水、化学清洗水等均进入调节池再回收。

（3）系统配药、冲洗、化学清洗等内部用水全部来自RO透过液。

（4）为防止硅污染，膜系统在高pH下运行。

3 运行分析

3.1 复合式软化原理

本系统复合式软化包括加药软化和离子交换。加药软化主要利用氢氧根离子和碳酸根离子与钙、镁离子发生化学反应〔2〕，生成Mg（OH）2和CaCO3沉淀。离子交换主要利用弱酸树脂的吸附选择性，吸附钙、镁离子〔3〕。

3.2 水质检测数据分析

本系统内部回流及清洗液回流现象较多，单一的瞬时数据不具有代表性，因此采用平均值法对数据进行分析。对2018年6月—2019年11月期间的系统水质进行了分析，结果见表2。其中2018年6月为调试期。

表2 水质检测数据

从表2可以看出：原水硬度最高1 334 mg/L，最低595 mg/L，最高值为最低值的2倍以上，波动较大且没有规律；除去调试阶段的数值，软化后水的总硬度在126~366 mg/L，离子交换后水的总硬度在2~80 mg/L。

结合工艺设计和现场运行状况，原水总硬度的波动幅度较大，加上本系统并没有在线硬度监测，数据化验又存在滞后性，因此无法实时调整，通常存在加药不足或过量的情况。离子交换系统按累积运行时间进行再生，受进水硬度的波动影响，饱和后依然运行、非饱和即进行再生的情况无法避免。

按照化学反应的理想状态，2 mol的钠离子（23 g/mol）置换1 mol的钙离子（40 g/mol），水的电导率或者说含盐量变化不大。从表2可以看出，加药软化前后电导率增加幅度明显，且没有规律，很可能是引入的钠离子的量比置换出的钙离子的量要多〔4〕。离子交换前后水的电导率或者说含盐量，除2018年11月及2019年1月出现两次较大变化，其余时间均变化不大，即离子交换前后电导率变化有增加有减少，多数符合离子交换的规律。

从去硬效果来看，除去2018年6月份调试期，加药软化后平均总硬度在300 mg/L以上为1个月份，占比12.5%，300 mg/L以下占比87.5%，200 mg/L以下占比37.5%；离子交换后平均总硬度在10 mg/L以下的占比50%，说明加药软化和离子交换分别将总硬度降到200 mg/L和10 mg/L以下是有可能实现的，但从占比情况来看，实现精度控制难度较大。

软化pH控制在10左右，因此产生的软化污泥呈碱性，目前用于厂区内酸性废水的中和，作进一步利用。

3.3 膜运行状况

膜运行数据采集量较少，仅拿到2019年2月和11月数据，由于膜系统的脱盐率（利用电导率比值进行近似计算）、回收率、透过液量、进水压力、进水电导率等参数本身具有相关性，且比较复杂，加上系统回流和清洗情况会对以上参数造成直接的影响，对不同时期进行量化对比和相关性分析是很困难的。所以仅对该时期的膜的性能是否正常进行评定，结果见表3~表5。

表3 2019年RO运行状况

表4 2019年浓水RO运行状况

表5 2019年中高压RO运行状况

RO系统分3段，第2、第3段设置段间增压泵，采用陶氏BW30FR-400/34i膜元件。从表3可以看出，脱盐率无明显变化，回收率和透过液流量均在正常范围内，性能无明显衰减。

浓水RO分2段，第2段设置段间增压泵，采用日本东丽TM820V-400膜元件，从表4可以看出，脱盐率无明显变化，回收率和透过液流量均在正常范围内，性能无明显衰减。

中高压RO处于综合废水处理系统的末端，负荷最重，共1段，设置循环回路，采用日本东丽TM820V-400膜元件。从表5可以看出，脱盐率变化不明显，回收率和透过液流量均在正常范围内，性能无明显衰减。

总体来看，在高pH情况下运行，总体来说运行稳定，性能无明显衰减。

4 结论与展望

通过对内蒙古盾安光伏综合废水处理系统的工艺原理、现场运行状况分析得出以下结论：

（1）加药软化可以将总硬度降至200 mg/L以下，弱酸树脂离子交换可以将总硬度降至10 mg/L以下，化学软化受水质波动影响较大，药剂难以精确把控。

（2）膜系统在高pH情况下运行，总体来说运行稳定，性能无明显衰减，其性能变化情况还需要持续关注。

（3）复合式软化及膜浓缩工艺在内蒙古盾安光伏综合废水的处理中的应用是可行的。

虽然该系统从2018年7月正常投运到2019年11月，整体运行情况稳定，但全程高pH下膜的最终寿命还需要持续关注；平均每8 h板框压出的碱性污泥量为5 m3左右，虽然目前用于厂区酸性废水的中和处理，但仍然是工艺上的一个弊端；整体成本高，每吨原水需要消耗碳酸钠固体约0.6 kg、氢氧化钠固体约2.8 kg、电耗约5 kW·h；虽然整体控制实现了自动化启动、运行、停止和多数水质在线监测，但系统的自动调节和数据分析等智能化控制仍然没有〔6〕；以上这些问题都需要进一步研究和改进。